Изготовление технологического оборудования обработкой давлением

Поскольку по заданию требуется изготовить 50 днищ, целесообразно вести раскрой одновременно нескольких днищ, например, пяти. По ГОСТ 19903-74 выбираем лист 12x2300x4500. Располагаем на нем части пяти днищ так, как показано на рис. 6. Второй вариант раскроя будет давать меньше отходов, т.е. удалось уменьшить отходы металла более чем в 2,5 раза. Но этот вариант раскроя связан с выполнением дополнительных операций сборки и сварки частей круга.

Окончательный ответ может быть дан, если произвести расчет расходов на изготовление заготовки в рублях.

14.1 Определение способа вырезки заготовки днища из листового проката

Возможны два варианта: на ножницах или термической резкой:

1) для вырезки кругов из листового металла используют парнодисковые ножницы. При толщине листа 12 мм применение парнодисковых ножниц возможно;

2) возможностью использования одного из способов термической резкой (кислородной, плазменной и др.) без последующей обработка кромок оценивается чувствительность разрезаемой стали к изменению свойств в зоне реза или, как принято считать, чувствительностью стали к термическому циклу резки.

Приближенная оценка может быть сделана на основе химического состава стали. Известные зависимости между химическим составом стали и ее свойствами в зоне реза выражается следующим образом.

Рис. 50. Пример раскроя сварной заготовки днища



Рис. 51. Расположение частей днища на листе

Если сталь содержит углерода до 0,35 % и его эквивалентное значение не превышает 0,65 %, то значительных изменений свойств в зоне реза, требующих дополнительных операций, при термической резке такой стали не происходит.

Эквивалентное содержание углерода подсчитывается по формуле

Сэкв = С + 0,16Mn + 0,3(Si + Mo) + 0,4Cr + 0,2V + 0,4(Ni + Cu),

где символы элементов означают содержание их в весовых процентах.

Для нашей стали абсолютное содержание углерода С = 0,23%, а

Сэкв = 0,23 + 0,30*0,35 + 0,16*1,29 = 0,541,

что меньше 0,65. Следовательно, может быть применена и термическая резка. Окончательный выбор способа резки связан с особенностями данного производства (наличием оборудования, квалификацией рабочих, стоимостью операций резки и др.).

Определение усилия штамповки

Расчетная температура S = 12 мм составляет 700 °С, при этом у_в^t = 9,2 кг/мм².

=110,3-184,4 т.

Усилие гидропресса будет в пределах - 110-190 т. Следовательно, для штамповки днищ по заданию необходимо иметь гидравлический пресс мощностью не менее 200 т и расстоянием между колоннами не менее 1600 мм.

14.2 Определение рациональной схемы штамповки

Перед разработкой технологического процесса штамповки определяют его рациональную схему.

Критериями выбора схемы штамповки днищ являются:

относительная толщина (S/D_B);

относительная глубина (H/D_B); штампуемость материала.

При выборе рациональной схемы штамповки решаются следующие задачи.

1. Выбирается число переходов штамповки.

2. Определяются теоретические параметры технологических переходов.

3. Выбирается конструктивная схема штампа.

4. Рассчитываются силовые параметры процесса штамповки.

5. Выбирается прессовое оборудование.

6. Выбирается смазочный материал и место его нанесения.

Выбор числа переходов при штамповке

Как правило, подавляющее большинство днищ изготавливается за один переход и только весьма сложные детали и днища из высоколегированных сталей изготавливаются за два или несколько переходов. При этом большую роль играет экономичность процесса (излишний нагрев, последующая термообработка).

Основным фактором при выборе числа переходов является наибольшее использование пластических свойств материала, однако с таким расчетом, что при штамповке напряжение в материале не превосходило его временного сопротивления и не было бы нежелательных больших утонений в готовом изделии.

Критерием в этом случае является максимальная степень деформации, которую определяют по следующим формулам: для первой операции

(7) для последующих операций

(8)

где е1 и е_п- степень деформации при вытяжке на первой и последующих переходах;

Dзаг - диаметр плоской заготовки;

Di и D_n - диаметры заготовки после первой и n-й вытяжки;

mi и m_n - коэффициенты вытяжки, равные: для первого перехода mi = Di/D_3ar; для n-го перехода m_n = D_n/D_n_].

При штамповке днищ сложной конфигурации в них могут быть отдельные участки, где происходит локальная максимальная деформация, нередко приводящая к разрыву материала. Разрушение можно предотвратить либо увеличением толщины заготовки, либо введением второго перехода с набором металла в этих листах или конструктивным изменением днища.

Чем меньше абсолютная величина коэффициента вытяжки за одну вытяжку, тем более полно используются пластические свойства металла.

Лекция № 15. Выбор конструктивной схемы штампа и прессового оборудования

Конструктивная схема штампа для вытяжки выбирается в зависимости от способа вытяжки с учетом создания благоприятного условия для уменьшения потери устойчивости заготовки в процессе вытяжки.

а). Прямая вытяжка без прижима фланцевой части заготовки осуществляется в основном за один переход, или "напровал", или в "упор" рис в соответствии с рисунком 5 . Таким образом, изготовляются толстостенные днища (D_B/S).

Рисунок 5 - Конструктивные схемы штампов для прямой вытяжки без прижима фланцевой части заготовки: а - "напровал"; б-"в упор"

б). Прямая вытяжка с прижимом фланцевой части заготовки применяется при вытяжке тонкостенных и особо тонкостенных днищ D_B/S > 80.

Конструктивные схемы штампов для прямой вытяжки днищ с прижимом приведены на рисунке 6.



Рисунок 6 - Штампы для вытяжки с верхним прижимом на прессах простого действия:

а - с механической скобой нижнего действия; б - верхнего действия

Наиболее распространен в химическом и нефтяном машиностроении способ штамповки "напровал", который приведен на рисунке 5, а.

Прижим фланцевой части заготовки может быть как верхний, так и нижний, как механическим, так и гидравлическим.

Работы, проведенные советскими учеными-исследователями Е.Н. Мошниным, В.Д. Головлевым, Л.Н. Шофманом, В.П. Лукьяновым, показывают, что для обеспечения устойчивости формы и размеров заготовки в процессе вытяжки необходимо создавать оптимальное усилие прижима, которое является переменным в течение вытяжки.

В.П. Лукьяновым создана штамповал оснастка с механическим и гидравлическим прижимом фланцевой части заготовки, конструктивные схемы которой приведены на рисунке 6. Штамп с регулируемым гидравлическим прижимом снабжен механизированным устройством для прижима фланцевой части заготовки. Штамповку днищ осуществляют следующим образом. Заготовку устанавливают на протяжное кольцо, обеспечивая определенный (гарантированный) зазор между рабочей плоскостью складко держателя и ее поверхностью (величину зазора устанавливают согласно данным работы [3]). Затем с помощью цепей (или тросов), закрепленных на верхней траверсе пресса, опускают складко держатель. При этом штыри входят в У-образные пазы, обеспечивая надежную цент-рацию соосных отверстий складко держателя и корпуса матрицы. С помощью редукционного колена и пневмораспределителей, воздух подают в полость А пневмоцилиндров, при этом запирающие клинья перемещаются вправо, зажимая складкодержатель и корпус матрицы. Затем подвижную траверсу пресса опускают, и пуансон формует заготовку. После окончания штамповки пневмоделителями подают воздух в полость пневмоцилиндров, разжимая запирающие клинья. При ходе пуансона вверх съемником удаляются с пуансона отштампованные днища и складкодержатель возвращают в исходное положение.

Применительно к гидравлическим прессам двойного действия создана штамповая оснастка, обеспечивающая регулирование усилия прижима фланца заготовки в зависимости от относительного хода пуансона.

К недостаткам всех вышеназванных конструкций штампов и устройств для создания переменного усилия прижима фланцевой части заготовки в процессе вытяжки можно отнести следующие:

сложность регулирования усилия прижима (в случаях механического прижима);

запаздывание и погрешность значений усилий прижима вследствие температурного воздействия на свойства жидкостей гидросистемы (при гидравлическом прижиме);

низкая жесткость и износостойкость прижимных колец;

низкая износостойкость запирающих клиньев (при гидравлическом прижиме);

малая универсальность устройств и штампа.

Уфимским нефтяным институтом разработана оригинальная конструкция штампа с устройством для создания оптимального усилия прижима фланцевой части заготовки в процессе вытяжки Q на прессах простого и двойного действия.

Разработанный штамп состоит из пуансона и матрицы, выполненной в виде протяжного кольца, помещенного в корпусе. На матрицу установлен прижим, имеющий верхнюю и нижнюю части, между которыми расположены пакеты тарельчатых пружин. На верхней части прижима фиксируются кулачки , профили которых описывают кривую оптимального усилия прижима фланцевой части заготовки в течение всего про-цесса вытяжки.

Крепление кулачков на верхней части прижима осуществляется с помощью валов посредством серег. К верхней плите кулачки крепятся с помощью рычагов в Т-образных пазах штифтами. Серьги позволяют перемещаться кулачкам относительно верхней части прижима лишь в вертикальном направлении на величину, определяемую высотой профиля кулачка. По окончании процесса вытяжки серьги способствуют движению рычагов кулачков в первоначальное положение за счет веса прижима при движении верхней плиты вверх.

С корпусом матрицы кулачки соединяются с помощью штоков, надетых на валы и установленных в вертикальных соосных отверстиях частей прижима и корпуса. Фиксируются штоки посредством захватов, которые, в свою очередь, закреплены на корпусе матрицы с помощью шпилек.

Штамповку днищ осуществляют следующим образом. Заготовку устанавливают на матрицу. При перемещении ползуна пресса вместе с закрепленной на нем верхней плитой, пуансоном и кулачками штоки перемещаются в отверстиях верхней и нижней частях прижима и входят в отверстия на корпусе матрицы. В момент соприкосновения нижней части прижима с заготовкой движение ползуна прекращается. В это время захваты заводятся в выточки на нижней части прижима, создавая начальное усилие прижима. При дальнейшим движении ползуна пресса вниз рычаги кулачков перемещаются в Т-образных пазах к периферийной части верхней плиты. В это время кулачки поворачиваются на валах и давят на верхнюю часть прижима. Верхняя часть прижима сжимает тарельчатые пружины, которые обеспечивают равномерное возрастание усилия прижима по профилю кулачка.

Съем отштампованного днища с пуансона осуществляется за счет применения составной конструкции пуансона, содержащей сферическую и цилиндрическую части. Цилиндрическая часть пуансона после выхода заготовки из-под прижима упирается буртом в нижнюю часть прижима и останавливается, а сферическая часть с отштампованным днищем продолжает движение вниз. В результате этого осуществляется выдвижение цилиндрической части днища с пуансона, благодаря чему отштампованное днище далее не удерживается на пуансоне и падает внутрь матричного стола. Затем захваты отводятся за ручки в первоначальное положение, освобождая выточки на нижних частях штока.

Процесс штамповки заканчивается при движении верхней плиты вместе с прижимом вверх и создании зазора между нижней частью прижима и матрицей для укладки очередной заготовки. Движение плиты вверх осуществляется с помощью тяг, закрепленных одним концом на нижней части прижима, а другим - на подвижной траверсе пресса.

Применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить энергоемкость процесса изготовления днищ. Это достигается за счет использования для прижима фланцевой части заготовки усилия основного ползуна пресса, вследствие чего отпадает необходимость применения для этого специальных приспособлений и приводов. Кроме того, за счет равномерного распределения усилия прижима по всей поверхности повышается жесткость и износостойкость прижима. Следует также отметить, что использование разработанного устройства дает возможность создавать оптимальное усилие прижима фланцевой части заготовки при вытяжке как на гидравлических, так и на механических прессах без применения дополнительных приспособлений. Универсальность устройства обеспечивается применением сменных профилей рабочей части кулачка.

Проведенные испытания показали, что на протяжении всего цикла вытяжки обеспечивается хорошая устойчивость заготовки. Гофры и выпучины отсутствуют, утонение стенки не превышает 1-2%.

Кроме прижима существуют и другие способы, предотвращающие потерю устойчивости заготовки при вытяжке днищ:

вытяжка с двойным перегибом;

вытяжка с перетяжными порогами;

вытяжка с дополнительным сферическим прижимом на радиусе закругления матрицы;

вытяжка из заготовки, толщина которой выше расчетной, или же вытяжка с технологическими прокладками;

вытяжка из заготовки с кольцевыми ребрами жесткости на участке, свободном от штампа;

одновременная вытяжка нескольких заготовок;

вытяжка за несколько проходов.

Штамп для вытяжки заготовки с двойным перегибом состоит из пуансона, матричного кольца, верхнего формирующего кольца и съемника. Особенностью этого штампа является то, что при опускании формирующего кольца заготовка постепенно обтягивает пуансон, в то время как внешний кольцевой участок заготовки скользит по матрице в противоположном направлении.

Значительные радиальные напряжения вызваны перегибом заготовок, которые теряли устойчивость при вытяжке без прижима с помощью обычного штампа.

Рекомендуется штампуемое днище располагать внутри, а технологическую прокладку снаружи. Обычно таким образом штампуют днище из высоколегированных сталей или из высоко пластичных сплавов для предотвращения утонения стенки. Технологическая прокладка обычно изготавливается из малоуглеродистой стали.

Если при выбранной конструкции матрицы и пуансона толщина прокладки для двухслойного пакета получится больше толщины детали, то следует применять трехслойный пакет.

Вытяжка за несколько переходов осуществляется путем предварительного набора металла и последующего придания днищу окончательной формы.

Схему вытяжки днищ с перегибом фланцевой части заготовки, разработанную Л.А. Шофманом применяют при изготовлении днищ с относительной толщиной (S/D_B)*100 = 0,4 - 0,7. Эта схема особенно приемлема в условиях крупносерийного производства при диаметрах днищ, не превышающих 1500 мм.

Штамповка днищ по приведенной схеме заключается в формообразовании заготовки одним пуансоном и набором сменных кольцевых матриц. При первом переходе формируется центральная часть заготовки с приданием ей окончательной формы и размеров, а затем последовательно один за другим - остальные кольцевые участки заготовки. Задача разработки технологической схемы штамповки сводится к определению оптимальных диаметров матричных (протяжных) колец по операциям. Эффективным является применение этой схемы при относительных толщинах днищ (S/D_B)-100 < 0,25 и относительных глубинах H/D_B = 0,5.

Для эллиптических днищ диаметр протяжного кольца первого перехода зависит от отношения осей эллипса и может быть выбран следующим образом:

При серийном производстве днищ и наличии пресса тройного действия рекомендуется применять штамп конструкции Е.Н. Мошнина, с которым первый и второй переходы выполняются за один ход пресса.

При штамповке тонкостенных полушаровых ( --- 0,5), сферических и эллиптических днищ с относительной толщиной стенки

иприменяют наряду с другими технологическими схемами штамповку с предварительным ступенчатым набором, обеспечивающим значительное снижение утонения стенки днища. После предварительного много переходного ступенчатого набора в специальных штампах заготовка формуется в штампе со сферическим пуансоном и глухой матрицей, после чего калибруется окончательно на мощных гидравлических прессах или на установках для беспрессовой штамповки с использованием импульсных энергоносителей.

Недостатком всех вышеназванных способов обеспечения устойчивости заготовки в процессе вытяжки является большая металлоемкость штампов вследствие необходимости применения дополнительных устройств или маленькая производительность вследствие увеличения заготовительно-подготовительных работ.

Существует ряд технических решений, которые позволяют в определенной степени добиться уменьшения потери устойчивости заготовки в процессе вытяжки, не производя для этого больших материальных и временных затрат.

При вытяжке тонкостенных днищрекомендуется применять штампы с конусным прижимом.

При штамповке толстостенных днищ также можно применить штамп, разработанный В.П. Лукьяновым и Е.Д. Гороховым. Пуансон снабжен охватывающим его калибрующим кольцом, смонтированным с возможностью осевого перемещения относительно пуансона, а на протяжном кольце матрицы выполнены вытяжкой и калибрующий участок.

Штамп работает следующим образом. Вытяжным пуансоном осуществляют штамповку на вытяжном участке протяжного кольца при зазоре z -(1,3 -s- 1,8)S до момента схода наружной кромки с радиуса закругления матрицы. Затем с помощью калибрующего кольца осуществляют окончательную формовку путем его протяжки через калибрующий участок протяжного кольца при зазоре z = (1,03 -*¦ l,05S).

Также представляет интерес конструкция штампа, разработанная Л.В. Обрушниковым и Е.Д. Гороховым. Пуансон и подвижная матрица штампа выполнены с углублениями на рабочей поверхности и снабжены установленными в последних фракционными вкладышами, при этом толщина вкладыша подвижной матрицы больше углубления под него на величину деформации материала вкладыша при штамповке. Использование вкладышей из фракционного материала способствует повышению трения в зонах контакта заготовки с пуансоном и подвижной матрицей. Повышение трения в процессе вытяжки ведет к уменьшению проскальзывания отдельных объемов металла заготовки в зонах контакта, что приводит к более равномерному распределению деформации по всему сечению штампуемых деталей и сохранению устойчивости заготовки в течение всего процесса вытяжки.

Повышению трения между пуансоном и матрицей способствует также применение рифленных пуансонов. Рифленная поверхность пуансона расчленена на большое количество равномерно распределенных выступов. При штамповке эти выступы, внедряясь в металл, затрудняют скольжение металла по поверхности пуансона. Рифление пуансона производят накаткой с определенным шагом.

Перспективным также является применение пуансонов вафельных конструкций, позволяющих значительно уменьшить вес пуансона.

в). Реверсивная вытяжка. Реверсивная вытяжка в зависимости от относительной глубины и относительной толщины днища может осуществляться за два или более переходов. Двухпереходную реверсивную вытяжку применяют при H/D_B < 0,25 и (S/D_B)-100 > 0,4; многопереходную -при H/D_B > 0,25 и (S/D_B)-100 < 0,4. Для уменьшения высоты гофр при реверсивной вытяжке соотношение поверхностей предыдущей операции к последующей должно составлять: F_n -- (0,90 ¦*¦ 0,95)F_n+i. Геометрию реверсивного набора строят методом подбора, пока не удовлетворится указанное условие соотношения поверхностей. В химическом и нефтяном машиностроении реверсивная вытяжка широкого применения не нашла. При горячей реверсивной вытяжке днищ используется в основном не более двух переходов.

В условиях единичного производства может найти применение формообразование днищ энергией испаряющегося сжиженного газа (например, азота) по схеме "штамповка газовым пуансоном по жесткой матрице". При мгновенном превращении жидкого азота в газообразный в замкнутом объеме в нем можно развить давление до 800 МПа. Скорость нарастания давления при этом зависит от интенсивности его преобразования. Если распыленный жидкий азот впрыснуть в воду, то происходит мгновенное испарение азота, сопровождающееся появлением ударной волны. Работа с жидким азотом абсолютна безопасна, а в экономическом отношении не энергоемка; энергия при испарении 3 л сжиженного азота эквивалента энергии, затрачиваемой на один ход пресса усилием 1000 кН при полной его нагрузке.

Метод отличается высокой производительностью процесса, возможностью получения днищ с широким диапазоном толщин, материалов и размеров в плане.

Недостатками этого метода являются: значительная металлоемкость и стоимость штампов; необходимость пригонки профиля пуансона по профилю матрицы; неравномерность толщины стенки.

г). Местная вытяжка. Она протекает при жестко защемленном фланце и находит применение при изготовлении тонкостенных и особо тонкостенных днищ с весьма малой относительной глубиной и относительной толщиной днища.

Местная вытяжка осуществляется по следующим схемам:

прямая;

с предварительным набором металла;

реверсивная штамповка.

Процесс формообразования днища происходит преимущественно вследствие растяжения материла днища.

Лекция № 16. 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.

16.1 Конструкции штампов

Типовые конструкции штамповой оснастки

Для изготовления эллиптических днищ в основном применяют два типа штампов - с глухой и сквозной 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.

Складко держатель также мало отличается от складко держателя, показанного на рисунке 7, по назначению.

16.2 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.

16.3 Изготовление штамповой оснастки. 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.

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.

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.

Лекция № 17. Методы и способы обеспечения точности формы и размеров днищ

Принципы нормирования точности днищ обеспечивающие полную взаимозаменяемость.

Анализ структуры производства показывает, что доля пригоночно-доделочных работ при сборке кольцевых соединений "днище-обечайка" и "днище-корпус" в несколько раз выше, чем соединения обечайки с обечайкой [2,9,42,94].

Это является причиной низкой точности изготовления днищ, прогнозировать которую практически не представляется возможным.

По указанной причине в настоящее время осуществляется нерациональная организация сборки нефтехимической аппаратуры по вышеописанным схемам.

По первой схеме (сборка по формуляру) в основном собирается емкостная аппаратура. При этом величина длины развертки обечаек берется в зависимости от значения истинного диаметра днища. То есть, мы имеем дело с индивидуальным способом изготовления обечаек. В этом случае нельзя говорить даже о селективной сборке аппарата, поскольку в реальных производственных условиях невозможно накопить достаточное количество днищ какого-либо определенного размера, чтобы они могли собираться с заранее изготовленной партией обечаек без дополнительной пригонки. Поэтому при сборке вначале подбираются два днища, близких по значению периметра, затем вальцуют обечайки с учетом разницы между значениями периметров первого и второго днища. То есть, обечайки вальцуют с такими размерами, которые позволили бы распределить смещение кромок равномерно по всем кольцевым стыковым соединениям аппарата.

По второй схеме в основном производят сборку колонной и теплообменной аппаратуры и емкостной, при невозможности сборки по первой схеме.

По третьей схеме в основном собирают емкостную и теплообменную аппаратуру с использованием коротких конических обечаек или прямых обечаек со снятым плавным переходом на кромке, на которые не распространяются ограничения по объему, по тепловой эффективности и т.д., регламентируемые нормативно-техническими документами.

Усугубляет нерациональную и неэффективную подготовку сборочного процесса тот факт, что предприятие-изготовитель или даже цех-изготовитель в данном предприятии не гарантирует какую-либо точность размеров днищ.

Точность и взаимозаменяемость днищ может быть достигнута взаимной увязкой функциональных допусков на стадии их назначения и согласованностью технологических допусков с функциональными при изготовлении.

Для обеспечения рациональной организации сборочного произ- водства днищ с другими базовыми деталями аппаратуры на принципах полной взаимозаменяемости нами предлагается нормировать предельные отклонения днищ на стадии назначения функциональных допусков в зависимости от типа и назначения аппаратуры.

С этой целью предельные отклонения Db нормируются 5 рядами точности.

Предельные отклонения по нулевому ряду регламентируются допусками, приведенными в табл.1.1. Предельные отклонения Db равны половине максимально-допустимых значений смещения стыкуемых кромок кольцевых соединений по ОСТ 26-291-94. Данный ряд обеспечивает сборку высокоточных днищ с корпусами по принципу полной взаимозаменяемости.

Предельные отклонения по первому ряду регламентируются полем допуска Н14 по ГОСТ 25347. Предельные отклонения Db равны предельно-допустимым отклонениям внутреннего диаметра кожуха теплообменников, холодильников и испарителей с жидкостным теплоносителем, подаваемым в межтрубное пространство. Данный ряд обеспечивает сборку днищ с кожухами теплообменной аппаратуры по принципу неполной взаимозаменяемости с последующей калибровкой.

Предельные отклонения по ряду 1а регламентируются допусками, приведенными в табл.1.2. Данный ряд обеспечивает сборку днищ с корпусами емкостной и колонной аппаратуры по принципу неполной взаимозаменяемости с последующей калибровкой.

Предельные отклонения по второму ряду регламентируются полем допуска, равным 1,0%Db по ОСТу. Данный ряд обеспечивает сборку днищ с корпусами колонной и емкостной аппаратуры, обечайки которых изготавливаются по обмерным периметрам днищ.

Таблица 1.1.

Максимально-допустимые отклонения внутренних диаметров взаимозаменяемых днищ, мм

S, мм	Db, mm
	для монометалла	для биметалла
До 20 10%S + I 50%S плакирующего слоя Свыше 20 до 50 15%S, но не более 5,0 Свыше 50 до 100 0,04S + 3,5 0.04S + 3, но не более плакирущего слоя Свыше 100 0,02S + 5,0, но более 0,025S +5, но не более 8 и не 10 больше толщины плакирующего слоя

Предельные отклонения по ряду 2а регламентируются полем допуска, равным±2 ,0%Db по ОСТу. Данный ряд обеспечивает сборку днищ _с корпусами сосудов без давления (под налив) с помощью конических обечаек

Таким образом, предприятия-потребители, имея в паспорте изготовителей ссылку на ряд точности размеров днищ, могут организовать более рациональную сборку их с другими базовыми деталями по одному из вышеописанных способов.

Таблица 1.2. Предельные отклонения диаметров днищ по ряду точности 1а

Диаметр днища, D	Толщина стенки днища	Предельное отклонение, Db
219 - 720	До 22 Более 22	2 3
800 - 1300	До 22 Более 22	3 4
1400 - 1700	До 22 Более 22	4 5
1800 - 2400	До 22 Более 22	5 6
2600 - 3000	До 22 Более 22	6 7
3200 - 3400	До 22 Более 22	6 7
3600 - 4000	Для всех толщин	8

Математические модели регулирования точности

Исследования технологических процессов горячей штамповки днищ, описанных выше, позволили выявить, что основными факторами, оказывающими влияние на формирование размеров днищ, являются температурные параметры заготовок днищ и штамповой оснастки, нестабильность которых вызывает:

- увеличение исполнительных размеров штамповой оснастки вследствие разогрева в процессе вытяжки, повышающегося с каждым циклом штамповки; - изменение величин термической усадки формообразующих размеров днищ вследствие разброса температуры заготовки в конце вытяжки;

- изменение формообразующих размеров штамповой оснастки, возникающее при изготовлении и износе.

На основании промышленных исследований и расчетов нами сформулировано условие обеспечения точности внутренних диаметров днищ в зависимости от температурных параметров термического цикла штамповки:

ДD_B = (k + mtраз - ntкш)D_B (2.1)

где: ДD_B - отклонение внутреннего диаметра изготовленногот днища;

tраз - температура разогрева пуансона в процессе штамповки партии днищ из-за теплообмена с нагретой заготовкой;

tкш - температура заготовки днищ в конце штамповки;

k,m,n - коэффициенты, учитывающие теплофизические свойства материалов пуансона и заготовки, оптимальную температуру конца штамповки и температуру окружающей среды;

D_B - номинальный внутренний диаметр днища.

Значения коэффициентов определяется следующими зависимостями:

(1.2)

где: t_ко - номинальная температура конца штамповки, по которой определяется диаметр пуансона;

t_о.с. - температура окружающей среды;

б_з, б_зо - средний коэффициент термического сжатия материала днища для интервала температур соответственно t_кш… t_о.с. и t_ко…с;

б_п - средний коэффициент термического расширения материла пуансона.

Принимая во внимание, что в числителях выражений произведения очень малы по сравнению с другими слагаемыми и их можно не учитывать, получим следующие упрощенные зависимости:

(2.3)

На отклонение внутреннего диаметра горячештамповочного днища оказывает влияние температура разогрева пуансона и отклонение температуры конца штамповки от номинального значения.

Данная математическая модель позволяет:

- прогнозировать точность внутренних диаметров днищ в зависимости от формообразующих размеров и материала пуансона и известных значений температуры конца штамповки и разогрева пуансона;

- определять номинальные значения одного из температурных параметров, регулируя другим, для изготовления днищ с заданной точностью;

- регулируя формообразующими размерами штамповой оснастки, обеспечивать точность изготовления днищ из различных материалов.

Технологическое обеспечение размерной точности днищ стабилизацией температуры штамповой оснастки

Как показывают результаты исследований, при разогреве до высоких температур, более 200єС, практически не представляется возможным обеспечить номинальные значения tкт и обеспечить точность взаимозаменяемости днищ. Поэтому целесообразно с целью обеспечения точности днищ стабилизировать температуру пуансона и матрицы штамповой оснастки принудительным охлаждением.

Водоохлаждаемые конструкции пуансонов. Существующие литые конструкции пуансонов не позволяют реализовать эффективное охлаждение жидким хладоагентом. Поэтому с целью стабилизации температуры пуансона нами разработаны перспективные конструкции водоохлаждаемых пуансонов, позволяющие обеспечить производство высокоточных днищ различных типоразмеров. Ниже описывается водоохлаждаемый пуансон штампосварного исполнения конструкция которого приведена на рис.2. Он состоит из двух куполообразных частей 1 и 2, установленных между собой коаксиально с зазором, в котором размещен спиралевидный элемент 3, образующий канал для циркуляции хладоагента, расширяющийся в направлении от оси пуансона к периферии.

Жесткость конструкции пуансона обеспечивается радиально установленными на внутренней части 2 ребрами жесткости 4 и элементом 3. Торцы наружной 1 и внутренней 2 частей соединены кольцом 5, которое образует вместе с элементом 3 последний виток спиралевидного канала для

оптимальные значения температурных параметров цикла штамповки днищ повышенной точности

Рис. 1

циркуляции хладоагента.. Пуансон снабжен подводящим 6 и отводящим 7 патрубками, соответственно в центральной и периферийной зонах, для возможности выравнивания неравномерных температурных полей. Для доступа циркуляирующего хладоагента к периферийной части пуансона внизу на тумбе 8 выполнена прорезь 9.

Штамп для двухпереходной вытяжки с водоохлаждаемым пуансоном работает следующим образом (рис.3). После укладки нагретой заготовки 1 на зеркало матрицы 2, установленной с помощью стоек 3 на столе 4 пресса, осуществляется прижим фланца заготовки прижимным кольцом 5, закрепленным с помощью держателей 6 на прижимной 7 пресса. Затем движением вниз пуансона 8, установленного на ползуне 9 пресса, осуществляет вытяжку заготовки 1. В это время производится охлаждение пуансона циркуляцией хладоагента между двумя куполообразными частями по спиралевидному каналу. В качестве адоагента используется вода из заводской водопроводной сети. Расход воды, подаваемой на центральную часть пуансона по патрубку 11 и отводимой из его периферийной части по патрубку 12, регулируется в зависимости от степени разогрева пуансона. Охлаждение пуансона прекращается после завершения штамповки партии днищ.