PL211138B1 - Sposób plastycznego kształtowania wyrobów metalowych i przyrząd do plastycznego kształtowania wyrobów metalowych - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 211138 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 379860 (51) Int.Cl.

B21J 13/02 (2006.01) B21J 5/02 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 06.06.2006

Sposób plastycznego kształtowania wyrobów metalowych i przyrząd do plastycznego kształtowania wyrobów metalowych

	(73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 10.12.2007 BUP 25/07	(72) Twórca(y) wynalazku:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	FRANCISZEK GROSMAN, Ruda Śląska, PL KRZYSZTOF JAN KURZYDŁOWSKI, Warszawa, PL JACEK PAWLICKI, Katowice, PL
30.04.2012 WUP 04/12	LUCJAN TOMECKI, Mysłowice, PL
	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jerzy Woźnicki

PL 211 138 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób plastycznego kształtowania wyrobów metalowych i przyrząd do plastycznego kształtowania wyrobów metalowych, mający zastosowanie do kształtowania matrycowego metali i proszków metali.

W procesach kształtowania matrycowego podczas obróbki plastycznej metali następuje zwykle stopniowe spęczanie i formowanie materiału aż do uzyskania gotowego wykroju. Poprzez kucie i spęczanie polepsza się struktura i rozkład naprężeń wewnętrznych materiału a tym samym jego właściwości mechaniczne.

Spęczanie przeprowadza się zwykle w przyrządach przenoszących pionowy nacisk suwaka prasy na materiał poprzez stempel lub matrycę. Zastosowanie rowkowanej powierzchni stempla lub formowanie w matrycy powoduje wzrost sił tarcia na powierzchniach kontaktowych, co zwiększa obwodowe naprężenia rozciągające na powierzchni swobodnej materiału aż do przerwania spójności.

W procesie spęczania siły tarcia materiału o powierzchnię narzędzia utrudniają promieniowe przemieszczanie się cząstek materiału. Materiał na obwodzie przekroju bardziej oddalonego od powierzchni kontaktowych porusza się szybciej, a wartość nacisku jednostkowego na narzędzie jest wyższa w części środkowej, a zatem wyższe muszą być całkowite naciski jednostkowe aby uzyskać plastyczność w całej objętości materiału. W celu zmniejszenia nacisków i uzyskania lepszego rozkładu naprężeń wewnętrznych dąży się do zmniejszenia wpływu tarcia za pomocą środków zmniejszających tarcie, ruchów rewersyjnych wokół osi obciążenia przenoszonego poprzez narzędzia kształtujące, a takż e za pomocą narzędzi z powierzchniami roboczymi ukształ towanymi w formie stoż ka, które podczas obróbki obtaczają się po powierzchni materiału.

Z opisu patentowego PL 178830 znane jest urzą dzenie do odkształ cania plastycznego materiałów podczas kucia lub prasowania, wyposażone w matrycę połączoną poprzez mechanizm dźwigniowy i mimośród z silnikiem napędzający tak, aby spowodować ruch obrotowo-rewersyjny matrycy. W innym wykonaniu urządzenia ruch obrotowo-rewersyjny matrycy realizowany jest przez mechanizm złożony z dźwigni sztywno połączonej z oprawą matrycy i sprzęgniętej przegubowo z siłownikiem hydraulicznym lub pneumatycznym. Zaletą urządzenia jest możliwość plastycznego odkształcania na zimno lub gorąco materiałów małoplastycznych i o dużej wytrzymałości przy znacznie mniejszych siłach nacisku.

Z opisu patentowego PL 168040 znany jest sposób obniż enia sił y kucia poprzez nadanie stemplowi przemieszczającemu się posuwiście w kierunku kowadła dodatkowego ruchu obrotowego lub posuwisto-zwrotnego względem materiału umieszczonego na kowadle.

Przedstawione rozwiązania umożliwiają kształtowanie materiału przy zmniejszonym nacisku lub obniżonej sile kucia, jednak nie wpływają znacząco na zmniejszenie braków podczas kształtowania matrycowego, zwłaszcza w matrycach otwartych, powstających na skutek niekorzystnego rozkładu naprężeń obwodowych i promieniowych.

Sposób obróbki plastycznej metali, w którym materiał ściskany osiowo pomiędzy stemplem a matrycą poddaje się rewersyjnemu obciążaniu siłą wywołującą w odkształcanym materiale dodatkowe naprężenia ścinające, według wynalazku polega na tym, że dodatkowe naprężenia ścinające wprowadza się do ściskanego materiału poprzez ruch posuwisto-zwrotny matrycy w płaszczyźnie prostopadłej do osi nacisku stempla na materiał. Korzystnym jest, jeżeli pomiędzy stempel a materiał wprowadza się środki zwiększające tarcie, zwłaszcza poprzez rowkowanie powierzchni roboczej stempla.

Przyrząd do obróbki plastycznej z ruchomą matrycą, zaopatrzony w korpus, stempel zamocowany w górnej części korpusu, oprawę matrycy zamocowaną obrotowo w dolnej części korpusu, napęd oprawy matrycy, oraz mechanizm wymuszający rewersyjny ruch matrycy w płaszczyźnie prostopadłej do osi nacisku stempla, według wynalazku wyróżnia się tym, że oprawę matrycy stanowi pierścieniowy mechanizm mimośrodowy z obejmą ułożyskowaną w pierścieniu mimośrodowym wewnętrznym, przy czym matryca jest podparta w dolnej części korpusu na rolkach tocznych i osadzona w obejmie z luzem w kierunku normalnym do kierunku ruchu rolek tocznych.

Korzystnym jest, jeżeli pierścień mimośrodowy wewnętrzny jest osadzony ślizgowo w pierścieniu mimośrodowym zewnętrznym, zaś wielkość mimośrodu mechanizmu jest regulowana przez względny obrót obu pierścieni, przy czym mechanizm mimośrodowy jest zaopatrzony w pierścień sprzęgający ustalający wzajemne położenie pierścieni mimośrodowych oraz rygiel blokujący obrót mimośrodowego pierścienia wewnętrznego względem obejmy.

PL 211 138 B1

W korzystnym wykonaniu przyrzą du obejma ma prostoką tne wycięcie tworzą ce jarzmo górnej części matrycy. Ponadto stempel jest zaopatrzony w środki zwiększające tarcie powierzchni roboczej, zwłaszcza w postaci rowkowanej powierzchni roboczej stempla.

Inny przyrząd, zaopatrzony w korpus, stempel zamocowany w górnej części korpusu, matrycę zamocowaną w dolnej części korpusu, oraz napęd matrycy wymuszający rewersyjny ruch matrycy w płaszczyź nie prostopadłej do osi nacisku stempla, wyróżnia się tym, ż e napęd matrycy stanowią dwa siłowniki o naprzemiennym ruchu roboczym, usytuowane współosiowo w płaszczyźnie prostopadłej do osi stempla, przy czym matryca jest zamocowana pomiędzy tłoczyskami siłowników. Korzystnym jest, jeżeli matryca jest podparta przesuwnie w dolnej części korpusu, korzystnie na elementach tocznych, zaś stempel jest zaopatrzony w środki zwiększające tarcie powierzchni roboczej, zwłaszcza w postaci rowkowanej powierzchni roboczej stempla.

W wyniku ruchu posuwisto-zwrotnego matrycy, materiał ściskany pomiędzy stemplem a matrycą jest poddawany rewersyjnemu obciążaniu poprzeczną siłą wywołującą występowanie w odkształcanym materiale dodatkowych naprężeń ścinających, co wpływa na poprawę warunków wypełniania wykrojów matrycy, zmianę struktury i właściwości materiału, a w rezultacie na zmniejszenie ilości, wynikających z lokalnych efektów utraty spójności materiału, braków przy produkcji półfabrykatów. Przyrząd pozwala na regulację wielkości amplitudy i częstości przemieszczeń matrycy w zależności od charakterystyki obrabianego materiału poprzez zmianę mimośrodu mechanizmu mimośrodowego lub poprzez regulację skoku siłowników wywierających na matrycę nacisk poprzeczny do siły nacisku stempla.

Wynalazek jest objaśniony w przykładach wykonania uwidocznionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przyrząd widoku z boku, fig. 2 przedstawia usytuowanie mechanizmów przyrządu z fig. 1 w widoku z góry, a fig. 3 przedstawia schematycznie inny przyrząd w widoku z boku.

Jak przedstawiono na fig. 1, przyrząd posiada dwuczęściowy korpus, którego część dolną stanowi korpus dolny 1 a część górną stanowi korpus górny 2. W korpusie górnym 2 jest osadzony stempel 3, a w korpusie dolnym 1 jest umieszczona oprawa ruchomej matrycy 4. Matryca 4 jest podparta na listwie ślizgowej 13 i rolkach tocznych 14. Górna część matrycy 4 jest osadzona w obejmie 5 z luzem poprzecznym w płaszczyźnie pionowej prostopadłej do osi rolek tocznych 14. Obejma 5 ma kształt pierścieniowy z wewnętrznym prostokątnym otworem tworzącym jarzmo, w którym jest osadzona przesuwnie górna część matrycy 4. Ścianki jarzma usytuowane równolegle do płaszczyzny pionowej i osi rolek tocznych 14 tworzą prowadnice górnej części matrycy 4. Obejma 5 jest ułożyskowana w tocznym łożysku wewnętrznym 11 osadzonym wewnątrz pierścienia mimośrodowego wewnętrznego 10, który z kolei jest osadzony wewnątrz pierścienia mimośrodowego zewnętrznego 7. Wzajemne położenie obejmy 5 i pierścienia mimośrodowego wewnętrznego 10 w kierunku pionowym jest ustalone za pomocą pierścienia podtrzymującego 25. Wzajemne położenie obu pierścieni mimośrodowych jest ustalone za pomocą przymocowanego do nich rozłącznie pierścienia sprzęgającego 12. Pierścień mimośrodowy zewnętrzny 7 jest osadzony w łożysku tocznym zewnętrznym 6 spoczywającym na pierścieniu oporowym 9 podpartym w korpusie dolnym 1. Na obwodzie pierścienia mimośrodowego zewnętrznego 7 jest zamocowany wieniec zębaty 8 połączony przekładnią zębatą z napędem. Napęd stanowi silnik elektryczny 15. Szczegół A na fig. 1 przedstawia rowkowaną powierzchnię roboczą stempla 3.

Moment napędowy silnika przenoszony jest poprzez pierwsze sprzęgło 27 i wał napędowy 18 ułożyskowany w łożyskach poprzeczno-wzdłużnych 19 na pierwsze koło zębate 16 napędzające wieniec zębaty 8 zamocowany na obwodzie pierścienia mimośrodowego zewnętrznego 7. Pierścienie mimośrodowe i obejma 5 tworzą mechanizm mimośrodowy zamieniający ruch obrotowy oprawy na ruch posuwisto-zwrotny matrycy 4. Obrót zestawu pierścieni mimośrodowych, zewnętrznego 7 i wewnętrznego 10 powoduje ruch obejmy 5, za pośrednictwem łożyska wewnętrznego 11, wokół głównej osi przyrządu pokrywającej się z osią nacisku suwaka prasy i osią stempla 1. Ruch obejmy 5 wymusza ruch posuwisto-zwrotny matrycy 4 przekazywany przez ścianki jarzma tworzące jej prowadnice. Wielkość luzu poprzecznego matrycy 4 w obejmie 5 wyznaczona jest przez maksymalną wielkość mimośrodu zestawu pierścieni mimośrodowych.

Przyrząd umożliwia płynną regulację wielkości mimośrodowości, a w efekcie amplitudy przemieszczeń w ruchu posuwisto-zwrotnym matrycy 4. W celu umożliwienia dokładnej nastawy wielkości mimośrodu, przyrząd wyposażony jest w tarczę wskaźnikowo-nastawczą 23 połączoną przekładnią zębatą z pierwszym kołem zębatym 16 poprzez drugie sprzęgło 26.

PL 211 138 B1

Nastawa mimośrodowości poprzedzona jest zdjęciem pierścienia sprzęgającego 12, zablokowaniem obrotu pierścienia mimośrodowego wewnętrznego 10 względem obejmy 5 przez założenie rygla 24, oraz rozłączeniem pierwszego sprzęgła 27 i załączeniem drugiego sprzęgła 26. Zmiana wielkości mimośrodu jest realizowana poprzez obrót tarczy wskaźnikowo-nastawczej 23 zamocowanej na wałku 21, na którym osadzone jest drugie koło zębate 20 zazębione z pośrednim kołem zębatym 17. Pośrednie koło zębate 17 przekazuje za pośrednictwem drugiego sprzęgła 26 moment obrotowy na pierwsze koło zębate 16 zazębione z wieńcem zębatym 8. Zablokowanie możliwości obrotu pierścienia mimośrodowego wewnętrznego 10 oraz zdjęcie pierścienia sprzęgającego 12 pozwala na zmianę mimośrodowości wypadkowej zestawu pierścieni mimośrodowych. Następuje to poprzez obrót o określony kąt pierścienia mimośrodowego zewnętrznego 7 względem pierścienia mimośrodowego wewnętrznego 10. Po dokonaniu nastawy wielkości mimośrodowości zakładany jest pierścień sprzęgający 12 i usuwany rygiel 24. Usytuowanie rygla 24 względem innych elementów oprawy oraz przemieszczenie matrycy względem osi głównej jest widoczne na fig. 2, gdzie przesunięcie e oznacza połowę amplitudy przemieszczeń. Po ustaleniu wielkości skoku ruchu posuwisto-zwrotnego oprawy matrycy 4 rozłącza się drugie sprzęgło 26 i załącza pierwsze sprzęgło 27.

Działanie przyrządu jest następujące. Moment obrotowy przekazywany z napędu na wieniec zębaty 8 jest zamieniany przez mechanizm mimośrodowy na ruch posuwisto-zwrotny matrycy 4. W wyniku tego ruchu, materiał ściskany pomiędzy stemplem a matrycą jest poddawany rewersyjnemu obciążaniu poprzeczną siłą wywołującą występowanie w odkształcanym materiale dodatkowych naprężeń ścinających, co wpływa na poprawę warunków wypełniania wykrojów matrycy, zmianę struktury i właściwości materiału, a w rezultacie na zmniejszenie ilości, wynikających z lokalnych efektów utraty spójności materiału, braków przy produkcji półfabrykatów. Przyrząd pozwala na bezstopniową regulację wielkości amplitudy i częstości przemieszczeń oprawy matrycy, a zastosowany mechanizm mimośrodowy umożliwia duży przyrost obciążenia poprzecznego matrycy przy małej amplitudzie przemieszczeń. Zastosowanie na powierzchni roboczej stempla 3 rowkowania lub innych środków zwiększających tarcie zwiększa efektywność prowadzenia procesu i sprzyja tworzeniu uporządkowanych obszarów struktury dyslokacyjnej w całej objętości materiału.

Inny przyrząd, przedstawiony na fig. 3 posiada dwuczęściowy korpus złożony z korpusu dolnego 1 i korpusu górnego 2. W korpusie górnym 2 jest osadzony stempel 3, a w korpusie dolnym 1 jest umieszczona ruchoma matryca 4 zamocowana pomiędzy tłoczyskami siłowników 41, 42, lewego i prawego, o naprzemiennym ruchu roboczym, przenoszących na przemian nacisk poprzeczny siłowników wzdłuż osi prostopadłej do osi stempla 3. Matryca 4 jest podparta w korpusie dolnym 1 za pomocą elementów ślizgowych lub tocznych nie pokazanych na rysunku. Szczegół B na fig. 3 przedstawia rowkowaną powierzchnię roboczą stempla 3.

Działanie przyrządu jest następujące. Naprzemienne działanie siłowników powoduje rewersyjny ruch posuwisto-zwrotny matrycy 4 o amplitudzie przemieszczeń zależnej od długości skoku siłowników. Przesunięcie e oznacza połowę amplitudy przemieszczeń. W wyniku tego ruchu, materiał ściskany pomiędzy stemplem 3 a matrycą 4 jest poddawany rewersyjnemu obciążaniu poprzeczną siłą wywołującą występowanie w odkształcanym materiale dodatkowych naprężeń ścinających, co wpływa na poprawę warunków wypełniania wykrojów matrycy, zmianę struktury i właściwości materiału, a w rezultacie na zmniejszenie ilości, wynikających z lokalnych efektów utraty spójności materiału, braków przy produkcji półfabrykatów. Zastosowanie siłowników o regulowanej długości skoku pozwala na regulację wielkości amplitudy i częstości przemieszczeń matrycy odpowiednio do wrażliwości materiału na prędkość odkształcania i parametrów charakteryzujących strukturę materiału, od których zależy wartość naprężeń uplastyczniających. Zastosowanie środków zwiększających tarcie pomiędzy powierzchnię kontaktową stempla 3 a materiałem zwiększa efektywność prowadzenia procesu i sprzyja tworzeniu uporządkowanych obszarów struktury dyslokacyjnej w całej objętości materiału.

W procesie kucia matrycowego na zimno odkuwek z miedzi, dla prędkości kucia 1 mm/sek., częstotliwości wychyleń 2 HZ i amplitudy wychylenia 2 mm, siła kucia była 2-krotnie mniejsza od siły w warunkach kucia konwencjonalnego, przy czym zostało całkowicie wyeliminowane pękanie materiału, nawet dla gniotu względnego 90%.

Dalsze zwiększenie efektywności prowadzenia procesu można uzyskać przez podwyższenie temperatury materiału a w rezultacie spadek naprężenia uplastyczniającego.

PL 211 138 B1

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki plastycznej metali, w którym materiał ściskany osiowo pomiędzy stemplem a matrycą poddaje się rewersyjnemu obciążaniu siłą wywołującą w odkształcanym materiale dodatkowe naprężenia ścinające, znamienny tym, że naprężenia ścinające wprowadza się do ściskanego materiału poprzez ruch posuwisto-zwrotny matrycy (4) w płaszczyźnie prostopadłej do osi nacisku stempla (3) na materiał.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy stempel (3) a materiał wprowadza się środki zwiększające tarcie, zwłaszcza poprzez rowkowanie powierzchni roboczej stempla (3).
3. 3. Przyrząd do obróbki plastycznej z ruchomą matrycą, zaopatrzony w korpus, stempel zamocowany w górnej części korpusu, oprawę matrycy zamocowaną obrotowo w dolnej części korpusu, napęd oprawy matrycy, oraz mechanizm wymuszający rewersyjny ruch matrycy w płaszczyźnie prostopadłej do osi nacisku stempla, znamienny tym, że oprawę matrycy (4) stanowi pierścieniowy mechanizm mimośrodowy z obejmą (5) ułożyskowaną w pierścieniu mimośrodowym wewnętrznym (10), przy czym matryca (4) jest podparta w dolnej części korpusu na rolkach tocznych (14) i osadzona w obejmie (5) z luzem w kierunku normalnym do kierunku ruchu rolek tocznych (14).
4. 4. Przyrząd według zastrz. 3, znamienny tym, że pierścień mimośrodowy wewnętrzny (10) jest osadzony ślizgowo w pierścieniu mimośrodowym zewnętrznym (7), zaś wielkość mimośrodu mechanizmu jest regulowana przez względny obrót obu pierścieni, przy czym mechanizm mimośrodowy jest zaopatrzony w pierścień sprzęgający (12) ustalający wzajemne położenie pierścieni mimośrodowych oraz rygiel (24) blokujący obrót mimośrodowego pierścienia wewnętrznego (10) względem obejmy (5).
5. 5. Przyrząd według zastrz. 3, znamienny tym, że obejma (5) ma prostokątne wycięcie tworzące jarzmo górnej części matrycy (4).
6. 6. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że stempel (3) jest zaopatrzony w środki zwiększające tarcie powierzchni roboczej, zwłaszcza w postaci rowkowanej powierzchni roboczej stempla (3).
7. 7. Przyrząd do obróbki plastycznej z ruchomą matrycą, zaopatrzony w korpus, stempel zamocowany w górnej części korpusu, matrycę zamocowaną w dolnej części korpusu, oraz napęd matrycy wymuszający rewersyjny ruch matrycy w płaszczyźnie prostopadłej do osi nacisku stempla, znamienny tym, że napęd matrycy (4) stanowią dwa siłowniki (41, 42) o naprzemiennym ruchu roboczym, usytuowane współosiowo w płaszczyźnie prostopadłej do osi stempla (3), przy czym matryca (4) jest zamocowana pomiędzy tłoczyskami siłowników (41, 42).
8. 8. Przyrząd według zastrz. 6, znamienny tym, że matryca (4) jest podparta przesuwnie w dolnej części korpusu, korzystnie na elementach tocznych.
9. 9. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że stempel (3) jest zaopatrzony w środki zwiększające tarcie powierzchni roboczej, zwłaszcza w postaci rowkowanej powierzchni roboczej stempla (3).