способ изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей и штамп для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей, заключающийся в установке нагретой дискообразной заготовки в штамп и воздействии на нее аксиальным усилием, необходимым для поэтапной экструзии металла в заданном направлении между матричной и пуансонной частями штампа с формообразованием стенок и торца стаканообразной детали, профилируемых в соответствии с заданной гравюрой и включающих центральный посадочный ручей и реборды по периферии, за ряд этапных переходов при сменяемости одной из частей штампа, отличающийся тем, что процесс ведут в условиях постоянства температурного поля за счет компенсации теплопотерь энергией активного трения с использованием скоростного фактора режима штамповки в два этапных перехода с преобразованием аксиального усилия в давление, обеспечивающее объемное течение металла на первом переходе сверху вниз, а на втором - от центра боковой и торцевой стенок к перифериям заготовки со скоростным напором металла заготовки при заполнении полости штампа, при этом на первом переходе при неподвижном пуансоне и подвижной матрице осуществляют окончательное формообразование внутренней полости диска колеса по гравюре пуансона, а на втором переходе - на том же пуансоне при сменной подвижной секционной матрице - его наружной поверхности, включающий посадочный ручей, реборды, с окончательным профилированием по гравюре матрицы на этом переходе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аксиальное усилие создают поочередным дискретным воздействием на последовательно сопряженные друг с другом участки секционной матрицы с необходимой повторяемостью траектории приложения указанного усилия при круговом обходе последней по спирали.

3. Штамп для изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей, содержащий неподвижную нижнюю и подвижную верхнюю части в виде сцентрированных друг относительно друга колонками плит с установленными на нижней плите пуансоном, имеющим профиль гравюры для окончательного формообразования внутренней полости диска колеса и сборной матрицей, состоящей из не менее пяти секционных вставок, примыкающих друг к другу плоскими боковыми поверхностями, образующих своими внутренними рабочими поверхностями гравюру для оформления боковой и торцевой стенок диска колеса и установленных в направляющих Т-образных пазах, выполненных в нижней плите, а также элемент перемещения секционных вставок матрицы к пуансону, расположенной в зоне подвижной верхней части с возможностью взаимодействия своей профилированной поверхностью с наружными нерабочими поверхностями вставок, средства возврата последних в исходное положение в виде упругих элементов расчетной жесткости, расположенных в гнездах каждой вставки и упоры для ограничения перемещения вставок, установленные на нижней плите, отличающийся тем, что он снабжен выталкивателем, размещенным в пуансоне, а также сменной матрицей для первого перехода деформирования заготовки, монтируемой на верхней плите, профилированная поверхность элемента перемещения секционных вставок матрицы к пуансону образована выборкой и выполнена конической, наружные нерабочие поверхности вставок выполнены с ответным коническим профилем, при этом оси центров упомянутых гнезд вставок расположены на уровне внутренней полки направляющих Т-образных пазов.

4. Штамп по п.3, отличающийся тем, что он снабжен промежуточной плитой, смонтированной между верхней плитой и сборной матрицей, выборка расположена в промежуточной плите, а коническая поверхность выборки выполнена спиралеобразной с возможностью поочередного последовательного взаимодействия с коническими наружными нерабочими поверхностями вставок матрицы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к технологии производства цельноштампованных дисков колес автомобилей, и может также найти применение и при изготовлении дисков колес других транспортных средств.

Известен способ изготовления цельноштампованных изделий заключающийся в установке нагретой заготовки в штамп и в воздействии на нее аксиальным усилием, необходимым для поэтапной экструзии металла в заданном направлении между матричной и пуансонной частями штампа для формообразования стенок и торца стаканообразной формы, профилируемых в соответствии с заданной гравюрой за ряд переходов.

Существенным недостатком известного способа является значительная трудоемкость процесса и снижение коэффициента использования металла.

Известен штамп для формообразования изделий, содержащий неподвижную нижнюю и подвижную верхнюю части в виде сцентрированных колонками относительно друг друга плит с установленными в них пуансоном и матрицей.

Недостатком известного штампа является необходимость использования дополнительной оснастки для получения точных изделий, к которым предъявляются повышенные требования и в отношение прочностных свойств.

Известен способ изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей, принятый за прототип и заключающийся в установке нагретой дискообразной заготовки в штамп и воздействии на нее аксиальным усилием, необходимым для поэтапной экструзии металла. В заданном направлении между матричной и пуансонной частями штампа с формообразованием стенок и торца стаканообразной детали, профилируемых в соответствии с заданной гравюрой и включающих центральный посадочный ручей и реборды по периферии за ряд этапных переходов при сменяемости одной из частей штампа.

Недостатком известного способа является повышенная трудоемкость технологического процесса, невозможность вести процесс во взаимосвязи силовых, температурных, скоростных и других факторов с типом изделия и его профильными особенностями.

Известен штамп для изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей, содержащий неподвижную нижнюю и подвижную верхнюю части в виде сцентрированных друг относительно друга колонками плит с установленными на нижней плите пуансоном, имеющим профиль гравюры для окончательного формообразования внутренней полости диска колеса, и матрицей, состоящей из не менее пяти секционных вставок, примыкающих друг к другу плоскими боковыми поверхностями, образующих внутренними рабочими поверхностями гравюру для оформления боковой и торцовой стенок диска колеса и установленных в направляющих Т-образных пазах, выполненных в нижней плите, а также элемент перемещения секционных вставок матрицы к пуансону, расположенный в зоне подвижной верхней части с возможностью взаимодействия своей профилированной поверхностью с наружными нерабочими поверхностями вставок, средства возврата последних в исходное положение в виде упругих элементов расчетной жесткости, расположенных в гнездах каждой вставки, и упоры для ограничения перемещения вставок, установленные на нижней плите.

Недостатком известного штампа являются ограниченные технологические возможности при формировании детали сложной формы.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в повышении коэффициента использования металла, исключении нарушения волокнистой структуры металла изделия, снижении числа этапных переходов без применения специального оборудования.

Этот результат достигается тем, что в способе изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей, заключающемся в установке нагретой дискообразной заготовки в штамп и воздействии на нее аксиальным усилием, необходимым для поэтапной экструзии металла в заданном направлении между матричной и пуансонной частями штампа с формообразованием стенок и торце стаканообразной детали, профилируемых в соответствии с заданной гравюрой и включающих центральный посадочный ручей и реборды по периферии за ряд этапных переходов при сменяемости одной из частей штампа, процесс ведут в условиях постоянства температурного поля за счет компенсации теплопотерь энергией активного трения с использованием скоростного фактора режима штамповки в два этапных перехода с преобразованием аксиального усилия в давление, обеспечивающее объемное течение металла на первом переходе сверху вниз, а на втором - от центра боковой и торцовой стенок к перифериям заготовки со скоростным напором металла заготовки при заполнении полости штампа. При этом на первом переходе при неподвижном пуансоне и подвижной матрице осуществляют окончательное формообразование внутренней полости диска колеса по гравюре пуансона, а на втором переходе на том же пуансоне при сменной подвижной секционной матрице его наружной поверхности, включающей посадочный ручей и реборды, с окончательным профилированием по гравюре матрицы на этом переходе. Аксиальное усилие создают поочередным дискретным воздействием на последовательно сопряженные друг с другом участки секционной матрицы с необходимой повторяемостью траектории приложения указанного усилия при круговом обходе последней по ступени.

Штамп для изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей, содержащий неподвижную нижнюю и подвижную верхнюю части в виде сцентрированных относительно друг друга колонками плит с установленным на нижней плите пуансоном, имеющим профиль гравюры для окончательного формообразования внутренней полости диска колеса, и матрицей, состоящей из не менее пяти секционных вставок, примыкающих друг к другу плоскими боковыми поверхностями, образующих внутренними рабочими поверхностями гравюру для оформления боковой и торцовой стенок диска колеса и установленных в направляющих Т-образных пазах, выполненных в нижней плите, а также элемент перемещения секционных вставок матрицы к пуансону, расположенный в зоне подвижной верхней части с возможностью взаимодействия профилированной поверхностью с наружными нерабочими поверхностями вставок, средства возврата последних в исходное положение в виде упругих элементов расчетной жидкости, расположенных в гнездах каждой вставки, и упоры для ограничения перемещения вставок, установленные на нижней плите, снабжен выталкивателем, размещенным в пуансоне, а также сменной матрицей для первого перехода деформирования заготовки, монтируемой на верхней плите, профилированная поверхность элемента перемещения секционных вставок матрицы к пуансону образована выборкой и выполнена конической, наружные нерабочие поверхности вставок выполнены с ответным коническим профилем, при этом оси центров упомянутых гнезд вставок расположены на уровне внутренней полки направляющих Т-образных пазов.

Кроме того, штамп снабжен промежуточной плитой, смонтированной между верхней плитой и матрицей, выборка расположена в промежуточной плите, а коническая поверхность выборки выполнена спиралеобразной с возможностью поочередного последовательного взаимодействия с коническими наружными нерабочими поверхностями вставок матрицы.

На фиг.1 изображен инструментальный узел штампа для изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей в продольном разрезе с матрицей первого перехода; на фиг.2 - штамп в продольном разрезе с матрицей второго перехода; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг.2 в зоне Т-образных направляющих пазов; на фиг.4 - секционная матрица второго перехода; на фиг.5 - штамп в продольном разрезе с промежуточной плитой; на фиг.6 - заготовка диска колеса после первого перехода; на фиг.7 - цельноштампованный диск колеса после второго перехода; на фиг.8 и 9 - торцовые поверхности дисков колес с профилированными окнами.

Способ изготовления цельноштампованных дисков колес автомобилей осуществляют в штампе, который содержит неподвижную нижнюю 1 и подвижную верхнюю 2 части в виде сцентрированных колонками 3 относительно друг друга плит 4 и 5 соответственно. На нижней плите 4 установлен пуансон 6 с выталкивателем 7 внутри него, имеющей профиль гравюры для формообразования внутренней полости диска колеса на первом переходе. На верхней плите 5 для обеспечения первого перехода монтируется сменная матрица 8, представляющая собой профильную деталь с гравюрой для оформления наружного профиля заготовки. Для окончательного формообразования изделия на втором переходе используется сборная матрица 9, которая монтируется на нижней плите и выполнена в виде разъемных раздвижных секционных вставок 10 (фиг.2), число которых не менее пяти. Вставки примыкают друг к другу боковыми плоскостями 11 и образуют своими внутренними рабочими поверхностями гравюры 12 и 13 соответственно наружных боковой и торцевой стенок диска колеса с центральным ручьем и ребордами по периферии. Наружные нерабочие плоскости вставок 10 имеют конические поверхности 14, взаимодействующие с ответной конической поверхностью 15 выборки 16, выполненной на верхней плите 5 под углом , величина которого рассчитывается из соотношения

tg = f ; где P_бок - боковое усилие перемещения секционной вставки;

Н_раб - величина перемещения секционной вставки;

Н_верт - величина вертикального перемещения плиты 5;

P_раб. - рабочее усилие В приближенном варианте этот угол может составлять 10...12^о.

При поступательном движении плиты 5 происходит перемещение вставок в радиальном направлении от периферии к центру и в обратном направлении через средства возврата их в исходное положение, выполненные в виде упругих элементов 17 расчетной жесткости, расположенных в гнездах 18 каждой вставки. Нижняя плита 4 снабжена упорами 19, ограничивающими перемещение вставок 10 и Т-образными направляющими пазами 20 для последних, а оси центров указанных гнезд 18 расположены на уровне внутренней полки 21 пазов 20. Между верхней плитой 5 и матрицей 9 предусмотрена промежуточная плита 22, в которой может быть выполнена спиралеобразная коническая выборка 16 для поочередного последовательного взаимодействия с нерабочими коническими поверхностями 14 вставок 10 матрицы.

Для осуществления процесса штамповки диска колеса автомобиля нагретая заготовка в виде плоского диска устанавливается в штамп, где затем под действием аксиального усилия происходит поэтапная экструзия металла в заданных направлениях между его пуансонной и матричной частями. Сначала происходит формообразование боковых стенок диска колеса (первый переход), а затем - окончательное формообразование стенок и торца диска колеса, спрофилированного в соответствии с заданной гравюрой, включающей центральный посадочный ручей и реборды по перифериям (второй переход). Весь процесс штамповки ведут в условиях постоянства температурного поля за счет компенсации теплопотерь энергией активного трения с использованием скоростного режима штамповки, т.е. скорость штамповки рассчитывается таким образом, чтобы выделение тепла от активного трения между заготовкой с одной стороны и пуансоном и матрицей с другой стороны было строго определенным, обеспечивая изотермическую штамповку. В процессе штамповки экструзия металла таким образом происходит в два этапных перехода, при этом аксиальное усилие преобразуется в давление инструмента на металл заготовки, обеспечивая объемное его течение в виде набегающей волны. При этом, как показывают расчеты, произведенные методами математического моделирования (за аналог взята модель процесса заливки формы), достигается скорость перемещения металла внутри штампа, при которой его растекание по профилированной полости идет не только за счет выдавливания последнего, но и за счет послойного скоростного напора последующих порций металла на предыдущие (набегающая волна), т.е. оба процесса сливаются в единый процесс заполнения формы, аналогичный процессу заливки форм жидким металлом. Т.е. процесс идет не только под действием силы тяжести, но и под действием бегущей волны, зарождаемой и поддерживаемой скоростным фактором, т. е. скоростная штамповка позволяет не только вести изотермический процесс, но и использовать скорость для улучшения качества формообразования. При этом набегающая волна на первом этапе распространяется сверху вниз, т.е. металл под воздействием матрицы 9 как бы растекается по пуансону в виде расплава, равномерно заполняя полость между ними. Этого можно достичь только в том случае, когда соотношение параметров заготовки - высоты и диаметра ее выбраны из расчета 2:3, а объем заготовки строки соответствует объему предварительной поковки. На втором переходе штамповки экструзия металла происходит под воздействием двух набегающих волн в верхней части штампа и одной - в нижней. При этом последняя распространяется за счет перевода части аксиального усилия в радиальное, от центров боковой и торцевой стенок к перифериям. Скоростной напор способствует заполнению полости штампа одновременно во всех его частях без разрывов в слоях металла при экструзии его. Так как на обоих переходах штамповки происходит лавинное заполнение металлом полости между пуансоном и матрицей, то дефекты, возникающие при других видах штамповки, исключены и соблюдается строгая направленность волокнистой структуры поверхностного слоя, исключающая их прерывистость даже в периферийных зонах переходных участков боковой и торцевой стенок. Кроме того, соблюдается строгое равенство объемов предварительной поковки и конечной детали - диска колеса.

В процессе штамповки на первом этапном переходе при неподвижном пуансоне и подвижной в вертикальном направлении матрице 9 (вместе с плитой 5 верхней части 2 штампа) воздействуют на дискообразную заготовку, осуществляя окончательное формообразование внутренней полости диска колеса по гравюре пуансона. На втором этапном переходе, не снимая с пуансона 6 детали, заменяют первую матрицу на вторую, состоящую из набора раздвижных вставок 10, которые при взаимодействии их конических поверхностей 14 с конической поверхностью 15 выборки 16 перемещаются по Т-образным пазам 20 от периферии к центру и окончательно профилируют рабочими поверхностями, составляющими единую гравюру, наружную поверхность диска колеса, включающую центральный ручей и реборды по перифериям. Затем верхнюю подвижную часть 2 штампа поднимают и вставки 10 матрицы 9 под воздействием упругих элементов 17 возвращаются в исходное положение, ограниченное упорами 19, а затем с помощью выталкивателя 7 готовый диск колеса снимается с пуансона 6.

После второго перехода диск колеса автомобиля готов к использованию практически без последующей механической обработки. При этом торцевая поверхность диска колеса 23 (см. фиг.7) имеет заданный профиль и при необходимости может включать окна заданного профиля (фиг.8, 9), специально предусмотренные гравюрой пуансона и матрицы, соответственно.

При необходимости снижения величины аксиального усилия на втором переходе штамповку ведут на штампе, оборудованном дополнительной промежуточной плитой 22, в которой выполнена спиралеобразная коническая выборка 16, а усилия на секторные вставки 10 матрицы 9 передаются поочередно дискретным воздействием на соседние участки последовательно. При этом спиральная поверхность на промежуточной плите 22 выполнена многозаходной при необходимости повторяемости приложения указанного усилия при круговом обходе по спирали. После готовности диск колеса вынимается из штампа вышеописанным способом.

Изобретение позволяет на основе прогрессивных методов горячей штамповки значительно улучшить качество готовых изделий. Предложенный способ штамповки сочетает в себе такие прогрессивные приемы, как изотермическая штамповка, скоростная штамповка, штамповка в разъемных матрицах и штамповка в штампах для безоблойной штамповки, что позволяет вскрыть самые крупные резервы повышения производительности труда, уменьшить потери металла и сократить затраты на механическую обработку, вплоть до полного ее исключения. Рабочий процесс и процесс фазового превращения металла заготовки совмещены во времени, что значительно сокращает цикл формообразования. Компенсация же тепловых потерь за счет активного трения позволяет также повысить точность и чистоту поковок и снизить или даже совершенно исключить потери на угар. В предлагаемом способе с целью увеличения стойкости и работоспособности штампа количество переходов снижено до двух и их функции перераспределены, что также способствует увеличению работоспособности штампа, снижая до минимума время воздействия активного трения, а также жесткость штампа (толщина плиты равна 8H, где H - высота секционной вставки).

Все вышеописанные преимущества расширяют технологические возможности способа, позволяют вести процесс во взаимосвязи силовых температурных, скоростных и других факторов при минимальных затратах времени и энергии. Исключение последующей механической обработки доводит до максимального коэффициент использования металла, а также повышает механическую прочность изделия не только благодаря упрочнению поверхностного слоя, но и благодаря ненарушенной его волокнистой структуре (что имеет место при последующей механической обработке поковок).

Преимуществом изобретения является также возможность применения стандартного оборудования.