ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕСС-МАТРИЦ

При проектировании пресс-матрицы для данного типоразмера пресс-изделия большое значение имеет решение таких вопросов как:

1. расположение рабочего канала и каналов при многоканальном прессовании на зеркале матрицы;

2. выбор способа выравнивания скоростей истечения отдельных элементов профиля;

3. расчет размеров рабочих поясков пресс-матрицы;

4. определение исполнительных размеров рабочего канала.

От рационального решения данных задач зависит точность поперечной и продольной геометрии, ее стабильность.

При расположении рабочего канала или каналов на зеркале матрицы необходимо, чтобы при размещении контура рабочего канала оставались требуемые зазоры между крайними точками контура и поверхностью контейнера (табл. 9). Это необходимо во избежание отслоений на поверхности профиля.

Другим важным фактором, определяющим расположение рабочего канала на зеркале матрицы, является форма поперечного сечения пресс-изделия. По степени симметрии все пресс-изделия условно можно разделить на три группы:

- с поперечным сечением, симметричным относительно двух координатных осей. В этом случае центр тяжести сечения пресс-изделия должен совпадать с геометрическим центром пресс-матрицы;

- с поперечным сечением, симметричным относительно одной координатной оси. В этом случае ось симметрии пресс-изделия также должна совпадать с одной из координатных осей пресс-матрицы;

- с асимметричным поперечным сечением. Для данной группы пресс-изделий, особенно с значительно разнотолщинами, стремятся максимально приблизить тонкие полки к центру пресс-матрицы. Это связано с тем, что скорости течения v_i прессуемого металла убывают по мере удаления от центра оси контейнера по следующей зависимости

, (68)

где D – диаметр контейнера; r_i – удаление от оси контейнера, v_i и v_ц - скорости течения прессуемого металла на удалении r_i и на оси контейнера.

Данную особенность учитывают при расположении каналов при многоканальном прессовании: каналы располагают симметрично относительно центра пресс-матрицы таким образом, чтобы тонкие элементы сечений профилей были обращены к центру пресс-матрицы, а массивные – к ее периферии. При этом стараются свести неравномерность скоростей истечения элементов каждого профиля к минимуму.

За счет рационального расположения рабочего канала не всегда удается выравнять скорости истечения элементов профиля, поэтому используют рабочие пояски. Наиболее удобна в применении и получила подтвердждение на практике методика расчета калибрующих поясков Алешина В.П.

Канал матрицы представляют в виде бесконечного числа вписанных в него окружностей (см. рис. 5).

Рис. 5. Разбивка канала матрицы на вписанные окружности

Касательные к вписанной окружности ограничивают рассматриваемый элементарный участок F_i, причем они проводятся параллельно линиям соединения точек касания А, В, С вписанной окружности с контуром матрицы (см. рис. 6). Для расчета рабочих поясков выбирают характерные участки: места сочленения, окончания полок и прилегающих к ним участков, а также места резкой смены толщины полок.

Рис. 6. Разбивка участка матрицы

После разбивки определяют площади сечений F_i каждого участка и поверхность трения , где П_i – эффективная часть периметра, h_i – высота рабочего пояска. Приняв условие равенства удельных давлений и скоростей истечения отдельных участков профиля n и m, получим:

, (69)

Задавая минимальную высоту рабочего пояска 1, 5÷ 2 мм на участке, где в первую очередь затруднено истечение прессуемого металла (тонкостенные и удаленные элементы от центра матрицы), находим высоты рабочих поясков на других участках:

, (70)

где , F_K и F_n – площади сечения контейнера n-ого элемента профиля соответственно.

В качестве примера приведен расчет рабочих поясков матрицы для прессования профиля таврового сечения из сплава Д16 в одноочковую матрицу на прессе усилием 25 МН из контейнера диаметром 200 мм. Контур канала матрицы имеет разбивку на восемь характерных элементарных участков. Задаем рабочий поясок на участке 2 размером 5 мм. По формуле определим его высоту в участке 3:

(71)

На участке 4 высота рабочего участка составит

(72)

и т.д.

Рис. 7. Пример разбивки канала матрицы на характерные элементарные участки

Развертка расчетных рабочих поясков представлена на рис. 8.

Рис. 8. Развертка расчетных рабочих поясков матрицы

При получении пресс-изделий с длинными консольными элементами, когда отношение длины консоли к ширине более 4 или площади консоли к квадрату ширины ее основания более 5, необходимо применение форкамерных матриц. Основные этапы проектирования данных матриц заключаются в следующем:

1. расположение рабочих каналов на зеркале матрицы с учетом вышеуказанных особенностей;

2. расчет размеров и выбор формы форкамер с целью выравнивания скоростей истечения и обеспечения получения пресс-изделий сваркой встык;

3. расчет ширины калибрующего пояска с учетом размеров и формы форкамер.

Для выполнения инженерных расчетов параметров форкамер Н.Н. Довженко получены следующие формулы относительного давления на входе в форкамеру (рис. 9):

(73)

где Н_ФК – высота и П_ФК – периметр форкамеры; h_ПР – ширина, П_ПР – периметр, F_ПР и F_ФК – площадь поперечного сечения профиля и форкамеры соответственно; h_КП – высота калибрующего пояска; h_УЗ – высота упругой зоны конического очага деформации, угол которого равен:

, (74)

где – напряжение натяжения, – предел текучести прессуемого металла при температуре прессования; – напряжение трения; s_S – сопротивление деформации; f – коэффициент трения, f £ 0, 57; В – ширина форкамеры.

Рис. 9. Схема форкамеры

Для получения необходимой прочности стыкового сварного шва относительное давление на входе в форкамеру , а коэффициент вытяжки из форкамеры

Протяженность зоны сварного шва, подвергаемая вырезке, будет равна:

(75)

- для высоты форкамеры:

, (76)

где k_H = 0, 53¸ 1, 05 при s_НТ/s_Т = 0, 1¸ 0, 2;

- для величины эквидистантного удаления контура форкамеры от контура профиля:

, (77)

где N_вып и N_вогн – соответственно, число выпуклых и вогнутых вершин профиля, причем радиус скругления считается одной вершиной;

- для ширины форкамеры:

(78)

где В₀ – начальная ширина форкамеры в сечении с наибольшей скоростью истечения прессуемого металла.

Методику расчета проиллюстрируем примером выбора форкамеры для прессования полосы 5´ 25 мм, F_ФК = 125´ 3 = 375 мм²:

(79)

- если радиусы скругления углов R< < DВ, то периметр равен:

(80)

Тогда расчетный периметр будет соответствовать заданной площади форкамеры при DВ = 3, 4 мм:

(81)

- если форкамера имеет радиус скругления R = DВ, то:

(82)

Вычисляем Н_ФК, задавшись шириной калибрующего пояска 2, 0 мм и k_Н=0, 1:

(83)

Исходя из условий нормализации размеров, фактическую высоту Н_ФК принимаем равной 25 мм, что обеспечит достаточные условия по прочности сварного шва.

Для расчета исполнительных размеров канала матрицы рекомендуется использовать формулу:

(84)

где А₁ – номинальный размер профиля; М – плюсовой допуск на данный размер профиля, представленный в табл. 13; k_m – величина температурной усадки профиля где t и t₁ – температуры заготовки и матрицы, a и a₁ – коэффициенты линейного расширения материалов заготовки и матрицы при температуре прессования. k_y, k_p – коэффициенты, учитывающие уменьшение размера элемента профиля, соответственно за счет утягивания и при правке растяжением. Значения k_y и k_р представлены в табл. 14.

Таблица 13

Допуски на размеры пресс-изделий

Таблица 14

Значения коэффициентов k_y и k_р

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды пресс-матриц применяют при прессовании?

2. Какие факторы учитывают при проектировании пресс-матриц?

3. На какие виды по степени симметрии делят все пресс-изделия?

4. Какие способы выравнивания скорости истечения элементов профиля прессуемого металла вам известны?

5. Как располагают каналы пресс-изделий на зеркале пресс-матрицы при многоканальном прессовании?

6. Какие технологические ограничения необходимо учитывать при конструировании пресс-матриц?

7. На каком принципе построена методика расчета калибрующих поясков В.П. Алешина?

8. Что представляет собой форкамерная матрица, и когда она применяется?

9. Какие факторы необходимо учитывать при расчете исполнительного размера рабочего канала пресс-матрицы?

10. Перечислите основные технологические операции при изготовлении пресс-матриц, и из каких материалов они изготавливаются?

Варианты заданий к разделу 5

Расположите рабочий канал на зеркале матрицы, определите высоту рабочих поясков и исполнительных размеров элементов пресс-изделия для ранее полученных вариантов.