RU2494830C2 - Die for deep drawing of axially symmetric parts - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to metal forming. Drawing of blank is carried out with resilient blank holder and female die adjoining the flange entire surface during the whole process. Said blank holder and female die are composed of metal rings that allow elastic displacements for blank flange to be pressed at required pressure over its entire surface. Note here that female die is fitted at fixed support ring.

EFFECT: higher surface quality and strength, decreased pressure force and higher limiting drawing ratio.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано во всех отраслях машиностроения для глубокой вытяжки деталей из листовых материалов.The invention relates to the field of metal forming and can be used in all branches of engineering for deep drawing parts from sheet materials.

Известно устройство для вытяжки тонколистового материала с прижимом в виде тарельчатой пружины, образующей угол наклона к горизонтальной поверхности фланца, который обеспечивает контролируемое образование гофров на фланце заготовки в процессе вытяжки с последующим их разглаживанием при воздействии усилия, передаваемого упорами в виде роликов от рабочего органа пресса [Патент №2255828, МПК⁷ B21D 22/22, 24/04. Опубл. 10.07.2005].A device for drawing sheet material with a clip in the form of a Belleville spring, forming an angle of inclination to the horizontal surface of the flange, which provides the controlled formation of corrugations on the flange of the workpiece during the drawing process, with their subsequent smoothing under the influence of the force transmitted by the stops in the form of rollers from the working member of the press [ Patent No. 22255828, IPC ⁷ B21D 22/22, 24/04. Publ. 07/10/2005].

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее: конструкция устройства сложна в изготовлении и малопроизводительна, применение устройства ограничено толщиной штампуемой заготовки $$\frac{s}{D}100\%\ge \left(\mathrm{1,0}-\mathrm{1,5}\right)$$

, используется для высокопластичных материалов.The disadvantages of this device include the following: the design of the device is difficult to manufacture and inefficient, the use of the device is limited by the thickness of the stamped workpiece $$\frac{s}{D}\mathrm{one\; hundred}\%\ge \left(\mathrm{1,0}-\mathrm{1,5}\right)$$

Used for highly plastic materials.

Известен штамп для глубокой вытяжки цилиндрических деталей [Патент №2072271, МПК⁶ B21D 22/20. Опубл. 27.01.1997]. Конструкция данного штампа содержит упругие кольца в матрице.Known stamp for deep drawing of cylindrical parts [Patent No. 2072271, IPC ⁶ B21D 22/20. Publ. 01/27/1997]. The design of this stamp contains elastic rings in the matrix.

К недостаткам данного штампа можно отнести следующее: для него необходимо специально энергоемкое прессовое оборудование, процесс штамповки сопровождается заливкой жидкости в полость матрицы, удаление жидкости с детали является трудоемким.The disadvantages of this stamp include the following: it requires specially energy-intensive press equipment, the stamping process is accompanied by pouring fluid into the die cavity, removing fluid from the part is time-consuming.

Наиболее близким техническим решением является штамп с использованием упругого прижима [А.с. 1400723, СССР, МКИ⁴ B21D 22/22, 24/04. Опубл. 07.06.1988]. Штамп содержит пуансон, матрицу, прижим, выполненный в виде кольцевого упора, упругого прижимного кольца, смонтированных в обойме. Штамп используется при небольшой разнотолщинности, для относительно гонких заготовок. Прижим выполнен в виде смонтированных в обойме упругого металлического прижимного кольца с переменной по радиусу толщиной и размещенного соосно и в контакте с ним кольцевого упора. Такую форму прижима неудобно использовать при конструировании штампа, достаточно трудно изготовить кольцо с переменной толщиной с необходимой точностью.The closest technical solution is a stamp using elastic clamp [A.S. 1400723, USSR, MKI ⁴ B21D 22/22, 24/04. Publ. 06/07/1988]. The stamp contains a punch, a matrix, a clamp made in the form of an annular stop, an elastic clamping ring mounted in a holder. The stamp is used for small thickness variations, for relatively racing workpieces. The clamp is made in the form of an elastic metal clamping ring mounted in a cage with a variable radius radius and placed in alignment with the ring stop coaxially and in contact with it. This form of pressure is inconvenient to use when designing a stamp; it is rather difficult to make a ring with a variable thickness with the required accuracy.

Поставлена задача разработать такой штамп, который позволит улучшить качество поверхности для тонкостенных деталей, снизить гофрообразование фланца. Конструкция устройства должна быть проста в изготовлении.The task is to develop such a stamp that will improve the quality of the surface for thin-walled parts, reduce the corrugation of the flange. The design of the device should be easy to manufacture.

Задача достигается за счет того, что в штампе для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, содержащем соосно установленные пуансон, прижим и матрицу. При этом штамп содержит неподвижное опорное кольцо, а матрица и прижим выполнены в виде упругих металлических колец постоянной высоты.The task is achieved due to the fact that in the stamp for deep drawing axisymmetric parts containing coaxially mounted punch, clamp and die. In this case, the stamp contains a fixed support ring, and the matrix and clamp are made in the form of elastic metal rings of constant height.

На фигуре 1 представлена схема вытяжки.The figure 1 presents the drawing hood.

На фигуре 2 представлена схема нагружения упругого прижима.The figure 2 presents the loading diagram of the elastic clamp.

На фигуре 3 представлена схема нагружения упругой матрицы.The figure 3 presents the loading diagram of the elastic matrix.

Штамп состоит из пуансона 1 с упругими элементами прижимом 2 и матрицей 3, опорного кольца 4, упругого прижимного кольца 5.The stamp consists of a punch 1 with elastic elements clamp 2 and a matrix 3, a support ring 4, an elastic clamp ring 5.

В процессе вытяжки опорное кольцо 4 неподвижно. Неравномерное изменение толщины фланца заготовки 6 при глубокой вытяжке тонколистового материала возможно учесть в штампе с упругими прижимом 2 и матрицей 3. Заготовку 6 устанавливаю'!' на упругую матрицу 3. К заготовке 6 подводят прижим 2 с упругим прижимным кольцом 5. Вытяжка осуществляется с помощью пуансона 1. Фланец заготовки 6 во время вытяжки прижат упругим кольцом 5, на которое передается усилие прижима 2. Усилие прижима 2 равномерно распределяется по всей поверхности фланца заготовки 6.During the drawing, the support ring 4 is stationary. An uneven change in the thickness of the flange of the workpiece 6 during deep drawing of sheet material can be taken into account in a stamp with elastic clamp 2 and matrix 3. I set billet 6 '!' on the elastic matrix 3. A clamp 2 is brought to the workpiece 6 with an elastic clamping ring 5. The hood is drawn using a punch 1. The flange of the workpiece 6 is pressed by the elastic ring 5 to which the clamping force 2 is transmitted. The clamping force 2 is evenly distributed over the entire surface blank flange 6.

Прижим 2 и матрица 3 имеют форму колец. В процессе вытяжки фланец заготовки 6 перемещается между упругим прижимом 2 и рабочей поверхностью упругой матрицы 3. В результате неравномерности деформаций в процессе вытяжки угол естественного утолщения фланца заготовки 6 постоянно меняется. Упруго деформируясь, прижим 2 и матрица 3 меняют угол между рабочей поверхностью матрицы 3 и рабочей поверхностью прижима 2, повторяя угол заготовки 6. При этом давление прижима 2 и матрицы 3 равномерно распределяется по поверхности фланца. Усилие на прижим 2 передается через прижимное кольцо 5, расположенное по внешнему радиусу прижима 2. В процессе вытяжки под действием усилия прижим 2 и матрица 3 будут упруго деформироваться. Величина этого упругого перемещения ограничена упругими свойствами материала оснастки, которые должны превышать Δs_max максимальную величину разнотолщинности на фланце.Clamp 2 and matrix 3 are in the form of rings. In the process of drawing, the flange of the workpiece 6 moves between the elastic clamp 2 and the working surface of the elastic matrix 3. As a result of uneven deformation during the drawing, the angle of natural thickening of the flange of the workpiece 6 is constantly changing. Elastically deformed, the clamp 2 and the matrix 3 change the angle between the working surface of the matrix 3 and the working surface of the clamp 2, repeating the angle of the workpiece 6. In this case, the pressure of the clamp 2 and matrix 3 is evenly distributed over the surface of the flange. The force on the clamp 2 is transmitted through the clamp ring 5 located along the outer radius of the clamp 2. In the process of drawing under the action of the force, the clamp 2 and the matrix 3 will be elastically deformed. The magnitude of this elastic displacement is limited by the elastic properties of the tooling material, which must exceed Δs _{max the} maximum value of the thickness variation on the flange.

Внутренний и внешний радиусы прижима 2 и матрицы 3 определяются исходя из геометрических размеров детали.The inner and outer radii of the clamp 2 and matrix 3 are determined based on the geometric dimensions of the part.

Под действием усилия прижим 2 и матрица 3 должны прогнуться на величину Δs_max, а после снятия нагрузки принять начальную форму.Under the action of the force, clamp 2 and matrix 3 should bend by Δs _max , and after unloading, take the initial shape.

Условие пластичности по максимальным касательным напряжениям имеет вид:The plasticity condition for maximum tangential stresses has the form:

σ_θ=σ_ρ-σ_0,2,σ _θ = σ _ρ -σ _0.2 ,

где σ_θ - окружные напряжения;where σ _θ are circumferential stresses;

σ_p - меридиональные напряжения;σ _p - meridional stresses;

σ_0,2 - предел текучести.σ _0.2 - yield strength.

Радиус независимой переменной изменяется в пределах:The radius of the independent variable varies within:

r_д≤ρ≤R_H,r _d ≤ρ≤R _H ,

где r_д - радиус детали;where r _d is the radius of the part;

R_H, ρ - радиусы соответственно кромки заготовки и рассматриваемого элемента заготовки.R _H , ρ are the radii, respectively, of the edge of the workpiece and the considered element of the workpiece.

Разнотолщинность определяется по формуле:The thickness difference is determined by the formula:

Δs=s_max-s_min,Δs = s _max -s _min ,

где s_max и s_min - максимальная и минимальная толщины детали.where s _max and s _min - the maximum and minimum thickness of the part.

В процессе вытяжки под действием усилия Q прижим прогибается, опираясь при этом на наружный край заготовки. На прижим действуют: поперечная сила Q (усилие прижима) и сила от опоры Р. Поперечные сечения прижима в плоскости поворачиваются, прижим осесимметрично изгибается и растягивается.In the process of drawing under the action of force Q, the clamp bends, while leaning on the outer edge of the workpiece. The pressure is affected by the transverse force Q (pressure of the force) and the force from the support R. The cross-sections of the pressure in the plane are rotated, the pressure is axially symmetrically bent and stretched.

Опираясь на край заготовки, матрица прогибается, при этом на матрицу действуют: сила Q и сила от опоры Р. Поперечные сечения матрицы поворачиваются в плоскости, и матрица изгибается.Leaning on the edge of the workpiece, the matrix bends, while the matrix is affected by the force Q and the force from the support P. The cross sections of the matrix rotate in the plane, and the matrix bends.

Угол поворота определяется из формулы:The angle of rotation is determined from the formula:

$$tg\vartheta =\frac{\Delta S_{\max }}{r_2-r_1}$$

, $$tg\vartheta =\frac{\Delta S_{\max }}{r_2-r_{\mathrm{one}}}$$

,

где Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце,where Δs _max is the maximum thickness difference on the flange,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима.r ₁ , r ₂ - inner and outer radii of the matrix and clip.

Так как угол поворота мал, то tgϑ=ϑ.Since the rotation angle is small, tgϑ = ϑ.

Максимальная стадия разнотолщинности на фланце определяется по формуле:The maximum stage of thickness variation on the flange is determined by the formula:

Δs_max=s_кромки-s_{матрицы},Δs _max = s _edges -s of the _matrix ,

где s_кромки - толщина кромки,where s _edges - thickness of the edge,

s_{матрицы} - толщина матрицы.s of the _matrix is the thickness of the matrix.

Толщина кромки определяется по формуле:The edge thickness is determined by the formula:

$$s_{кромки}=s\sqrt{\frac{R_{заг}}{R_{фланца}}}$$

$$s_{\mathrm{to}R\mathrm{about}m\mathrm{to}\mathrm{and}}=s\sqrt{\frac{R_{s\mathrm{but}g}}{R_{fl\mathrm{but}nc\mathrm{but}}}}$$

где s - толщина заготовки,where s is the thickness of the workpiece,

R_заг. - радиус заготовки,R _zag. - the radius of the workpiece,

R_фланца - радиус фланца.R of the _flange is the radius of the flange.

Толщина матрицы определяется по формуле:The thickness of the matrix is determined by the formula:

$$s_{матрицы}=s\sqrt{\frac{R_{заг}}{R_{матрицы}}}$$

$$s_{m\mathrm{but}tR\mathrm{and}cs}=s\sqrt{\frac{R_{s\mathrm{but}g}}{R_{m\mathrm{but}tR\mathrm{and}cs}}}$$

где s - толщина заготовки,where s is the thickness of the workpiece,

R_заг. - радиус заготовки,R _zag. - the radius of the workpiece,

R_{матрицы} - радиус матрицы.R _matrix is the radius of the matrix.

Усилие прижима определяется по формуле:The clamping force is determined by the formula:

$$q=\frac{Q}{\pi \left(R_i^2-{\rho }^2\right)}$$

$$q=\frac{Q}{\pi \left(R_i^2-{\rho }^2\right)}$$

где Q - полное усилие прижима,where Q is the total clamping force,

R_i - радиус кромки заготовки,R _i is the radius of the edge of the workpiece,

ρ - радиус рассматриваемого элемента заготовки.ρ is the radius of the considered element of the workpiece.

Полное усилие упругого прижима равно:The total force of the elastic clamp is:

$$Q_0=\frac{1}{c}{\omega }_0\left[-\frac{4{\pi }^{2}l}{4a_{к}^{2}b}\left({\sigma }_{\theta ср}s{b}^2{N}_{к}+\frac{4}{3}{\pi }^2{E}_{p}J{M}_{к}\right)\right]$$

$$Q_0=\frac{\mathrm{one}}{c}{\omega }_0\left[-\frac{\mathrm{four}{\pi }^{2}l}{\mathrm{four}{a}_{\mathrm{to}}^{2}b}\left({\sigma }_{\theta \mathrm{from}R}s{b}^2{N}_{\mathrm{to}}+\frac{\mathrm{four}}{3}{\pi }^2{E}_{p}J{M}_{\mathrm{to}}\right)\right]$$

где s - толщина заготовки,where s is the thickness of the workpiece,

$$E_p=\frac{{\sigma }_i}{{\epsilon }_i}$$

- модуль пластичности изотропного материала, $$E_p=\frac{{\sigma }_i}{{\epsilon }_i}$$

- modulus of plasticity of an isotropic material,

- момент инерции,

- moment of inertia,

$$s\text{'}=\frac{s}{2R_{з}}$$

- относительная толщина листовой заготовки, $$s\text{'}\text{'}=\frac{s}{2R_s}$$

- the relative thickness of the sheet stock,

a_к, b - размеры критического элемента фланца, на котором образуются гофры,a _to , b are the dimensions of the critical element of the flange on which the corrugations are formed,

N_k и M_k - константы потери устойчивости.N _k and M _k are the stability loss constants.

ω₀ - величина перемещения от дополнительных усилий выпрямления волны,ω ₀ - the amount of displacement from the additional efforts of the rectification of the wave,

с - константа упрочнения материала заготовки.c is the hardening constant of the workpiece material.

Величина r находится из формулы:The value of r is found from the formula:

$$g=\frac{D\vartheta }{r^3}$$

$$g=\frac{D\vartheta }{r^3}$$

где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:where D is the bending stiffness of the plate, determined by the formula:

$$D=\frac{E\cdot h^3}{12\left(1-{\mu }^2\right)}$$

, $$D=\frac{E\cdot h^3}{12\left(\mathrm{one}-{\mu }^2\right)}$$

,

где Е - модуль упругости,where E is the modulus of elasticity,

h - высота пластины,h is the height of the plate,

µ - коэффициент Пуассона.µ is the Poisson's ratio.

ϑ - угол поворота,ϑ is the angle of rotation,

g - интенсивность поверхностной нагрузки.g is the intensity of the surface load.

Интенсивность поверхностной нагрузки при определении высоты матрицы имеет вид:The intensity of the surface load when determining the height of the matrix is:

$$g=\frac{E{h}^3\cdot \Delta s_{\max }}{9r^3\left(r_1-r_2\right)\left(1-{\mu }^2\right)}$$

$$g=\frac{E{h}^3\cdot \Delta s_{\max }}{9r^3\left(r_{\mathrm{one}}-r_2\right)\left(\mathrm{one}-{\mu }^2\right)}$$

где Е - модуль упругости,where E is the modulus of elasticity,

h - высота матрицы,h is the height of the matrix,

Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки,Δs _max - maximum thickness variation on the workpiece flange,

r - переменный радиус, изменяется от r₁ до r₂,r is a variable radius, varies from r ₁ to r ₂ ,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,r ₁ , r ₂ - the inner and outer radii of the matrix and clip,

µ - коэффициент Пуассона.µ is the Poisson's ratio.

Тогда высоты прижима и матрицы определяются по формулам:Then the heights of the clamp and the matrix are determined by the formulas:

$$h_{прижима}=\sqrt[3]{=\frac{g\cdot 12r^3\left(r_1-r_2\right)\left(1-{\mu }^2\right)}{E\Delta s_{\max }}}$$

$$h_{PR\mathrm{and}\mathrm{well}\mathrm{and}m\mathrm{but}}=\sqrt[3]{=\frac{g\cdot 12r^3\left(r_{\mathrm{one}}-r_2\right)\left(\mathrm{one}-{\mu }^2\right)}{E\Delta s_{\max }}}$$

$$h_{матрицы}=\sqrt[3]{=\frac{g\cdot 9r^3\left(r_1-r_2\right)\left(1-{\mu }^2\right)}{E\Delta s_{\max }}}$$

$$h_{m\mathrm{but}tR\mathrm{and}cs}=\sqrt[3]{=\frac{g\cdot 9r^3\left(r_{\mathrm{one}}-r_2\right)\left(\mathrm{one}-{\mu }^2\right)}{E\Delta s_{\max }}}$$

где g - интенсивность поверхностной нагрузки,where g is the intensity of the surface load,

r - переменный радиус, изменяется от r₁ до r₂,r is a variable radius, varies from r ₁ to r ₂ ,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,r ₁ , r ₂ - the inner and outer radii of the matrix and clip,

µ - коэффициент Пуассона,µ is the Poisson's ratio,

Е - модуль упругости,E is the modulus of elasticity,

Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки.Δs _max - maximum thickness difference on the workpiece flange.

Величина r находится из формулы:The value of r is found from the formula:

$$g=\frac{D\vartheta }{r^3}$$

$$g=\frac{D\vartheta }{r^3}$$

где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:where D is the bending stiffness of the plate, determined by the formula:

$$D=\frac{E\cdot h^3}{12\left(1-{\mu }^2\right)}$$

$$D=\frac{E\cdot h^3}{12\left(\mathrm{one}-{\mu }^2\right)}$$

где Е - модуль упругости,where E is the modulus of elasticity,

h - высота пластины,h is the height of the plate,

µ - коэффициент Пуассона.µ is the Poisson's ratio.

ϑ - угол поворота,ϑ is the angle of rotation,

g - интенсивность поверхностной нагрузки.g is the intensity of the surface load.

Сопоставимый анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, имеющий упругие прижим и матрицу, позволяет улучшить качество поверхности детали, снизить гофрообразование фланца. Конструкция устройства проста в изготовлении, высоты прижима и матрицы постоянны. Применяется в случае, когда разнотолщинность ΔS>35%.A comparable analysis of the proposed solution with the prototype shows that the stamp for deep drawing axisymmetric parts, having an elastic clamp and a matrix, can improve the surface quality of the part, reduce the corrugation of the flange. The design of the device is easy to manufacture, the clamping height and the matrix are constant. It is used when the thickness difference ΔS> 35%.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

Заявляемое устройство реализуется на кривошипных прессах с буферным устройством и кривошипных прессах двойного действия.The inventive device is implemented on crank presses with a buffer device and double-action crank presses.

Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей применяется, когда разнотолщинность фланца больше упругого перемещения прижима.A stamp for deep drawing of axisymmetric parts is used when the thickness difference of the flange is greater than the elastic movement of the clamp.

Использование штампа с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей позволяет получать тонкостенные заготовки S/D_заг<0,01, улучшать качество поверхности детали, увеличивать коэффициент вытяжки на 15-20%, снижать усилие прижима, необходимое для ликвидации гофрообразования фланца заготовки.The use of a stamp with elastic clamp and a matrix for deep drawing of axisymmetric parts makes it possible to obtain thin-walled blanks S / D _zag <0.01, improve the surface quality of the part, increase the drawing coefficient by 15-20%, reduce the clamping force necessary to eliminate the corrugation of the workpiece flange.

Штамп с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей дает возможность для тонкостенных деталей с S/D>35% использовать коэффициенты вытяжки на 10-20% больше. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень».The stamp with elastic clamp and die for deep drawing of axisymmetric parts makes it possible to use drawing coefficients 10-20% more for thin-walled parts with S / D> 35%. Thus, the claimed device meets the criterion of "inventive step".

Claims (1)

Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, содержащий соосно установленные пуансон, прижим и матрицу, отличающийся тем, что он снабжен неподвижным опорным кольцом, а матрица и прижим выполнены в виде упругих металлических колец постоянной высоты. A stamp for deep drawing of axisymmetric parts, containing a coaxially mounted punch, clamp and matrix, characterized in that it is equipped with a fixed support ring, and the matrix and clip are made in the form of elastic metal rings of constant height.

Images