[1]Изобретение относится к оборудованию для обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении из листовых заготовок таких изделий, как, например, сосуды давления топливных систем космических аппаратов, баллоны для транспортировки сжиженных газов, буи радиоантенн, поплавки для уровнемеров и пр.
[2]Известен штамп [1] для двухпереходной реверсивной формовки сферических куполов из титановых сплавов, рассчитанный на рабочие температуры 880-920°C, рабочим давлением газа до 30 атм. Штамп выполнен в виде изотермического блока и представляет собой корпус, состоящий из верхней и нижней половин, на которые снаружи надет водоохлаждаемый кожух. Верхняя и нижняя половины штампа ограничены плитами, в которых имеются каналы для подвода рабочей среды (аргона). Половины штампа оснащены матрицами, при этом рабочая поверхность верхней матрицы выполнена в форме полусферы, а нижней - в форме рифта. Матрицы крепят прижимными и опорными кольцами, через которые на фланец матрицы передается усилие прижима от гидравлического пресса, обеспечивающее фиксацию заготовки на нижней матрице. В центре каждой матрицы имеются каналы для подачи газа. В верхней и нижней половинах штампа выполнены спиральные канавки, в которые уложены нагреватели. Пространство между плитами и нагревателями заполнено шамотной крошкой и минеральной ватой; ток к нагревателям подводится через клеммы от источника питания.
[3]Существенными недостатками данного штампа являются низкая производительность, связанная с большими затратами времени на охлаждение штампа вместе с отформованной деталью и низкое качество самой детали за счет наличия на ее поверхности альфированного слоя (титановая заготовка) или окисного слоя (стальная заготовка), состоящего из продуктов окисления основного металла, вследствие содержания в рабочем объеме штампа кислорода, азота и водорода воздуха. Для удаления окисного слоя проводят дополнительную механическую обработку, уменьшая тем самым коэффициент использования металла.
[4]В качестве наиболее близкого аналога выбран штамп для штамповки полусфер шаробаллонов [2]. Штамп состоит из двух (верхней и нижней) половин, разъемных в горизонтальной плоскости. Верхняя половина штампа содержит верхнюю матрицу, рабочая поверхность которой выполнена в форме рифа, нижняя половина штампа содержит сборную нижнюю матрицу, рабочая поверхность которой выполнена в форме полусферы. Нижняя матрица состоит из четырех лепестков и предназначена для силовой выпрессовки охлажденной отформованной детали. В матрицах выполнены каналы для вакуумирования матричной полости, а также подачи и стравливания сжатого рабочего газа. При сборке штампа, между его половинами устанавливают листовую заготовку, а половины штампа стягивают болтами.
[5]Существенными недостатками рассмотренного выше штампа являются его низкая производительность, невысокое качество отформованной детали, вследствие коробления ее формы при остывании и силовой выпрессовке.
[6]Проведенный анализ устройств [1] и [2] показал, что общим недостатком конструкций штампов является охлаждение отформованной детали вместе со штампом, что приводит к короблению отформованной детали из-за разности коэффициента линейного расширения материала штампа и отформованной детали, а силовая выпрессовка из штампа охлажденной детали приводит к поводке поверхности детали.
[7]Техническим результатом изобретения является повышения производительности и качества формообразования деталей за счет извлечения детали после ее изготовления из формообразующей полости штампа с последующим ее охлаждением отдельно от штампа.
[8]Указанный технический результат обеспечивается тем, что в штампе для формообразования изделий из листовых заготовок, состоящем из двух разъемных по горизонтальной плоскости верхней и нижней половин, в которых выполнены рабочие поверхности, новым является то, что штамп оснащен захватами, выполненными в виде рычагов с фиксирующими элементами, причем захваты установлены на оси на верхней половине штампа с возможностью поворота в вертикальной плоскости, а их фиксирующие элементы имеют возможность контактирования с формуемым изделием для обеспечения его извлечения из нижней половины штампа после окончания процесса формообразования.
[9]Повышение производительности штампа реализовано за счет уменьшения времени охлаждения отформованной детали и исключения технологических операций сборки-разборки штампа, подсоединения и отсоединения пневматической и вакуумной магистрали трубопроводов при переходе штамповки от одной детали к другой.
[10]Повышение качества деталей реализовано за счет исключения ее коробления, проявляющегося при совместном охлаждении отформованной детали и штампа и за счет исключения дополнительной операции, связанной с силовой выпрессовкой охлажденной детали из матрицы нижней половины штампа.
[11]Сущность заявленного изобретения поясняется представленными графическими материалами, на которых:
[12]- на фиг.1 - штамп в собранном положении, осевой разрез;
[13]- на фиг.2 - монтаж штампа в вакуумной камере;
[14]- на фиг.3 - штамп в положении извлечения отформованной детали.
[15]Штамп состоит из нижней 1 и верхней 2 половин, на верхней половине штампа установлено запорное кольцо 3 для крепления штока силового гидроцилиндра, на нижней половине штампа расположено регулировочное кольцо 4, предназначенное для центрирования заготовки с нижней половиной штампа.
[16]Регулировочное кольцо 4 соединено с нижней половиной штампа колонками 5 при помощи распорных клиньев 6.
[17]На верхней половине штампа выполнены пазы (предпочтительно, три паза под углом друг к другу 120°), в которых на осях 7 с возможностью поворота в вертикальной плоскости установлены захваты 8. Оси 7 фиксируются запорным кольцом 3.
[18]Каждый захват 8 выполнен в виде рычага, на котором имеется элемент (например, паз) для захвата заготовки. Каждый захват оснащен элементом (например, кольцом) 9, за которое осуществляется поворот захвата относительно оси 7.
[19]На рабочей поверхности верхней половины штампа 2, выполненного в виде рифа, имеются каналы 10 предназначенные для вакуумирования и подачи рабочего газа. В нижней половине штампа, рабочая поверхность которого выполнена сферической формы, имеются каналы 11, выполняющие аналогичную с каналами 10 функцию.
[20]Для осуществления процесса формообразования детали штамп монтируют в вакуумной камере.
[21]При монтаже штампа (см. фиг.2) его нижняя половина 1 закрепляется на столе 12, размещенном в нижней половине 13 вакуумной камеры, а верхняя половина 1 штампа - на штоке 14 силового гидроцилиндра верхней половины 15 вакуумной камеры. Внутри вакуумной камеры установлено устройство нагрева 16.
[22]Штамп работает следующим образом.
[23]Подлежащую обработке листовую заготовку 17 устанавливают между нижней 1 и верхней 2 половин штампа, центрируя ее по кольцу 4. Нижняя половина штампа при этом установлена на столе 12, а верхняя - на штоке 14 посредством запорного кольца 3.
[24]Для удобства монтажа в исходном положении верхняя половина 15 вакуумной камеры отводится от нижней 13. После установки и фиксации заготовки 17 в штампе, вакуумной камере половины 13 и 15 вакуумных камер герметично стыкуются, внутренний объем камеры вакуумируется до 1×10-4 мм рт.ст.
[25]Включают перемещение штока 14 с закрепленной верхней половиной 2 штампа вниз и прижимают верхней половиной 2 штампа заготовку 17 к нижней половине штампа 1 усилием примерно 200 тс. Захваты 8 цепляют за фланец заготовки.
[26]Включают устройство нагрева 16 и производят нагрев штампа до температуры формообразования заготовки.
[27]Через магистральный трубопровод (не показан) и каналы 11 подают в полость, образованную внутренней поверхностью нижней половины матрицы и заготовкой 17, инертный газ и создают давление, в результате чего, листовая заготовка прижимается к рифу верхней половины 2 штампа. После того, как заготовка примет форму внутренней поверхности верхней половины 2 штампа, давление в нижней половине 1 сбрасывают и через канал 10 нагнетают сжатый нейтральный газ в верхнюю половину штампа, при этом заготовка принимает полусферическую форму нижней половины штампа 1.
[28]После окончания формообразования детали устройство нагрева 16 отключают, при определенной температуре фланца изделия 17 шток 14 силового гидроцилиндра поднимают вверх, съемные захваты 8 за фланец отформованной детали 17 производят при ходе верхней половины штампа вверх извлечение отформованной детали из нижней половины штампа (фиг.3).
[29]После понижения температуры штампа до температуры, обеспечивающей безопасное раскрытие вакуумной камеры, разгерметизируют камеру, верхнюю половину 15 вакуумной камеры отводят от нижней 13.
[30]Опускают шток 14 и снимают отформованную деталь с захватов 8, за счет их поворота приложением усилия за кольца 9.
[31]Процесс штамповки закончен.
[32]Сущность заявленного изобретения будет более понятна из приведенного ниже примера.
[33]Проводили формообразование оболочки сферической формы из листовой заготовки титанового сплава ВТ6с, размерами: диаметр 600 мм, толщина 11 мм.
[34]При опускании штоком 14 верхней половины 2 штампа захваты 8 фиксировали край заготовки 17, своими элементами фиксации.
[35]Верхнюю половину штампа прижимали к нижней давлением 200 тс. В результате чего верхняя половина штампа 2 сжимает заготовку 17 и прижимает ее к нижней половине штампа 1, фланец заготовки частично деформируется, что герметизирует внутренний объем штампа. Нагрев штампа осуществляли до до температуры порядка 880÷900°C. Нагнетали инертный газ (аргон), который деформировал заготовку за счет создаваемого во внутреннем объеме штампа давления до 35 атм. Время нагнетания давления составляло 45÷75 мин.
[36]Для исключения образования газонасыщенного слоя нагрев заготовки и ее формообразование осуществляли в камере при вакууме 10-4 мм рт.ст. Формовку проводили при температуре штампа, равной температуре заготовки. Это позволяет исключить теплообмен между инструментом и заготовкой, что значительно повышает равномерность температурного поля последней. Штамповку проводили при низких скоростях деформирования (менее 1 мм/с) [3].
[37]По окончании процесса формообразования снимали вакуум с камеры, отводили ее верхнюю часть, включением штока 14 поднимали верхнюю часть штампа вместе с отформованным изделием, зафиксированным захватами 8, извлекая его из нижней половины штампа. После охлаждения изделия за кольца 9 разводили захваты 8 и снимали изделие с верхней половины штампа.
[39]1. Корпусные узлы летательных аппаратов и их формообразование. ISSN 0201-7296. КШП. 1999. №12. С. 14-16.
[40]2. Яковлев С.П., Соболев Я.А., Чупраков Д.А. Формоизменение анизотропного материала при газоформовке каналов цилиндрического профиля в режиме кратковременной ползучести//Международный научный симпозиум. Тезисы докладов. М.: МГТУ «МАМИ» 29-30 сентября 1999 г.
[41]3. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение / Технологии заготовительных производств. Т. III-2 / И.Л.Акаро, Р.А.Андриевский, А.Ф.Аржанов и др. Под общ. ред. В.Ф. Мануйлова. 1996. -736 с.
