PL240916B1 - Urządzenie do kształtowania kołnierza wału - Google Patents

Description

PL 240 916 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do kształtowania kołnierza wału z wykorzystaniem narzędzi wykonujących ruch obiegowy.

Dotychczas znane i stosowane są metody wytwarzania wałów stopniowanych. Do najczęściej spotykanych zalicza się kucie matrycowe oraz walcowanie wzdłużne i poprzeczne. Szczegółowo procesy walcowania poprzecznego i poprzeczno-klinowego odkuwek stopniowanych wałków opisano w literaturze autorstwa Pater Z. „Walcowanie poprzeczno-klinowe”, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2009 r. Przedstawione w książce metody kształtowania odkuwek bazują na procesach walcowania poprzeczno-klinowego, w których wykorzystuje się narzędzia w kształcie płaskich klinów lub walców, na obwodzie których umieszczone są klinowe powierzchnie robocze. W procesie walcowania wzajemnie przemieszczające się narzędzia wciskają się we wsad i wprawiają go w ruch obrotowy, kształtując kolejne stopnie na odkuwce.

Znane są również sposoby walcowania wzdłużnego oraz skośnego odkuwek stopniowanych wałków, które opisano w książce autorstwa Lisowski J. pt. „Walcowanie kuźnicze”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1974 r. Przedstawione w książce procesy walcowania wzdłużnego polegają na kształtowaniu odkuwek między dwoma obracającymi się w przeciwnych kierunkach walcami, na powierzchni których wykonane są wykroje, które kształtem odpowiadają zarysowi walcowanej odkuwki. W trakcie procesu narzędzia cyklicznie formują na powierzchni odkuwki okresowo powtarzające się kształty. Cechą charakterystyczną walcowania wzdłużnego odkuwek jest realizacja procesu w kilku wykrojach, w których stopniowo redukuje się przekrój poprzeczny półfabrykatu. Stosowane są również procesy walcowania śrubowego odkuwek stopniowanych, w których półfabrykat w kształcie pręta o przekroju kołowym umieszcza się w wykroju, utworzonym przez klinowe występy umieszczone śrubowo na obwodzie walców. Pod wpływem obrotu walców półfabrykat wprawiany jest w ruch obrotowy i postępowy, a umieszczone na narzędziach występy kształtują poszczególne stopnie odkuwki.

Znana jest również technologia wytwarzania stopniowanych wałków metodą przepychania. Proces przepychania polega na wywieraniu nacisku na materiał umieszczony najczęściej w stożkowym narzędziu o mniejszym przekroju otworu, co powoduje przepchnięcie wsadu przez ten otwór skutkujące zmniejszeniem przekroju i jednoczesnym wydłużeniem kształtowanego materiału. Proces można prowadzić również przeciskając narzędzie przez wyrób. Własności wyrobów przepychanych na zimno są zróżnicowane na długości. Przepychanie realizuje się przeważnie w celu zmniejszenia średnicy tylko na pewnym odcinku (do wyrobów stopniowanych). Ta część materiału, która jest odkształcana podlega umocnieniu odkształceniowemu. Zatem część wyrobu o mniejszym przekroju ma lepsze własności mechaniczne niż część nieodkształcona. Do korzystnych cech wyrobów przepychanych na zimno należy zaliczyć dobrą jakość powierzchni, dużą dokładność wymiarową oraz małe naddatki na obróbkę mechaniczną. Wadą, która może się pojawić w procesie przepychania, jest utrata prostoliniowości (wygięcie, skrzywienie) wyrobu. Proces przepychania analizowano m.in. w pracach: Srinivasan K., Venugopal P.: Adiabatic and friction heating on the open die extrusion of solid and hollow bodies, Journal of Materials Processing Technology, vol. 70, 1997, no. 1-3, pp.170-177; Srinivasan K., Venugopal P.: Direct and inverted open die extrusion (ODE) of rods and tubes, Journal of Materials Processing Technology, vol. 153-154, 2004, pp.765-770; Zhaohui H., Peifu F.: Solution to the bulging problem in the open-die cold extrusion of a spline shaft of relevant photoplastic theoretical study, Journal of Materials Processing Technology, vol. 114, 2001, no. 3, pp.185-188.

Kolejną metodą umożliwiającą wytwarzanie stopniowanych wałów jest kucie w matrycach łupkowych. Przyrządy tego typu należą do grupy narzędzi dzielonych, gdzie matryce kuźnicze wykonuje się w postaci dwóch wkładek złożonych w trakcie kucia, a rozkładanych w momencie wyjmowania odkuwki z matrycy. Konstrukcja tego typu narzędzi różni się od tradycyjnych konstrukcji matryc otwartych. Przyrządy takie buduje się jako składane i dokonuje ich zabudowy głównie na prasach śrubowych lub hydraulicznych wyposażonych w wyrzutnik w stole prasy. Matryce łupkowe należą do grupy narzędzi przeznaczonych do kucia zamkniętego, ponieważ płaszczyzna podziału matryc w tym przypadku przebiega tak, aby wykroje w czasie całego procesu kucia tworzyły przestrzeń zamkniętą. Jednym z zasadniczych elementów matrycy dzielonej są wkładki matrycowe, tzw. „łupki”, które wykonuje się w postaci stożka przeciętego na dwie symetryczne połowy wzdłuż swojej osi wzdłużnej. Konstrukcja taka charakteryzuje się otrzymaniem dodatkowego podziału matrycy w płaszczyźnie pionowej. Dzięki temu po wypełnieniu wykroju możliwe jest wyjęcie z matrycy odkuwki bez pochyleń lub z ujemnymi pochyleniami kuźniczymi.

PL 240 916 B1

Szczegółowe informacje na temat kucia w matrycach łupkowych przedstawiono w publikacji: Gontarz A., Myszak R.: Forming of external steps of shafts in three slide forging press, Archives of Metallurgy and Materials 55, 2010, 689-694, lub w książce: Gontarz A.: Efektywne procesy kształtowania w trójsuwakowej prasie kuźniczej, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2005.

Kształtowanie wałów stopniowanych możliwe jest również metodą spęczania na stożki przejściowe. Informacje dotyczące procesu można odnaleźć np. w książce: Wasiunyk P.: Kucie na kuźniarkach, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1973 czy też w publikacji: Gokler M.I., Darendeliler H., Elmaskaya N.: Analysis of tapered preforms in cold upsetting, International Journal of Machine Tools & Manufacture 39 ,1999, pp. 1-16.

Odkuwki wałów stopniowanych można kształtować także metodą wyciskania promieniowego. W procesie tym materiał płynie w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu stempla. Wyciskanie stopnia wału może odbywać się w wykroju zamkniętym bądź otwartym. Przykłady realizacji takich procesów przedstawiono m.in. w publikacjach: Balendra R., Qin Y.: Injection forging: engineering and research. Journal of Materials Processing Technology, 2004, vol. 145, s. 189-206; Du Ko B., Joon Kim D., Hyung Lee S., Bok Hwang B.: The influence of die geometry on the radial extrusion processes. Journal of Materials Processing Technology, 2001, vol. 113, s. 109-114; Qin Y., Balendra R.: Optimisation of the lubrication for the extrusion of solid and tubular components by injection forging. Journal of Materials Processing Technology, 2003, vol. 135, s. 219-227, z których rysunki przedstawiono w stanie techniki.

Dotychczasowe rozwiązania umożliwiające kształtowanie kołnierzy wałów bazują głównie na procesach walcowania lub kucia w wykrojach zamkniętych lub otwartych. Brak jest rozwiązań, w których proces kucia połączony jest z procesem walcowania, co jest przedmiotem zgłoszenia patentowego.

Istotą urządzenia do kształtowania kołnierza wału posiadającego podstawę oraz matrycę górną w kształcie pierścienia, w której od góry znajduje się stempel ułożone w jednej osi urządzenia jest to, że pomiędzy podstawą a matrycą górną znajduje się przestrzeń, w której na obwodzie znajdują się co najmniej dwie rolki. Każda z rolek osadzona jest na wale o osi obrotu równoległej do osi urządzenia. Dolny koniec każdego wału osadzony jest obrotowo w napędzanym jarzmie obracającym się dokoła osi urządzenia.

Korzystnie na wale osadzone jest pierwsze koło zębate, które zazębione jest z uzębieniem znajdującym się na zewnętrznej powierzchni walcowej podstawy.

Alternatywnie każdy wał połączony jest zwałem silnika.

W odmianie wykonania rolka na swojej zewnętrznej walcowej powierzchni posiada stopnie. Możliwe jest, aby na zewnętrznej powierzchni walcowej rolki znajdował się wykrój kształtowy lub występ kształtowy. Opcjonalnie na czołowej powierzchni stempla od strony wsadu w postaci walca znajduje się występ lub znajduje się wykrój.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest to, że umożliwia kształtowanie kołnierza wału metodą, w której narzędzia (rolki) wykonują ruch obiegowy. Dzięki temu rolki współtworzące wykrój mają kontakt z materiałem odkształcanym na małej i zmiennej powierzchni, co powoduje, że siła kształtowania przyłożona do stempla jest mniejsza niż w przypadku kształtowania w wykroju zamkniętym. Dzięki temu uzyskuje się lepsze wypełnienie wykroju i zwiększa się trwałość narzędzi.

Wynalazek w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym: fig. 1a przedstawia urządzenie w widoku perspektywicznym w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 1b - urządzenie w widoku perspektywicznym w drugim przykładzie wykonania, fig. 2 - urządzenie w widoku z góry w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 3 - urządzenie w przekroju wzdłuż linii A1-A1 w początkowej fazie procesu w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 4 - urządzenie w przekroju wzdłuż linii A2-A2 w końcowej fazie procesu, w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 5 - widok perspektywiczny rolki w przykładzie wykonania, fig. 6a - widok perspektywiczny stempla w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 6b - widok perspektywiczny stempla w drugim przykładzie wykonania, fig. 6c - widok perspektywiczny stempla w trzecim przykładzie wykonania, fig. 7a - widok perspektywiczny wsadu w postaci walca, fig. 7b - widok perspektywiczny wału po procesie kształtowania.

Urządzenie do kształtowania kołnierza wału w pierwszym przykładzie wyk onania przedstawionym na fig. 1 a, 2, 3, 4 składa się z podstawy 1, matrycy górnej 2, stempla 3, rolek 4a, 4b, 4c, wałów 5a, 5b, 5c, kół zębatych 6a, 6b, 6c, uzębienia podstawy 7, jarzma 8. Pomiędzy podstawą 1 a matrycą

Claims (8)

1. PL 240 916 B1 górną 2 znajduje się przestrzeń, w której na obwodzie znajdują się trzy rolki 4a, 4b, 4c, rozmieszczone co kąt 120° wokół osi urządzenia X. Każda rolka 4a, 4b, 4c osadzona jest na wale 5a, 5b, 5c, o osi obrotu Y równoległej do osi urządzenia X. Na każdym zwałów 5a, 5b, 5c osadzone jest pierwsze koło zębate 6a, 6b, 6c, które zazębione jest z uzębieniem 7 znajdującym się na zewnętrznej powierzchni walcowej podstawy 1. Każdy dolny koniec wału 5a, 5b, 5c osadzony jest obrotowo w otworze znajdującym się w napędzanym jarzmie 8.

   Urządzenie do kształtowania kołnierza wału w drugim przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1b posiada budowę analogiczną jak w pierwszym przykładzie wykonania z tym, że nie posiada kół zębatych osadzonych na wale 5a, 5b, 5c i uzębienia 7 znajdującego się na zewnętrznej powierzchni walcowej podstawy 1, ale posiada zamocowane do górnego końca każdego z wałów 5a, 5b, 5c silniki 9a, 9b, 9c.

   Kształtowanie kołnierza wału w przykładzie realizacji zostało przeprowadzone z wykorzystaniem urządzenia omówionego w pierwszym przykładzie wykonania i polegał on na tym, że wsad ze stali 42CrMo4 według normy „PN-EN 10083-1 + A1:1999 + Ap 1: 2003” w postaci walca 10a wprowadzono do otworu znajdującego się w matrycy górnej 2, opierając go o podstawę 1, dociskając stemplem 3. Pomiędzy podstawą 1 i matrycą górną 2 pozostawiono przestrzeń. Następnie naciskano stemplem 3 na wsad w postaci walca 10a w celu spęczenia. Wprowadzono również rolki 4a, 4b, 4c znajdujące się w przestrzeni w ruch obiegowy wokół osi urządzenia X i ruch obrotowy wokół osi obrotu Y w jednym kierunku. Ruch rolek 4a, 4b, 4c jest skutkiem obrotu jarzma 8 i zazębienia kół zębatych 6a, 6b, 6c, osadzonych wspólnie na wale 5a, 5b, 5c z rolkami 4a, 4b, 4c, z uzębieniem 7 podstawy 1.

   W skutek tego nastąpiło spęczenie materiału w pustej przestrzeni i po zetknięciu się spęczanego materiału z powierzchnią rolek 4a, 4b, 4c na skutek ich ruchu obiegowego i obrotowego następowało kalibrowanie kołnierza wału 10b.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do kształtowania kołnierza wału posiadające podstawę (1) oraz matrycę górną (2) w kształcie pierścienia, w której od góry znajduje się stempel (3) ułożone w jednej osi urządzenia (X), znamienne tym, że pomiędzy podstawą (1) a matrycą górną (2) znajduje się przestrzeń, w której na obwodzie znajdują się co najmniej dwie rolki (4a, 4b, 4c), z których każda osadzona jest na wale (5a, 5b, 5c), o osi obrotu (Y) równoległej do osi urządzenia (X), a dolny koniec każdego wału (5a, 5b, 5c) osadzony jest obrotowo w napędzanym jarzmie (8) obracającym się dokoła osi urządzenia (X).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że na wale (5a, 5b, 5c) osadzone jest pierwsze koło zębate (6a, 6b, 6c), które zazębione jest z uzębieniem (7) znajdującym się na zewnętrznej powierzchni walcowej podstawy (1).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że każdy wał (5a, 5c) połączony jest z wałem silnika (9a, 9c).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3 znamienne tym, że rolka (4a, 4b, 4c) na swojej zewnętrznej walcowej powierzchni posiada stopnie.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3 znamienne tym, że na zewnętrznej powierzchni walcowej rolki (4c) znajduje się wykrój kształtowy (A).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3 znamienne tym, że na zewnętrznej powierzchni walcowej rolki (4a) znajduje się występ kształtowy (B).
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3 znamienne tym, że na czołowej powierzchni stempla (3) od strony wsadu w postaci walca (10a) znajduje się występ (C).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3 znamienne tym, że na czołowej powierzchni stempla (3) od strony wsadu w postaci walca (10a) znajduje się wykrój (D).