Способ изготовления разнотолщинных листовых изделий

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано, например, при изготовлении панелей, лючков и других листовых деталей с утолщенными кромками, учитывающими их снижение прочности в зоне термического влияния при выполнении сварочных работ с соседними деталями. Способ изготовления разнотолщинных листовых изделий включает создание деформации сдвига в направлении силового воздействия на заготовку плоскими бойками в плоской листовой заготовке постоянной толщины, при этом проводят предварительную штамповку плоской листовой заготовки в полый полуфабрикат с выштамповкой в форме усеченного конуса. Полученный полуфабрикат помещают в пакет между двумя формообразующими элементами, которые выполнены равновысотными в осевом направлении с наружным диаметром Д_о и с внутрипакетными рабочими поверхностями, контактирующими с соответствующими поверхностями полуфабриката. Противоположные поверхности последних для круглых изделий в плане выполняют по форме усеченных конусов. Суммарную высоту в осевом направлении полученного пакета из формообразующих элементов и полуфабриката принимают постоянной и равной (0,2-0,3)•Д_о. Затем проводят осаживание полученного пакета в контейнере диаметром Д_о, преобразуя исходную толщину полуфабриката в утолщенную часть изделия с образованием переходных зон утолщений. Техническим результатом изобретения является устранение отмеченных недостатков ближайшего аналога при изготовлении разнотолщинных листов и заготовок, повышение коэффициента использования металла, а также снижение трудоемкости механообработки при изготовлении изделий. 5 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано, например, при изготовлении панелей, лючков и других листовых деталей с утолщенными кромками, учитывающими их снижение прочности в зоне термического влияния при выполнении сварочных работ с соседними деталями.

Известно техническое решение по изготовлению разнотолщинных листовых изделий за счет образования утолщений на кромках листов путем осадки металла, например, рабочим роликом в закрытую полость между плоским основанием и прижимной планкой с использованием гидравлического прижимного устройства, выполненного в виде системы роликов, расположенных по обе стороны листа напротив рабочего ролика [1]. Недостатком этого технического решения является сложность оборудования для осуществления осадки металла с наличием самостоятельных приводов прижима заготовки, осадки металла и необходимость регулирования силовыми и скоростными параметрами утолщения кромок листов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления разнотолщинных листовых изделий, при котором создание деформаций сдвига в заготовке в направлении силового воздействия на заготовку обеспечивает получение толщин в листе, разнящихся в 2,0 и более раза [2].Однако отмеченную разнотолщинность получают, во-первых, в полом листовом изделии, а не в плоской листовой заготовке и, во-вторых, эту разнотолщинноcть получают за счет утонения исходного материала, а не за счет его утолщения, что значительно ограничивает возможности способа по прототипу.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в устранении отмеченных недостатков прототипа при изготовления разнотолщинных листов и заготовок, в повышении коэффициента использования металла, а также в снижении трудоемкости механообработки при изготовлении изделий.

Достижение указанного технического результата от использования разработанного изобретения обеспечивается тем, что способ изготовления разнотолщинных листовых изделий включает создание деформации сдвига в направлении силового воздействия плоскими бойками в плоской листовой заготовке постоянной толщины, помещение в пакет между двумя деформируемыми формообразующими элементами и осаживание в контейнере между плоскими бойками с сопутствующим изменением исходной толщины до требуемой толщины изделия, при этом проводят предварительную штамповку плоской листовой заготовки в полый полуфабрикат с выштамповкой в форме усеченного конуса, образующую которого наклоняют под углом α к его оси согласно зависимости: α = arcsin(S_o/S_у), причем малое основание усеченного конуса диаметром d располагают над большим основанием диаметром D на высоте Н_пф, устанавливаемой по формуле: H_пф = [(B_у+2•B_п)•cosα-S_o•(1-sinα))]/sinα, в пакет между двумя формообразующими элементами помещают полученный полуфабрикат, формообразующие элементы выполняют равновысотными в осевом направлении с наружным диаметром Д_о и с внутрипакетными рабочими поверхностями, контактирующими с соответствующими поверхностями полуфабриката, а противоположные поверхности последних в плане выполняют по форме усеченных конусов с диаметрами оснований D и d и высотой между ними Н_пф, причем суммарную высоту H_Σ в осевом направлении полученного пакета из формообразующих элементов и полуфабриката принимают постоянной и равной: H_Σ = (0,2-0,3)•Д_o, после чего осаживание полученного пакета проводят в контейнере диаметром Д_о, преобразуя исходную толщину S_o полуфабриката в утолщенную часть S_y изделия с образованием переходных зон утолщений от S_o к S_y по линейному закону на участках шириной В_п согласно формулам: B_п = R_н•cosα и S_у = S_o/sinα, где S_o - исходная толщина полуфабриката; S_y - толщина изделия;
В_п - ширина зоны переходной толщины;
B_y - ширина утолщенной части изделия;
H_Σ - суммарная толщина формообразующих элементов с полуфабрикатом;
Н_пф - высота выштамповки в полуфабрикате;
Д_о - диаметр контейнера, обжимных бойков, полуфабриката и формообразующих элементов;
D - диаметр большого основания усеченного конуса;
d - диаметр малого основания усеченного конуса;
α - угол наклона стенки полуфабриката к оси устройства;
R_н - наружный радиус изгиба стеночной части полуфабриката.

Изобретение поясняется чертежами, где показано:
на фиг. 1 - продольное сечение устройства для утолщения кромок листов в исходном положении;
на фиг.2 - то же в положении перед началом штамповки;
на фиг.3 - то же в положении после окончания штамповки;
на фиг.4 - то же в положении перед удалением утолщенного листа c формоизменяющими элементами из устройства;
на фиг.5 - расчетная схема для определения параметров утолщения листов.

Согласно фиг. 1-5 способ изготовления разнотолщинных изделий осуществляется следующим образом. Сначала штампуют листовую заготовку в обычных штампах или на токарно-давильном станке в равнотолщинный полуфабрикат 1 (см. фиг. 1) в виде чаши диаметром До, толщина которой во фланцевой, донной и стеночной частях одинакова и равна исходной толщине заготовки S_о.

После этого полуфабрикат 1 собирают с предварительно изготовленными (отштампованными или литыми) формообразующими элементами 2 и 3 в пакет диаметром Д_о и суммарной толщиной H_Σ и устанавливают его на нижний боек 4, прикрепленный к столу пресса 5. При рабочем ходе пресса сначала опускается вниз наружный ползун пресса 6 c контейнером 7, а затем - внутренний ползун пресса (условно не показан) с верхним бойком 8 до соприкосновения с верхним фомообразующим элементом 2 (см. фиг.2). Дальнейшее опускание ползуна пресса с верхним бойком 8 приводит к пластической деформации формообразующих элементов 2 и 3 с полуфабрикатом 1 и в крайнем нижнем положении верхнего бойка 8 они принимают вид согласно фиг.3, в результате чего формообразующие элементы принимают плоскую форму 9 и 10, а полуфабрикат 1 штампуется в плоское изделие 11, при этом фланцевая часть 12 и донная часть 13 полуфабриката 1 (находясь в прижатом состоянии между плоскими участками формообразующих элементов 9 и 10) практически не деформируются. Стеночная же часть 14 полуфабриката 1 при снижении его фланцевой части 12 относительно донной части 13 пластически деформируется в утолщенную часть 15 изделия 11 за счет деформаций сдвига в направлении силового воздействия на пластически деформируемый пакет из формообразующих элементов 2 и 3 с полуфабрикатом 1 (см. фиг.3). После окончания изготовления изделия 11 наружному ползуну пресса 6 с контейнером 7 сообщают перемещение в крайнее верхнее положение и затем поднимают вверх плоский боек 8. Оставшиеся на плите 4 сдеформированные формообразующие элементы 9 и 10 вместе с отштампованным изделием 11 удаляют из рабочей зоны пресса: первые для переплавки их в новые формообразующие элементы 2 и 3, а изделие 11 - для последующей механообработки, при этом металлом для формообразующих элементов могут служить легкоплавкие пластически деформируемые металлы, например, сплав Вуда (Т_пл=60^oС), сплав Гутри (Т_пл=45^oС), сплав Липовица (Т_пл= 70^oС) и др.[3]. Для предложенного способа изготовления разнотолщинных изделий применение легкоплавких металлов с цинковыми добавками по [4] имеет ряд технологических преимуществ.

Во-первых, он дешевле других сплавов, т.к. содержит меньше висмута, а дорогостоящий компонент - олово в нем отсутствует.

Во-вторых, температура плавления этого сплава ниже 100^oС и поэтому для выплавления этой рабочей среды из отштампованного пакета с изделием и для изготовления новых формообразующих элементов можно применять кипящую воду.

В-третьих, содержание в легкоплавком металле по [4] цинка в 1,0, 2,0 и 3,0% обеспечивает твердость по Бриннелю соответственно в 13,9, 15,1 и 17,0 НВ [4], что позволяет применять этот сплав при штамповке разнотолщинных изделий с широким диапазоном механических свойств листовых заготовок.

Таким образом для осуществления разработанного способа не требуются жесткие носители форм изделий и поэтому переформовка равнотолщинного полуфабриката в разнотолщинное изделие осуществляется с использованием деформаций сдвига, направление и величину которым задают охватывающими полуфабрикат формообразующими элементами 2 и 3.

При диаметре контейнера 7, верхнего и нижнего бойков 8 и 4, а также полуфабриката 1 с формообразующими элементами 2 и 3, равным Д_о, суммарную высоту H_Σ формообразующих элементов 2 и 3 вместе с толщиной фланца полуфабриката 1 следует принимать в пределах
H_Σ = (0,2÷0,3)•Д_o, (1)
т. к. при H_Σ<0,2•Д_o возможно искривление стеночных участков формообразующих элементов 2, 3 с полуфабрикатом 1 и, как следствие, неуправляемое утолщение изделия, а при H_Σ>0,3•Д_o имеет место нецелесообразное повышение усилия деформирования рассматриваемого пакета.

Расчетная схема на фиг.5 позволяет установить соответствующие параметры осуществления способа изготовления разнотолщинных изделий из полуфабриката постоянной толщины (S_о = сonst).

В связи с тем, что стеночная часть 14 полуфабриката 1 с исходной толщиной S_о наклонена к оси устройства (или, что то же, к направлению силового воздействия на полуфабрикат 1) под углом α, то толщина стенки S_у полуфабриката в этом направлении (см. отрезок "dg") будет:
S_y = dg = S_o/sinα (2).

Значение промежуточной толщины S_β согласно фиг.5 записывается в виде
,
откуда, как и следовало ожидать, при в = 0 имеем толщину в донной части изделия
S_β = S_o•(1+0/tgα = S_o (4)
а при β = 90-α (т.е. в начале образования стеночной части полуфабриката) получаем:

Графоаналитический метод решения уравнения (3) для углов наклона стенки полуфабриката 1 к оси устройства α=30^o, 45^o, 60^o показывает, что переход толщины S_о к S_у и толщины S_у к S_о (см. эпюры S_β = f(β) для α=30^o, 45^o и 60^o на фиг.5) при наружном радиусе скругления стеночной части полуфабриката 1 с его донной и фланцевой частями R_н = S_о (а также и при внутреннем радиусе скругления R_вн = 0) происходит плавно и практически линейно на участках шириной
B_п = S_o•sinβ = S_o•sin(90-α) = S_o•cosα (6)
Для установления геометрических параметров полуфабриката 1 и формообразующих элементов 2 и 3 необходимо определить высоту выштамповки Н_пф в полуфабрикате 1, которая согласно фиг.5 может быть представлена зависимостью:
Н_пф = OA-OB = (B_y+2•B_п)/tgα-(Ooʹ-S_o)
или, имея в виду, что tgα = sinα/cosα,Ooʹ = oʹd/sinα = S_o/si α, получаем
Н_пф = [(B_y+2•B_п)•cosα-S_o•(1-sinα)]/sinα (7)
Представленные данные позволяют установить геометрические параметры как исходной листовой заготовки и полуфабриката 1, так и формообразующих элементов 2 и 3 для получения разнотолщинных изделий круглой, прямоугольной и др. формы в плане.

Рассмотрим пример изготовления предложенным способом лючка круглой формы в плане при наружном и внутреннем диаметрах его утолщения D_н=200 мм и D_вн= 180 мм (ширина утолщения В_у=(D_н-D_вн)/2=(200-180)/2=10 мм) и ширине фланца В_фл= 5 мм из листового алюминиевого сплава АМг6М (σ_в = 34 кгс/мм²) толщиной S_о=2 мм при его утолщении до S_у=4 мм (см. фиг.1, 2 и 5) с использованием для формообразующих элементов 2 и 3 легкоплавкого металла по [4] с цинковой добавкой в 1% (σ_в.ф.э = 7 кгс/мм²).
Полуфабрикат 1 и формообразующие элементы 2 и 3 в форме усеченных конусов согласно фиг.1,2 и 5 должны иметь стенку под углом наклона α к оси изделия, величина которого определяется по формуле (2):
sinα = S_o/S_y = 0,5 или α = arcsin0,5 = 30°.
При этом ширину переходной зоны В_п устанавливают (при R_н = S_о=2 мм) по формуле (6):

Таким образом ширина зоны утолщения изделия 11 определяется наружным и внутренним диаметрами D= D_н+2•В_п= 200+2•1,73= 203,46 мм и d=Д_вн-2•В_п=180-2•1,73= 176,54 мм (или ), а наружный диаметр полуфабриката 1 (следовательно, и контейнера 7) составляет
Д_о=D+2•В_ф=203,46+2•5=213,46 мм.

При этом высота выштамповки в полуфабрикате 1 согласно формуле (7) составляет:

Геометрические параметры изделия 11 почти полностью определяют соответствующие параметры полуфабриката 1 за исключением того, что параллельные линии, определяющие утолщение S_у в листе толщиной S_о, направляют параллельно друг другу, но под углом α к оси симметрии изделия из точек 0'и 0", с последующим сопряжением их с соответствующими линиями в донной и фланцевой частях полуфабриката 11 радиусом R_н=S_о из точек 0' и 0".

Установленные параметры наружной поверхности полуфабриката 1 полностью определяют наружную и внутреннюю поверхности верхнего формообразующего элемента 2, причем наружная поверхность последнего должна быть в форме усеченного конуса при наружном его диаметре, равном Д_о, малое и большое основания (диаметры которых соответственно будут D и d) должны отстоять друг от друга по высоте на расстоянии Н_пф, а соответствующие параметры внутренней поверхности формообразующего элемента 2 определяются параметрами наружной поверхности полуфабриката 1, находящегося в контакте с формообразующим элементом 2.

Аналогично определяются геометрические параметры нижнего формообразующего элемента 3 по соответствующим данным рабочих поверхностей полуфабриката 1.

Для получения полуфабриката 1 в виде усеченного конуса (по [5], с.90, номер формулы 14) определяют диаметр заготовки D_в, которую штампуют свинцом по металлической матрице (согласно [5], с.314, рис.276), после чего из легкоплавкого металла по [4] изготавливают формообразующие элементы 2 и 3, собирают их с полуфабрикатом 1 в пакет, который помещают на нижний боек 4, и при рабочем ходе пресса осаживают верхним бойком 8 в контейнере 7. Полученное изделие 11 отправляют на последующую механообработку, а формообразующие элементы 9 и 10 на переплавку в новые элементы 2 и 3.

Усилие пресса, потребное для осуществления предложенного способа изготовления разнотолщинных изделий, определяется площадью контейнера в плане F_к = π/4•D²_o и пределом прочности материала формообразующих элементов σ_в.ф.э = 7 кгс/мм² т.е.

Р_пр=F_к•О_в.ф.э. = 0,785•213,5•7=317688 кгс=317,7 тнc
Таким образом по приведенным данным устанавливают как геометрические параметры заготовки для штамповки полуфабриката, самого полуфабриката, формообразующих элементов и штамповой оснастки для осуществления предложенного способа изготовления разнотолщинных изделий, так и силовые параметры оборудования для его осуществления.

Аналогично изготавливаются рассматриваемым способом и неосесимметричные изделия различной формы в плане.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 168863, МПК В 21 D, БИ 23, опубл. 22.11.1963.Штамп для образования утолщений на кромках листов. Сизов Е.С. и др.

2. Ав. св. СССР 1061889, B 21 D 22/20, БИ 47, опубл. 23.12.83. Способ штамповки полых деталей из плоских листовых заготовок. Сизов Е.С.

3. Х.М. Мунасипов. Исследование и разработка легкоплавких сплавов и неметаллических композиций для крепления заготовок лопаток при их механической обработке. Приложение к журналу АП 8.

4. Авт. св. CCCP 1226858. Легкоплавкий металл на основе висмута. (Авторы: Х.М. Мунасипов, В.К. Доронченков, О.А. Московский, Ю.М. Леонтьев).

5. В. П. Романовский. Справочник по холодной штамповке. - Л.: Машиностроение, 1973.

Формула изобретения

Способ изготовления разнотолщинных листовых изделий, включающий создание деформации сдвига в направлении силового воздействия плоскими бойками в плоской листовой заготовке постоянной толщины, помещение в пакет между двумя деформируемыми формообразующими элементами и осаживание в контейнере между плоскими бойками с сопутствующим изменением исходной толщины до требуемой толщины изделия, отличающийся тем, что проводят предварительную штамповку плоской листовой заготовки в полый полуфабрикат с выштамповкой в форме усеченного конуса, образующую которого наклоняют под углом α к его оси согласно зависимости
α = arcsin(S_o/S_у),
причем малое основание усеченного конуса диаметром d располагают над большим основанием диаметром D на высоте Н_пф, устанавливаемой по формуле
H_пф = [(B_у+2•B_п)•cosα-S_o•(1-sinα))]/sinα,
в пакет между двумя формообразующими элементами помещают полученный полуфабрикат, формообразующие элементы выполняют равновысотными в осевом направлении с наружным диаметром Д_о и с внутрипакетными рабочими поверхностями, контактирующими с соответствующими поверхностями полуфабриката, а противоположные поверхности последних в плане выполняют по форме усеченных конусов с диаметрами оснований D и d и высотой между ними Н_пф, причем суммарную высоту H_Σ в осевом направлении полученного пакета из формообразующих элементов и полуфабриката принимают постоянной и равной
H_Σ = (0,2-0,3)•Д_o,
после чего осаживание полученного пакета проводят в контейнере диаметром Д_о, преобразуя исходную толщину S_o полуфабриката в утолщенную часть S_y изделия с образованием переходных зон утолщений от S_o к S_y по линейному закону на участках шириной В_п согласно формулам
B_п = R_н•cosα и S_у = S_o/sinα,
где S_o - исходная толщина полуфабриката;
S_y- толщина изделия;
В_п - ширина зоны переходной толщины;
B_y - ширина утолщенной части изделия;
H_Σ - суммарная толщина формообразующих элементов с полуфабрикатом;
Н_пф - высота выштамповки в полуфабрикате;
Д_о - диаметр контейнера, обжимных бойков, полуфабриката и формообразующих элементов;
D - диаметр большого основания усеченного конуса;
d - диаметр малого основания усеченного конуса;
α - угол наклона стенки полуфабриката к оси устройства;
r_н - наружный радиус изгиба стеночной части полуфабриката.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3