ОМД Забатурин / Лекции ОМД / л 17

Лекция №17

Конструирование, изготовление и эксплуатация штамповой оснастки

Проектирование конструкций и основных деталей штампов для горячей вытяжки днищ

Конструкция штампа должна полностью отвечать требованиям техно­логического процесса в отношении получения требуемой формы и точнос­ти штампуемого днища, должна обеспечить необходимую производитель­ность и безопасность работы, а также должна быть технологичной в изго­товлении и экономически эффективной для данного масштаба производст­ва.

Этапы и порядок проектирования отличаются друг от друга в зависи­мости от серийности производства, степени организации подготовки про­изводства, наличия нормалей и типовых конструкций штампов, качества и точности штампуемых днищ.

Конструкции штампов для крупногабаритной листовой штамповки днищ предъявляются следующие требования:

обеспечить штамповку днищ по заданным технологическим условиям (ОСТ 26-291-79 и ГОСТ 6533-78) параметрам при соблюдении технологи­ческого процесса;

обладать конструктивной прочностью и надежностью при минималь­ных весе, себестоимости и высокой производительности;

удовлетворять технологичности изготовления, простоте установки на прессовом оборудовании;

унификация штамповой оснастки при мелкосерийном и индивидуаль­ном производстве.

Основные требования к конструкции штампа - соответствие техноло­гическому процессу - может быть выполнено различными конструктивны­ми решениями путем создания конструкций различной степени точности.

Специфичность производства днищ нефтехимической аппаратуры за­ключается в том, что, во-первых, оно является в основном мелкосерийным (в редких случаях серийным), во-вторых, повышенным требованием к точ­ности изготовления, вследствие того что днища являются одними из базо­вых деталей аппаратов и, в-третьих, повышенным требованием к качеству вследствие работы сосудов и аппаратов при высоких давлениях, темпера­туре и агрессивных средах.

Правила выполнения рабочих чертежей типовых штампов должны со­ответствовать ГОСТ 2.424.-74.

Из ряда возможных конструктивных решений конструктор должен выбрать наиболее целесообразное не только с технологической стороны, но и с точки зрения простоты и удобства изготовления.

Из анализа существующих в отрасли технологических процессов про­изводства днищ и соответствующих литературных источников [3] установ­лено, что проектирование технологического процесса штамповки днищ производится с учетом:

коэффициента относительной толщины;

материала днища;

точности основных размеров днищ.

Выбор конструктивной схемы и расчет основных параметров штампо­вой оснастки осуществляется после проектирования технологического процесса штамповки.

Вследствие того, что в практике аппаратостроения приходится иметь дело с крупногабаритными днищами, основное внимание в данном посо­бии уделено расчету и конструированию штампов для производства дан­ных днищ.

5.2 Конструкции штампов

5.2.1 Типовые конструкции штамповой оснастки

Для изготовления эллиптических днищ в основном применяют два ти­па штампов - с глухой и сквозной матрицей в соответствии с рисунками 7 и 8.

Рисунок 7 - Вытяжной штамп со сквозной матрицей

Рисунок 8 - Штамп с глухой матрицей

Сквозная матрица (или притяжное кольцо) применяется при штампов­ке эллиптических днищ по ГОСТ 6533-78 с применением прижимного уст­ройства в зависимости от тонкостенности.

Протяжное кольцо устанавливается на четырех стойках в соответ­ствии с рисунком 7, одна из которых не закреплена, что позволяет быстро удалить отштампованное днище из-под штампа, предварительно выдвинув съемную стойку.Стойки устанавливаются на нижнюю плиту - основание и надежно крепятся болтами. Если гидравлический пресс имеет выдвижной стол, то все стойки отливаются за одно целое с плитой-основанием или крепятся болтами на время службы штампа. Удаление отштампованного днища в данном случае осуществляется сверху.

Штамп с глухой матрицей показан на рисунке 8. Глухая матрица, как правило, применяется при штамповке толстостенных днищ, не нормиру­емых ГОСТ 6533-78, и особотонкостенных днищ эллиптической формы. Все детали вышеуказанных штампов, как правило, литые. Матрица в соответствии с рисунком 8 имеет в донной части отверстие, служащее для удаления газов и окалины при штамповке, и подъеме отштампованной детали толкателем пресса.

Пуансон в соответствии с рисунками 7 и 8 представляет собой в основном литую толстостенную деталь, прикрепленную к переходной плите, которая, в свою очередь, крепится передвижными болтами в пазах траверсы пресса [3]. Обычно прижимное кольцо изготавливается в виде отливки и в редких случаях вырезается из толстого листового проката.

Пуансон штампа с глухой матрицей по конструкции мало чем отлича­ется от пуансона штампа со сквозной матрицей, если не считать, что его высота несколько меньше.

Складкодержатель также мало отличается от складкодержателя, пока­занного на рисунке 7, по назначению.

5.2.3 Водоохлаждаемые конструкции штамповой оснастки

Установлено, что одним из доминирующих факторов образования от­клонений формы и размеров днищ является разогрев пуансона, обуслов­ленный многократным контактным теплообменом с горячими заготовка­ми.

Вышеописанные существующие конструкции пуансонов не позволя­ют осуществлять эффективное охлаждение их жидким хладогентом.

Поэтому для обеспечения гарантированной точности днищ по внут­реннему диаметру разработаны водоохлаждаемые конструкции пуансонов и матрицы штампосварного исполнения.

а). Водоохлаждаемые конструкции пуансонов.

Тип I предоставляет собой штампосварной пуансон с односторонним спиралевидным движением хладогента, который подается в центральную часть и отводится с периферийной части. Пуансон данной конструкции состоит из чаши, тумбы, фланца, кожуха рубашки охлаждения, спирале­видного буртика, кольца, центральной крышки, центральной спирали, под­водящего и отводящего патрубков, ребер жесткости.

Канал для циркуляции хладогена образуется в центральной части пу­ансона чашей, крышкой и спиралью, в периферийной части - чашей, кожу­хом и спиралевидным буртиком. Хладогент подается в наиболее разогре­ваемое место - центральную часть пуансона и, двигаясь по спиралевидно­му каналу, перетекает к периферии - менее нагреваемой части пуансона, откуда и отводится. Для перехода хладогента из центральной части в пери­ферийную в тумбе имеется вырез.

Тип П представляет собой штампосварной пуансон с двумя противо-точными спиралевидными потоками хладогента. Пуансон данной конст­рукции состоит из чаши, тумбы, фланца, кожуха рубашки охлаждения, спиралевидных буртиков, кольца, центральной крышки, центральной спи­рали, подводящих и отводящих патрубков, ребер жесткости. Каналы для циркуляции хладогента образованы в центральной части чашей, крышкой и спиралью, в периферийной части - чашей, кожухом и спиралевидными буртиками. Хладогент первого потока подается по патрубку. Хладогент второго потока подается по патрубку в центр пуансона и отводится по патрубку с периферии.

Тип III представляет собой штампосварной пуансон с четырьмя секто-риальными потоками хладогента, который подается в центральную часть пуансона и отводится с периферии каждого из четырех секторов. Пуансон данной конструкции состоит из чаши, кольца, фланца, косынок, кожухов, коллектора, подводящего и отводящего патрубков, соединителей, ребер жесткости, направляющих. Каналы для циркуляции хладогента образо­ваны чашей, кожухами, направляющими и ребрами жесткости . Хладогент подается в центр пуансона по патрубку, где он разделяется на четыре секторных потока, движущихся по зигзагообразным каналам периферии , откуда они попадают в коллектор и отводится по патрубку.

Все три типа охлаждаемых штампосварных пуансонов имеют свои преимущества и недостатки и выбор того или иного типа конструкции обу­словлен производственными возможностями его изготовления.

Пуансон типа I наиболее прост по конструкции, но и у него возможно неполное выравнивание температуры но образующей, а также необходима толстостенная обечайка малого диаметра для изготовления.

Пуансон типа II имеет два спиралевидных буртика, что позволяет полностью выровнять температуру по образующей, хотя несколько услож­няет конструкцию. Также требуется толстостенная обечайка малого диа­метра для изготовления тумбы.

При изготовлении пуансона типа III требует больше сборочных опера­ций, но в конструкции не используется трудноизготавливаемая тумба, ко­торая заменена двумя перпендикулярными радиальными ребрами жест­кости. Путь хладогента по каналу меньше, чем в пуансоне типа I, в резуль­тате чего он меньше нагревается и его тепловосприятие практически не ме­няется, что повышает степень выравнивания температуры по образующей пуансона. Тип III особо предпочтителен для пуансонов малых диаметров, так как внутренний диаметр тумбы мал и это затрудняет приварку ее из­нутри к чаше.

б). Водоохлаждаемые конструкции матриц.

В процессе горячей штамповки днищ матрица также подвергается наг­реву в результате контакта с горячей заготовкой. Поэтому с целью стаби­лизации ее размеров, т.е. для повышения стабильности параметров техно­логического процесса, необходимо применение охлаждения корпуса мат­рицы, для чего они изготавливаются в сварном варианте. Конструкция сварной матрицы состоит из корпуса, кольца, перегородки , подводящего и отводящего патрубков, протяжного кольца. С целью обеспечения возможности приварки кольца и патрубков к корпусу он дол- жен быть стальной, что также практически исключит вероятность его хрупкого разрушения.

Сварная матрица состоит из установленных между собой коаксиально с зазором внешней и внутренней куполообразных частей. Циркуляция хладогента осуществляется по спиралевидному каналу.

в). Водоохлаждаемые штампы с местным подогревом фланца заготовки.

При горячей вытяжке днищ из алюминиевых, магниевых и молибде­новых сплавов с целью повышения предельной степени деформации при­меняют искусственный нагрев фланцевой части с одновременным охлаж­дением центральной части заготовки. Здесь матрица и прижим штампа нагреваются при помощи трубчатых электронагревателей сопротивления, вмонтированных во внутреннюю их полость, а пуансон охлаждается цир­кулирующей в нем проточной водой.

Фланец заготовки, находясь между нагретыми поверхностями матри­цы и прижима, принимает их температуру, а по мере перехода в контакт с пуансоном охлаждается за счет отдачи ему тепла.

Наряду с охлаждением пуансона необходимо охлаждать также и вы­тяжное ребро матрицы, что еще больше способствует повышению проч­ности стенки в опасном сечении, а следовательно, и увеличению допусти­мой степени деформации за одну вытяжную операцию.

Для предотвращения распространения тепла от матрицы и прижима на остальные части штампа последние отделяются теплоизоляционными прокладками.

г). Универсальная конструкция водоохлаждаемого пуансона.

С целью повышения точности изготовления горячештампованных днищ из различных сталей и сплавов внешняя куполообразная часть пуан­сона выполнена с уменьшенными на 1... 2% наружными раз- мерами и снабжена сменной куполообразной прокладкой, установленной на внеш­ней части пуансона с наружной стороны с закрепленными на ней четырьмя симметрично расположенными на нерабочем торце пуансона узлами креп­ления. Узлы крепления состоят из клиньев, установленных в прорезях на цилиндрической части прокладки и плотно прижимающих ее к внешней куполообразной части пуансона при радиальном перемещении их к центру пуансона по мере завинчивания в них винтов. Винты вращаются в стойках, установленных на кольце. Причем толщина прокладки определяется вели­чиной усадки штампуемого материала и наружными размерами внешней куполообразной части пуансона. Пуансон также снабжен четырьмя сим­метрично расположенными на нерабочем торце узлами съема прокладки, состоящими из рычага, вращающегося на оси, которая закреплена в скобе, установленной на кольце.

Толщина накладки для вытяжки днища с определенным коэффициен­том термического сжатия определяется по выражению

(10)

где D_B - номинальный внутренний диаметр днища;

а - средний коэффициент для интервала температур;

W • -toe, t_oc - температура окружающей среды;

1кв - температура конца вытяжки;

At - интервал охлаждения днища после окончания вытяжки;

D_K - наружный диаметр корпуса пуансона без сменной накладки.

Использование предлагаемой конструкции пуансона позволяет расши­рить технологические возможности путем вытяжки днищ из различных ма­териалов, повысить долговечность пуансона, а также уменьшить металлоемкость и трудоемкость работ при восстановлении или замене изношен­ных или поврежденных пуансонов.

5.3 Изготовление штамповой оснастки

5.3.1 Материалы штампов

Все литые детали штампов для горячей вытяжки днищ рекомендуется изготовлять из стали марки 35Л или 45Л (ГОСТ 977-65). Этот материал позволяет неоднократно восстанавливать изношенные и дефектные места протяжного кольца матрицы и пуансона наплавкой электродами из углеро­дистой стали с последующей зачисткой наплавленных слоев.

При первых 10...20 операциях вытяжки образуются как на отштампо­ванной детали, так и на рабочей поверхности протяжного кольца, особенно в местах переходов радиуса закругления к формующему пояску, риски, за­диры, вмятины и наплывы в сторону течения металла. Износ формующего пояска протяжного кольца также проявляется в постепенном увеличении внутреннего диаметра D_]ffi протяжного кольца.

Износ инструмента контролируется визуально. Образование местных дефектов происходит обычно раньше, чем значение будет больше допусти­мого, поэтому для придания большей стойкости протяжным кольцам сле­дует уплотнять их рабочие поверхности методом накатки, устанавливая на­каткой ролик в суппорт карусельного станка.

Одной матрицей из стали 35Л при правильной эксплуатации можно отштамповать, утверждает А.А. Любченко, примерно 4...5 тыс. днищ.

Износившееся протяжное кольцо перетачивают на близкий больший диаметр или наплавляют рабочую поверхность и подвергают механичес­кой обработке.

С целью повышения качества поверхности заготовок на многих пред­приятиях аппаратостроения протяжные кольца матриц изготавливают из чугуна марки СЧ 15-32 и СЧ 32-52, где в наименовании марок серого чугуна буквы и числовые индексы обозначают: С - серый, Ч- чугун, первое число соответствует пределу прочности при растяжении ( с_в, МПа), второе число - пределу прочности при изгибе (б_{в и}., МПа). При выборе марки чугуна следует учитывать, что с уменьшением прочности чугунов улуч­шаются их литейные свойства и уменьшаются остаточные напряжения и коробление; с увеличением толщины стенок отливок механические свойства деталей понижаются вследствие ухудшения структуры металла.

5.3.2 Изготовление водоохлаждаемых штампов штампосварного

Исполнения

Чаша, заготовка для спиралевидного буртика и кожух водоохлажда-емого пуансона типа I изготавливаются методом трехслойной последова­тельности горячей штамповки. Для этого берется пуансон на типоразмер меньше, т.е. на 100 мм меньше по диаметру. Вначале штампуется кожух, который охлаждается прямо на пуансоне. Затем поверх кожуха штампу­ется заготовка для спиралевидного буртика, которая также охлаждается, не снимаясь с пуансона. После этого штампуется чаша поверх кожуха и заго­товки для буртика. Перед штамповкой пуансон, а затем кожух и заготовка буртика обильно смазываются смесью графита с машинным маслом для облегчения последующего съема штамповок с пуансона. После охлажде­ния чаши ее нагревают с помощью газового резака до 100.. .200° С и снимают с пуансона. После этого таким же образом нагревают заготовку буртика и снимают. Так же снимается кожух. На заготовке буртика вычер­чивается и вырезается газовой резкой спираль центральной и периферий­ной частей пуансона. Тумба пуансона изготавливается из поковки или толстостенной обечайки. В нижней части тумбы вырезается лаз для перетека хладогента из центральной части в периферийную. Фланец и ребра жесткости вырезаются из толстолистовой стали. Кольцо вырезается из листового проката. Торцы тумбы обрабатываются под сварку, затем из заготовки кожуха вырезается крышка и сам кожух. В крышке и кольце вырезаются отверстия под патрубки.

Сборка пуансона осуществляется в следующем порядке. Вначале к ча­ше приваривается центральная спираль, затем устанавливается тумба та­ким образом, что конец спирали подходил к пазу в тумбе. После приварки тумбы к чаше устанавливается и приваривается периферийная спираль, ко­торая затем закрывается сверху кожухом, на торец которого устанавлива­ется кольцо. Кожух приваривается к тумбе и кольцу, а кольцо к чаше. Внутрь тумбы устанавливается крышка, которая ложится на центральную спираль. Крышка приваривается к тумбе. После этого устанавливаются шесть радиальных ребер жесткости, которые привариваются к тумбе, ко­жуху и чаше. Затем приваривается подводящий и отводящий патрубки к крышке и кольцу соответственно. После этого фланец укладывается на ребра жесткости и приваривается к ним. После полной сборки пуансон подвергается отпуску с целью снятия остаточных (сварочных) напряже­ний.

Технология изготовления пуансона типа II аналогична технологии пуансона I за исключением того, что из заготовки буртика вырезаются две спирали, в тумбе вырезаются два паза, в кольце и крышке по два отверс­тия. Последовательность сборки такая же, как для пуансона типа I.

Чаша, кожух и заготовка направляющих пуансона типа III изготавли­ваются так же, как пуансонов типа I и II. Косынки и ребра жесткости выре­заются из листового проката. Направляющие для хладогента вырезаются после разметки из заготовки. Технология сборки следующая. Вначале к чаше привариваются радиальные ребра жесткости. После этого к чаше привариваются направляющие, которые закрываются кожухами. Кожухи привариваются к ребрам жесткости. К торцам кожухов и чаше приварива­ются крышки.

После этого на радиальные ребра устанавливается фланец с приваркой к ребрам. К фланцу и кожухам привариваются и ребра жесткости. В углуб­ления на ребрах и косынках укладывается коллектор, изготовленный из трубы. К коллектору и отверстиям в кожухе привариваются соединители. К отверстию в центральной части приваривается подводящий патрубок. После сборки пуансон подвергается термообработке - отпуску.

5.3.3 Эксплуатация и хранение штампов

Основные требования, которые необходимо соблюдать при эксплуата­ции штампов:

1) правильность настройки штампа согласно схеме настройки (как правило, схема настройки приводится в технологическом процессе на де­таль);

2) обеспечение равномерного зазора между пуансоном и вытяжным кольцом матрицы;

3) тщательное протирание, промывание и продувание сжатым возду­хом рабочих частей вытяжных штампов перед штамповкой каждой партии деталей;

4) периодическая зачистка задиров, царапин, забоин и подварка их при необходимости;

5) применение рекомендуемых смазочных материалов при штамповке;

6) исключение перегрузок штампов, раздавливания частей штампов, разрыва матричных колец в результате заклинивания заготовки между пу­ансоном и матрицей;

7) соблюдение правил техники безопасности при монтаже и снятии штампов.

Масса штампов для изготовления днищ колеблется в широких преде­лах: от нескольких сот килограмм до десятков тонн.

Штампы массой свыше 3 т хранят непосредственно у прессов или в специальных закрытых помещениях, оборудованных подъемно-транспорт­ными устройствами.

При хранении крупных штампов предусматривают раздельное разме­щение унифицированных деталей, специальных накладок, специальных штампов согласно разработанной на предприятии планировке. Допускает­ся хранение специальных накладок и деталей унифицированных штампов одна на другой. Нижняя накладка располагается на деревянных брусьях размером 100x100 мм.

Вытяжные кольца рекомендуют хранить в вертикальном положении в специальных стеллажах с ячейками на каждое кольцо. Маркировка детелей и накладок должна быть выполнена на бирке или нанесена яркой краской на торцовые поверхности деталей штампов таким образом, чтобы обеспе­чить удобное нахождение необходимых деталей при настройке штампа на пресс.