Устройство для ударной штамповки эластичной средой

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНОЙ ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Петраковский Владимир Степанович Журавский Александр Юльянович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для ударной штамповки эластичной средой, содержащее рабочую камеру и устанавливаемую на плиту зажимного устройства матрицу, выполненную с возможностью установки в нее штампуемой заготовки и прижатия ее к нижнему торцу рабочей камеры, при этом с другого торца рабочей камеры установлены кольцевая замкнутая камера и полый ствол с охватывающим его ресивером со сжатым газом в ствол с возможностью 17533 1 2013.10.30 перемещения установлен боек с заглушкой, а в верхней части ствола установлена цанга для фиксации бойка в исходном положении, причем ствол и ресивер с верхней стороны закрывает крышка, в которую установлены пусковой механизм и клапан для сообщения надбойковой полости ствола с атмосферой, отличающееся тем, что боек выполнен полым, а в полость с возможностью перемещения в осевом направлении помещен вкладыш,связанный с заглушкой упругим элементом, в частности пружиной, жесткостькоторой определена из выражения 2, 2 где- масса вкладыша, кг- максимальная скорость бойка, м/с- полный ход бойка в стволе, м- максимальный ход вкладыша в бойке, м,причем соотношение масс вкладыша и полого бойка составляет от 0,2 до 0,4. Изобретение относится к устройствам для импульсной обработки металлов давлением и может найти применение в листоштамповочном производстве, например при пробивке,вырубке, формовке тонколистовых заготовок импульсными нагрузками. Известно устройство для пневмоударной листовой штамповки эластичной средой, содержащее ресивер, ствол, рабочую камеру, заполненную эластичной средой, в которой с помощью быстролетящего бойка создается импульс давления, деформирующий заготовку по матрице 1. В этом устройстве при ударе бойка об эластичную среду она сжимается в процессе удара, а затем расправляется, отбрасывая боек вверх, а так как над бойком находится сжатый газ, то боек опять ударяет по эластичному телу, создавая повторный удар (или многократные удары) по заготовке. Это приводит к повторным отметинам инструмента на готовой детали, т.к. заготовка всегда имеет возможность сместиться с первоначального положения перед последующим ударом, что приводит в негодность качественную после первого удара деталь, т.е. к браку. И если для толстых заготовок это заканчивается только потерей внешнего вида, т.е. снижением качества изделия, то тонколистовые материалы, особенно фольги, на этом устройстве обрабатывать невозможно. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для ударной листовой штамповки, содержащее установленные над рабочей камерой с эластичной средой ресивер, кольцевую замкнутую камеру и ствол с перемещающимся по нему поршнем (бойком), соединенным с пусковым механизмом и клапаном сообщения надпоршневой полости ствола с атмосферой, установленными в крышке, закрывающей ствол и ресивер с другой стороны ствола, где размещена цанга, удерживающая боек в исходном положении, а к выходному сечению рабочей камеры прижата матрица с заготовкой 2. В этом устройстве боек выполнен цельным, поэтому при ударе бойка об эластичную среду она после упругого сжатия отбрасывает боек обратно, а сжатый газ, действующий на боек сверху, опять перемещает его вниз с ударом по эластичной среде. Таким образом,возникает затухающий колебательный процесс бойка в нижней части ствола. Это обстоятельство приводит к тому, что продеформированная после первого удара деталь под воздействием сил трения распрямляющегося эластичного тела смещается от первоначального положения, а повторный удар бойка деформирует ее опять, оставляя новые следы инструмента на детали, что снижает качество изделия. И если при выполнении таких листоштамповочных операций, как вытяжка, рельефная формовка, это обстоятельство почти не сказывается на качестве деталей, т.к. изделие фиксируется в матрице своим рельефом,предотвращая смещение, то при производстве разделительных операций (пробивка, вы 2 17533 1 2013.10.30 рубка) на плоских заготовках повторные удары бойка наносят непоправимый вред готовой детали. И во многих случаях делают невозможным осуществление таких процессов на этом устройстве из-за массового брака. И чем тоньше заготовка, тем четче проявляется этот недостаток (пробиваются полностью или намечаются смещенные отверстия, или образуется смещенный новый контур изделия). Кроме того, многократные удары по эластичной среде и матрице снижают срок их службы и повышают общий уровень шума от работы пресса. Задачей предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей устройства и повышение качества штампуемых деталей, а также повышение срока службы эластичной среды и матрицы, снижение уровня шума от работы устройства. Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для ударной штамповки эластичной средой, содержащем рабочую камеру и устанавливаемую на плиту зажимного устройства матрицу, выполненную с возможностью установки в нее штампуемой заготовки и прижатия ее к нижнему торцу рабочей камеры, при этом с другого торца рабочей камеры установлена кольцевая замкнутая камера и полый ствол с охватывающим его ресивером со сжатым газом, в стволе с возможностью перемещения установлен боек с заглушкой, а в верхней части ствола установлена цанга для фиксации бойка в исходном положении, причем ствол и ресивер с верхней стороны закрывает крышка, в которую установлены пусковой механизм и клапан для сообщения надбойковой полости ствола с атмосферой, боек выполнен полым, а в полость с возможностью перемещения в осевом направлении помещен вкладыш, связанный с заглушкой упругим элементом, в частности пружиной, жесткостькоторой определена из выражения 2,2 где- масса вкладыша, кг- максимальная скорость бойка, м/с- полный ход бойка в стволе, м- максимальный ход вкладыша в бойке, м причем соотношение масс вкладыша и полого бойка составляет от 0,2 до 0,4. В предлагаемой конструкции при сталкивании бойка с цанги пусковым устройством газ из ресивера, расширяясь, заставляет боек двигаться равноускоренно до удара об эластичную среду. Под действием силы инерции , равной произведению массы вкладышана ускорение, пружина сжимается, создавая зазормежду дном пустотелого бойка и нижним торцом вкладыша. Этот зазор будет тем больше, чем больше ускорение,которое пропорционально зависит от давления газа в ресивере, что в итоге пропорционально энергии удара пресса, которая является основным показателем при ударной штамповке. При ударе бойка об эластичную среду кинетическая энергия бойка превращается в упругое сжатие эластичного тела и деформацию заготовки, а скорость бойка достигает 0,после чего под действием упругих сил боек начинает двигаться вверх, достигая скорости,равной 0,2-0,4 от скорости удара . А в это время вкладыш, выбирая зазор , двигается со скоростьюдо соприкосновения с дном бойка. Возникает встречный удар бойка и вкладыша и скорость бойка в сборе становится равной 0, т.е. боек не поднимается вверх, а сжатый газ не разгоняет его опять до удара об эластичную среду. В итоге отсутствует повторный удар по эластичному телу и по заготовке. А значит, нет и повторной деформации детали и отсутствует потеря внешнего вида или брак. Важную роль в описанном функционировании устройства играет жесткость пружины , которая должна обеспечивать необходимый ход вкладыша (сжатие пружины) в зависимости от условий разгона бойка, т.е. от силы. Для того, чтобы пружина обеспечивала необходимый ход вкладыша ,ее жесткость должна быть равной/. Силуопределяем, решив систему уравнений для равноускоренного движения 3- соответственно, путь и максимальная скорость при равноускоренном движении, 2 где- полный ход бойка в стволе- максимальная скорость бойка, - время разгона. Определив из уравнения максимальной скорости время разгона/ и подставив его значение в уравнение пути, получим 2. 2 Подставив значениев уравнение жесткости пружины, получим значение необходимой жесткости пружины в зависимости от конструктивных характеристик устройства ( , ). 2 Отклонение жесткости упругого элемента от расчетного как в одну, так и в другую сторону, приведет к снижению эффективности предлагаемого решения. Так, если жесткость пружины будет чрезмерной, то боек будет работать как единое целое, т.е. как прототип со всеми его недостатками, а при очень малой жесткости пружины ход вкладыша всегда будет максимальным, в результате чего до встречи с вкладышем боек успеет подняться на достаточную высоту от эластичного тела и под действием сжатого газа произойдет повторный удар со всеми указанными недостатками. Кроме того, оптимальная жесткость пружины позволяет автоматически регулировать величину хода вкладыша в зависимости от энергии удара, или что равнозначно от максимальной скорости бойка (от скорости бойка в прямой зависимости находится и время взаимодействия бойка и эластичной среды, а также скорость отскока бойка), т.е. автоматически обеспечивать сохранение оптимального по времени момента соударения вкладыша с бойком. Это как раз и позволяет устранить отскок бойка и нанесение повторных ударов. Но помимо определенного времени соударения вкладыша и полого бойка, для достижения результата важно и соотношение их масс, которое должно составлять от 0,2 до 0,4, что вытекает из скорости отскока бойка, которая колеблется в пределах 0,2-0,4 . Очевидно, что для предотвращения повторных ударов бойка необходимо, чтобы количество движения ( ) вкладыша и бойка в момент соударения были, примерно, равны, а так как скорость вкладыша равна, то масса вкладыша должна быть примерно 0,2-0,4 массы полого бойка, потому что скорость его отскока составляет 0,2-0,4 . Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведен общий вид предлагаемого устройства - слева перед соударением бойка с эластичной средой, справа в момент окончания деформации заготовки. Устройство для ударной штамповки эластичной средой содержит рабочую камеру 1 с эластичной средой 2, к нижнему торцу которой посредством плиты зажимного устройства 3 прижата матрица 4 с заготовкой 5, а над рабочей камерой установлена кольцевая замкнутая камера 6, ресивер 7 со сжатым газом и ствол 8 с перемещающимся по нему полым бойком 9 с заглушкой 10, внутри которого размещен подвижный в осевом направлении вкладыш 11, между которым и заглушкой 10 установлена пружина 12. В крышке 13, за 17533 1 2013.10.30 крывающей ствол 8 с ресивером 7 с верхней стороны, установлены пусковой механизм 14 и клапан 15 сообщения надпоршневой полости ствола с атмосферой. В исходном положении боек фиксируется цангой 16, размешенной в верхней части ствола. Устройство работает следующим образом на подвижной плите зажимного устройства 3 устанавливают матрицу 4 с заготовкой 5 и посредством подвижной плиты зажимного устройства 3 прижимают к нижнему торцу рабочей камеры 1 с эластичной средой 2. Затем с помощью пускового механизма 14 сталкивают боек 9 в сборе с цанги 16, и сжатый газ из ресивера 7 разгоняет боек по стволу 8 до удара об эластичную среду. Под действием сил инерции подвижный вкладыш 11, сжимая пружину 12 между вкладышем и заглушкой 10,создает зазормежду вкладышем 11 и дном полого бойка 9. Причем чем выше энергия удара (максимальная скорость бойка ), тем большее усилие действует на пружину 12 и тем больший зазорвозникает в процессе разгона бойка. В это же время боек, двигаясь вниз, через каналывыталкивает воздух из подбойковой полости ствола в кольцевую замкнутую камеру 6, создавая в ней избыточное давление. Боек 9, достигнув эластичного тела, сжимает его, создавая импульс давления, который деформирует заготовку 5 по матрице 4. Скорость бойка снижается до нуля и под действием упругости эластичной среды начинает движение вверх, достигая скорости 0,2-0,4 . За это время подвижный вкладыш 11, преодолев зазорсо скоростью , достигает дна полого бойка 9, движущегося ему навстречу. В результате встречного удара скорость бойка в сборе становится близкой к 0, так как количество движения подвижного вкладыша и полого бойка примерно равны. Боек, таким образом, не производит повторного удара по эластичной среде и сместившаяся (под действием сил трения между эластичной средой и деталью), готовая деталь не подвергается повторной деформации. После того, как боек 9 в сборе остановился, пусковой механизм 14 перекрывает доступ сжатого газа из ресивера 7 в ствол 8, а размещенный в крышке 13 клапан 15 соединяет надбойковую полость с атмосферой, тогда под действием сжатого воздуха из кольцевой замкнутой камеры 6 боек в сборе поднимается вверх и фиксируется цангой 16. Затем отводится плита зажимного устройства и извлекается продеформированная заготовка (деталь). После этого устройство готово к новому циклу. Использование предлагаемой конструкции устройства позволяет расширить технологические возможности устройства, т.к. устройство позволяет осуществлять операции пробивки - вырубки тонких и особотонких материалов, которые невозможно осуществить на известных устройствах. Кроме того, устройство позволяет повысить качество штампуемых изделий, т.к. на них отсутствуют дополнительные отметины от инструмента вследствие повторных ударов при их изготовлении на известных устройствах. А так как отсутствуют повторные (многократные) удары, то эластичная среда и матрица нагружаются одним циклом нагрузка- разгрузка, а не несколькими, как на известных устройствах, то срок их службы увеличивается в разы. Вследствие этого также снижается уровень интегрального шума от работы устройства. Для определения эффективности предлагаемой конструкции были проведены сравнительные испытания предлагаемого устройства и прототипа, а также испытания предлагаемого устройства при различных соотношениях масс вкладыша и полого бойка. Результаты испытаний приведены в таблице. Результат Наименование операции Пробивка отверстия 10 мм в листе толщиной 1,0 мм Пробивка отверстия 5 мм в листовом материале толщиной 0,3 мм Пробивка отверстия 5 мм в фольге, толщина 0,05 мм Предлагаемое устройство Отверстие пробито, отме- Отверстие пробито, детины на детали таль без отметин Отверстие пробито, повтор- Отверстие качественное ные надрезы (полумесяцы) Отверстие пробито много- Качественная деталь кратно со смещением (брак) Прототип Предлагаемое устройство Контроль шума при проведении Слышны повторные удары Слышен один удар вышеперечисленных операций Визуальный контроль эластично- Множественные надрезы и Отметины и надрезы в го тела (полиуретан) после про- отметины в количестве, пре- соответстствии с коливеденных штамповок вышающем количество де- чеством отштампованталей ных деталей Прототип Пробивка отверстия 5 мм в фольге, толщина 0,05 мм при различных соотношениях масс вкладыша и полого бойка а) 0,1 а) слышен повторный удар, отверстие пробито со смещением б) качественное отверстие в) качественное отверстие г) качественное отверстие д) отметины на детали Как видно из таблицы, при соотношениях масс вкладыша и полого бойка, отличающихся от оптимальных, устройство становится неэффективным. При соотношении масс меньше 0,2 количества движения полого бойка достаточно для того, чтобы подняться вместе с вкладышем над эластичной средой и произвести повторный удар. При соотношениях масс больше 0,4 количества движения вкладыша достаточно для того, чтобы поменять направление движения бойка и произвести совместный повторный удар бойка и вкладыша по эластичной среде. Анализ результатов испытаний позволяет сделать вывод, что предлагаемое решение позволило значительно расширить технологические возможности устройства, повысить качество штампуемых деталей, повысить срок службы эластичной среды и матрицы, снизить уровень шума от работы устройства. Источники информации 1. Мовшович И.Я., Кузнецова Л.Г, Фролов Е.А., Манаенков И.В. Обеспечение точностных параметров высокоточных деталей, получаемых вытяжкой из листа методом пневмоударной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. - 2009. -12. - С. 13,рис. 1 б. 2. А. с. СССР 904840, МПК 21 26/06, 1982 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.