Модернизация конструкции и разработка технологии изготовления прессовой оснастки для экструзии алюминиевых профилей

Вадим Докучаев

Модернизация конструкции и разработка технологии изготовления прессовой оснастки для экструзии алюминиевых профилей

Цель работы – расчет и обоснование конструкции и технологии изготовления прессового инструмента для экструзии алюминиевых профилей с повышенной производительностью. В качестве исходных данных принята типовая конструкторско-технологическая документация для изготовления фильер и прессования алюминиевого профиля, используемые на литейно-прессовом заводе «Сегал». На основании анализа состояния проблемы были определены перспективные направления для усовершенствования конструкции и технологии изготовления прессовой оснастки, предложена и обоснована расчетами новая двухканальная фильера.

Машиностроение

Дипломы

Вуз: Сибирский федеральный университет (СФУ)

ID: 5f2fcc29cd3d3e0001b58886

UUID: d23e8500-bc56-0138-1521-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 154

13.08

Вадим Докучаев

Сибирский федеральный университет (СФУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 22,6 МБ

Поделиться работой

РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа по теме «Модернизация конструкции и разработка технологии изготовления прессовой оснастки для экструзии алюминиевых профилей» содержит 65 страниц текстового документа, 44 иллюстрации, 6 таблиц, 10 формул, 15 использованных источников. Цель работы – расчет и обоснование конструкции и технологии изготовления прессового инструмента для экструзии алюминиевых профилей с повышенной производительностью. В качестве исходных данных для проектирования использован чертеж профиля КП 4560 (задание литейно-прессового завода «Сегал»). На основании анализа состояния проблемы определены перспективные направления для совершенствования конструкций прессового инструмента. Созданы 3D модели одно и двухканальной фильеры, прочностными расчетами и методами термостатического анализа оптимизированы форма и размеры канала для истечения материала при прессовании. Работоспособность и эффективность принятых конструкторских решений обоснованы и подтверждены методами конечно-элементного анализа. Производительность процесса экструзии при истечении материала после модернизации увеличилась на 98%, а прочностные характеристики составляющих фильеру деталей повысились на 23%. Разработанные 3D – модели модернизированной конструкции фильеры явились основой для проектирования технологических процессов сборки и последовательности изготовления матриц механической обработкой. Предусмотрена автоматизация технологических процессов механической обработки резанием - разработаны управляющие программы для станков с ЧПУ. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 2

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 4 1 Основы технологических процессов экструзии алюминия ............................. 6 1.1 Деформационные процессы при прессовании алюминия ......................... 6 1.2 Механика пластического течения материала при экструзии .................. 11 1.3 Классификация алюминиевых профилей .................................................. 13 1.4 Оборудование и инструмент для экструзии алюминия ........................... 14 1.4.1 Прессовое оборудование ............................................................................. 14 1.4.2 Прессовый инструмент ................................................................................ 16 1.4.3 Фильеры для прессования профилей стандартного сечения ..................... 18 1.4.4 Фильеры для прессования профилей сложного сечения ........................... 19 1.4.5 Особенности конструктивного исполнения камерных матриц ................. 20 2 Конструкторский раздел.................................................................................... 23 2.1 Проектирование одноканальной фильеры ................................................ 23 2.1.1 Исходные данные. Геометрия алюминиевого профиля ........................... 23 2.1.2 Обоснование конструкции и расчет размеров фильеры ............................. 23 2.2 Основания для модернизации конструкции фильеры.............................. 32 2.3 Проектирование двуканальной фильеры ................................................... 33 3 Конечно элементное моделирование процессов прессования алюминиевых профилей ................................................................................................................... 37 3.1 Термостатический анализ элементов конструкции фильеры.................. 37 3.2 Моделирование прессования на основе Лагранжево-Эйлерова подхода39 4 Технология изготовления многоканальной фильеры..................................... 45 4.1 Выявление и анализ технических условий и норм точности .................. 46 4.2 Методы достижения точности .................................................................... 47 4.2.1 Выбор методов достижения точности ....................................................... 47 4.3 Разработка последовательности сборки .................................................... 49 4.4 Разработка технологического процесса изготовления матрицы............. 51 4.4.1 Служебное назначение матрицы ................................................................ 51 4.4.2 Технические условия ................................................................................... 51 4.4.3 Выбор экономичного варианта получения исходной заготовки ............ 52 4.4.4 Проектирование последовательности изготовления ................................ 52 4.4.5 Техническое нормирование операций ....................................................... 56 4.4.6 Технологическая себестоимость изделия .................................................. 57 4.5 Разработка управляющих программ .......................................................... 59 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................... 62 ПРИЛОЖЕНИЕ А .................................................................................................... 63 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ..................................................................................................... 64 ПРИЛОЖЕНИЕ В .................................................................................................... 65 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 3

ВВЕДЕНИЕ В последнее десятилетие потребление сортамента из алюминиевых сплавов испытывает устойчивый и быстрый рост во всем мире. Алюминиевые профили широко используются в строительстве и архитектуре, аэрокосмической и судостроительной отрасли, автомобильной промышленности. Развитие прессования алюминиевых сплавов привело к тому, что этот процесс стал одним из ключевых в формовании алюминия из-за высокой эффективности процесса, отличного качества и низкой себестоимости выпускаемой продукции. Большой вклад в развитие процессов прессования внесла комплексная автоматизация, а именно применение станков с ЧПУ и САПР при изготовлении прессового инструмента и симуляции прессования. Подготовка квалифицированных специалистов, имеющих глубокие теоретические знания и способность применять их в производственной деятельности, а также накопленный опыт экспертов в разработке и изготовлении прессового инструмента улучшают и автоматизируют процессы прессования алюминиевых сплавов с каждым днем. Создание нового прессового инструмента – сложная комплексная задача, которую в кооперации решают конструктора и технологи. От их взаимодействия на этапе разработки будет зависеть качество и стоимость готового инструмента. Бакалаврская работа выполнялась по заданию одного из ведущих предприятий г. Красноярска и отрасли – литейно-прессового завода «Сегал». Предприятие «Сегал» – один из крупнейших в России производителей системных алюминиевых профилей для создания строительных конструкций, в течение многих лет уверенно занимает второе место среди российских производителей алюминиевого профиля. Архитектурные объекты, возведенные с применением конструкции из алюминиевого профиля систем «СИАЛ», можно увидеть в любой точке России – от Владивостока до Москвы: объекты Универсиады в Казани, крупные жилые комплексы в Екатеринбурге и Санкт-Петербурге, бизнес-центры и жилые кварталы в столице РФ и многие другие. С каждым годом растут объемы поставок архитектурного алюминиевого профиля в страны ближнего зарубежья. На предприятии ведется работа по модернизации существующего и вводу в эксплуатацию нового современного высокоэффективного прессового и покрасочного оборудования. За период с 2007 по 2013 гг. металлургические мощности предприятия удвоились, возрос объем реализации готовой продукции, увеличилось количество рабочих мест. 11 июня 2013 года, в преддверии праздничных мероприятий, посвященных 385-ой годовщине со дня основания города Красноярска на Литейно-прессовом заводе «Сегал» состоялся торжественный запуск пятого прессового комплекса. Шестой прессовый комплекс был запущен на ЛПЗ "Сегал" в мае 2014 года. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 4

Литейно-прессовый завод «СЕГАЛ» специализируется на производстве алюминиевых литейных сплавов в виде мелкой чушки и алюминиевых деформируемых сплавов в виде цилиндрических слитков. Постоянно расширяется номенклатура алюминиевых профилей по чертежам заказчика, изготавливаемых на заводе. Курс предприятия на модернизацию и развитие производственных мощностей способствует сохранению достигнутых результатов и позволяет заводу уверенно заявлять о себе на российском и зарубежном рынках. Интенсивно развивается и инжиниринговый потенциал группы компаний. В связи с расширением номенклатуры продукции и выпуском изделий для машиностроительной отрасли, инженерно-технологическая служба ведет работу по освоению производства новых изделий и осуществлению работ по перспективным направлениям деятельности предприятий. В группе компаний «СИАЛ» успешно реализованы программы по развитию производства транспортных компонентов для рельсового и водного транспорта. По результатам этой работы предприятие входит в число лидеров по поставке алюминиевых изделий для подвижного состава на вагоноремонтные предприятия по всей территории России. Высоких результатов позволила достичь работа с компанией Siemens AG по поставке изделий для скоростных электропоездов компании «Уральские локомотивы» (совместное предприятие ЗАО «Группа Синара» и международного концерна Siemens AG). [1] В дипломном проекте представлены все основные этапы конструкторскотехнологического проектирования, связанные с разработкой фильеры и ее составляющих (рассекателя, матрицы и подкладки), механической обработки деталей и сборки инструмента. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 5

1 Основы технологических процессов экструзии алюминия 1.1 Деформационные процессы при прессовании алюминия В большинстве случаев длинномерные профили или пресс-изделия с разнообразной, обычно сложной формой поперечного сечения получают с помощью процесса прессования. Прессование металлов , в свою очередь , относят к процессам обработки металлов давлением (ОМД). Прессование – процесс пластического деформирования металла, заключающийся в сжатии и выдавливании его из замкнутого объема через отверстие (канал) в прессовом инструменте (матрице) – рисунок 1. [2] Рисунок 1 – Принципиальная схема процесса прессования: 1 – контейнер; 2 – матрица; 3 - пресс-штемпель; 4 – заготовка; 5 – пресс-изделие; 6 – пресс-шайба Схема объемного напряженного состояния с неравномерным всесторонним сжатием позволяет наилучшим способом разрушить литую структуру заготовок и получить изделия с высокими коэффициентами вытяжки (λ = 4 – 100 и даже до λ = 1000), недостижимыми в других процессах ОМД. Процесс прессования можно отнести к самому эффективному методу получения алюминиевых профилей из-за сочетания разнообразных возможностей получения изделий разных сложных форм и хорошими свойствами материала. Возможная неравномерная деформация металла, низкая работоспособность прессового инструмента, а также высокая стоимость его изготовления, низкая скорость прессования тугоплавких и трудно деформированных сплавов являются недостатками процесса прессования. Существует много разновидностей прессования, отличающихся рядом признаков: наличием или отсутствием перемещения заготовки в контейнере в процессе прессования; характером действия и направлением сил трения на поверхности контакта заготовки с инструментом; температурными и скоростными Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 6

условиями; способом приложения внешних сил; формой заготовки и прессизделия и др. В зависимости от схемы относительного перемещения прессуемой заготовки различают способы прессования: с прямым, боковым, обратным или совмещенным истечением металла. В алюминиевой промышленности успешно применяются два основных способа прессования: прямое и обратное. Для реализации процесса прессования необходимо создать в главном гидравлическом цилиндре значительное давление и через пресс-штемпель и пресс-шайбу воздействовать на заготовку в контейнере. В бакалаврской работе будут рассматриваться только процессы прямого прессования. Этот процесс, получивший наиболее широкое применение в мировой практике, считается традиционным. Он позволяет получить сплошные и полые профили в широком диапазоне вплоть до размеров, близких к размеру контейнера. Схемы прямого прессования показаны на рисунке 2. [2] а б Рисунок 2 – Схемы прямого прессования: а – сплошного профиля, б – полого профиля В контейнер 2 помещают нагретый до температуры прессования слиток 1. Матрица 4 размещается в матрицедержаетеле 3 с входной стороны контейнера. Матрица формирует контур изделия 5. Происходит передача давления к слитку от Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 7

главного цилиндра пресса через такие детали как пресс-штемпель 6 и прессшайба 7. Истечение материала при воздействии высокого давления и температуры проходит через рабочий канал матрицы, образуя геометрию профиля заданную формой канала матрицы. Пресс штемпель при прямом прессовании имеет схожее направление движения с направлением течения металла. В ходе процесса сила трения, возникающая из-за скольжения истечения материала по стенкам контейнера значительно увеличивает давление на пресс-шайбе. Как правило, прямое прессование проводят без смазки, что приводит к значительному торможению поверхностных слоев заготовки и появлению высоких сдвиговых деформаций, распространяющихся вглубь заготовки. Это обусловливает обновление слоев металла, из которых формируется поверхность пресс-изделия. Процесс прямого прессования имеет особенности течения металла, связанные с появлением упругопластической зоны у матрицы, позволяющей исключить попадание дефектов с поверхности заготовки на поверхность изделия. В следствии этой особенности, профиль полученный методом прямого прессования преобладает повышенным качеством поверхности. За полный цикл прямого прессования не представляется возможности отпрессовать весь металл заготовки. Происходит это из-за так называемого пресс-остатка, который, как правило, отрезается и уходит в отходы. Пресс-остаток при процессе прямого прессования снижает коэффициент использованного материала. По кривой изменения давления прессования, изображенной на рисунке 3, по ходу процесса можно выделить основные его стадии: I – распрессовка слитка; II – начало истечения; III – условно-постоянное течение; IV – прессование зон затрудненной деформации. [2] Рисунок 3 – Кривая изменения давления прессования по ходу процесса (I-IV стадии процесса): 1 – прямое, 2 – обратное прессование Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 8

Применяя процесс прямого прессования, предоставляется возможность поделить силы и напряжения на две части. К первой части относят силы и напряжения появляющиеся в прессуемом металле при воздействии на него прессшайбы. Ко второй части можно отнести нормальные и касательные напряжения, действующие на материал от контейнера за счет возникающих сил трения. Помимо этого также возникают силы и напряжения трения, возникающие на контактной поверхности пресс-шайбы. Реактивные силы действуют от металла на инструмент. Схема внешних сил и вызываемых ими напряжений, действующих на прессуемый металл при прямом прессовании, приведена на рисунке 4. Рисунок 4 – Схема сил и напряжений, действующих на прессуемый металл: р, τ – нормальные и касательные напряжения соответственно; пш – пресс-штемпель, к – контейнер, м – матрица, п – поясок матрицы; – продольная деформация По характеру силовых и деформационных условий процесс прессования целесообразно разделить на четыре последовательные стадии, которые отображены на рисунке 3: I - заполнение металлом всего объема контейнера посредством его распрессовки; II - начало истечения, выход металла через канал матрицы с одновременным зонообразованием; III - условно установившееся течение, истечение основной массы металла; IV - начало течения металла из зон затрудненной деформации, завершение истечения. Каждой стадии любого процесса прессования соответствует свой характер течения металла, который имеет решающее значение для прогнозирования закономерностей формирования структуры и свойств пресс-изделий. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 9

Уровень напряжений трения в значительной мере обуславливает неравномерность деформации и течения металла при прессовании, увеличивая или уменьшая достоинства и недостатки различных способов прессования. При прямом прессовании подача смазки на контакт металла с инструментом приводит к тому, что из образующихся в углах контейнера у плоских матриц «мертвых зон» металл все же вытекает, но с меньшими, чем у основного объема металла скоростями, формируя поверхностные слои пресс-изделий. Поверхностные слои в присутствии смазки не могут надежно свариваться с основным металлом, поэтому и возникают различные поверхностные и подповерхностные дефекты: отслоения, плены, боковые пресс-утяжины, рисунок 5. Рисунок 5 – Схема образования подповерхностных дефектов (а) и выдавливания металла через ступенчатую матрицу (б) при прямом прессовании со смазкой: 1 слой смазки; 2 - заторможенная зона; 3 - основной металл заготовки, 4 - основной металл пресс-изделия; 5 - поверхностный слой пресс-изделия; 6 – контейнер; 7 – ступенчатая матрица Используя матрицы с плавным переходом от контейнера до входа в калибрующий поясок, появляется возможность устранения вышеприведенных дефектов. Такой подход позволит уменьшить, а может и полностью исключить зоны торможения истечения. Матрица, удовлетворяющая таким условиям, более сложна и трудоемка в изготовлении, а удаление из нее пресс-остатка затруднено. Прессование изделий высокого качества или пресс-изделий, поверхность которых не подвергается последующей механической обработке, следует проводить без смазки. Этот важный фактор зависимости качества поверхности профилей от смазки обуславливает ограниченное распространение процесса прессования алюминиевых сплавов со смазкой. [2] Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 10

1.2 Механика пластического течения материала при экструзии Большое влияние на качество прессуемых изделий и силовые параметры при прессовании оказывает характер течения деформируемого металла в формующих элементах во время прессования, т.е. характер перемещения отдельных объемов металла, их деформированное состояние. При формовании металлов для исследования механики пластических деформаций применяется теория пластичности. Исследования позволяют анализировать и прогнозировать следующее: 1. Течение материала, в том числе скорости деформации материала и возникающие в нем напряжения; 2. Температуру и теплопередачу; 3. Локальные изменения прочности материала или напряжения потока материала; 4. Напряжения, формирующие нагрузки, давление и выделяемую энергию. Механика пластического деформирования предоставляет средства для определения того, как протекает металл при различных операциях формования, средства получения требуемой геометрии посредством пластического деформирования и средства определения перспективных механических и физических свойств получаемого металла. При простом однородном (одноосном) сжатии или растяжении металл течет пластически, когда напряжение σ достигает величины напряжения потока ̅. Поток алюминия во время экструзии является интерметаллическим сдвиговым потоком. Существенная разница в сдвиговом потоке алюминия по сравнению с другими экструдируемыми металлами заключается в том, что сначала экструдируется центр алюминиевой заготовки, а периферийная часть слитка истекает позже, что приводит к увеличению сдвиговых деформаций. При превышении усилия, необходимого для вдавливания заготовки в поверхность контейнера над силой сдвига материала, начинает преобладать трение прилипания, и деформация происходит сдвигом в объеме заготовки. На поток металла во время экструзии влияют следующие факторы: 1. Измененные свойства материала при повышенной температуре; 2. Трение поверхности раздела заготовка-контейнер и металл-матрица; 3. Коэффициент экструзии. Достаточно большое количество исследований характеристик текучести металлов, таких как свинец, олово и алюминий, было проведено с использованием технологии разделения заготовок. Типичные схемы течения, наблюдаемые при экструзии, показаны на рисунке 6. [3] Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 11

Рисунок 6 – Схема различных типов течения при экструзии метала Характер течения S обнаруживается при экструзии однородных материалов и отсутствии трения на границе раздела контейнера и матрицы. Экструзионные свойства должны быть однородными, как в продольном, так и в поперечном направлениях соответственно. Такая схема течения обычно получается в полностью смазанных условиях, как в контейнере, так и в матрице. Схема течения A получается при экструзии однородных материалов при наличии трения на границе раздела матрицы, а не на границе раздела контейнерзаготовка. Эта структура течения хороша для процесса обратной экструзии. Центральная часть слитка-заготовки движется быстрее материала, истекающего по краям контейнера. Края торца слитка-заготовки формируют отдельную металлическую зону между лицевой поверхностью матрицы и стенкой контейнера, известную как зона пресс-остатка металла. Материал около поверхности подвергается сдвиговому деформированию по сравнению с чистым деформированием в центре, и он течет по диагонали в отверстие матрицы, образуя внешнюю оболочку экструзии. Схема течения B происходит в однородных материалах, когда существует трение как на поверхности раздела между контейнером, так и на поверхности матрицы. Эта структура потока хороша для процессов прямой экструзии. При таком потоке формируется достаточно большая зона пресс-остатка. В этом случае наблюдается более значительная превосходство сдвиговых деформаций, по сравнению с деформациями течения А. Экструзия имеет неоднородные свойства по сравнению с экструзией А. Модель течения С получается при прессовании материала, имеющего неоднородные свойства материала, или же при прессовании при неоднородном распределении температуры в заготовке. Материалы подвергаются более серьезным сдвиговым деформациям вдоль стенки контейнера, а также образуют более протяженную зону пресс-остатка. [3] На свойства экструдированных алюминиевых профилей сильно влияет то, как металл протекает во время экструзии. На течение металла влияют многие факторы: 1. Тип экструзии, прямой или обратный; 2. Объем пресса, размер и форма контейнера; 3. Эффекты трения в матрице, или в контейнере и в матрице; 4. Тип, компоновка и конструкция матрицы; Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 12

5. 6. 7. 8. 9. Тип сплава и длина слитка-заготовки; Температура контейнера и заготовки; Коэффициент экструзии; Температура матрицы и оснастки; Скорость экструзии. Тип, расположение и конструкция матрицы могут изменить процесс обработки материала во время экструзии. Полые матрицы выполняют гораздо больше механической работы с материалом, чем сплошные формы. В зонах пресс-остатка происходит накопление металла и последующее срезание его вдоль грани пресс-остатка. Эта зона представляет собой коническую поверхность матрицы. Процесс прессования в свою очередь может продолжаться вдоль этой созданной зоны. При этом процессе на экструдированном изделии, скорее всего, возникнут поверхностные и подповерхностные дефекты, если не будет сохранено достаточное хорошее соединение стыка. Контроль течения материала При проектировании фильеры перед конструктором поставлен комплекс задач, решение которых обеспечивает уменьшение асимметрии заготовки и изделия. Также комплекс включает в себя решение по корректировке элементов влияющих на истечение материала на отдельных участках профиля. Основными мероприятиями по контролю течения материала являются: 1. Изменение радиуса входной части калибрующего пояска; 2. Проектирование наклонных зон на торцевой поверхности матрицы, которые уменьшают скорость истечения материала; 3. Применение скоса образующей пояска для торможения металла; 4. Изменение эффективных длин калибрующего пояска; 5. Рациональное расположение канала относительно оси матрицы; 6. Введение многоканального прессования. 1.3 Классификация алюминиевых профилей Бывают сплошные, полузамкнутые и полые типы профилей. Предельные отклонения и геометрические размеры имеют различные величины соответственно типу профиля. Типы профилей из алюминиевых сплавов, получаемые методом прессования или экструзии показаны на рисунке 7. Кроме того, в ДСТУ Б В.2.6-3-95 различают профили обычной (нормальной), повышенной и особой точности. ГОСТ 8617-81 предъявляет пониженные требования к точности профилей из сплавов АМг5 и АМг6. В отличие от ДСТУ и DIN ASD не имеет градации профилей по точности. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 13

а б в Рисунок 7 – Типы профилей: а – сплошной, б – полузамкнутый, в – полый В соответствии с ГОСТ 8617-81 профили подразделяют по состоянию материала: без термической обработки (обозначают маркой алюминия или его сплава без дополнительных знаков); отожженные (М), закаленные и естественно состаренные (Т), закаленные и искусственно состаренные (Т1). В ДСТУ Б В.2.6-395, кроме указанных, обозначают не полностью закаленные и естественно состаренные – Т4 и отсутствует обозначение М. [2] 1.4 Оборудование и инструмент для экструзии алюминия 1.4.1 Прессовое оборудование Горизонтальный гидравлический пресс является наиболее распространенным видом пресса для процесса прямого прессования. Производительность пресса варьируется в зависимости от размера используемых штампов, которые могут иметь диаметры от 100 до 1000 мм. Для наиболее распространенных экструдированных изделий используются штампы диаметром от 175 до 250 мм. Для этих диаметров штампов требуются прессы производительностью от 1500 до 3000 МТ. Перечислим основные элементы гидравлического пресса: 1. Рабочий (основной) цилиндр; 2. Задняя поперечина; 3. Пресс-штемпель; 4. Колонны; 5. Контейнер; 6. Устройство перемещения держателя матрицы; 7. Устройство для отделения пресс остатка; 8. Передняя поперечина; 9. Держатель матрицы (салазки); 10. Наклонные направляющие; 11. Контейнеродержатель; 12. Цилиндры перемещения контейнера; Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 14

13. Подвижная поперечина; 14. Цилиндры двойного хода. Конструкция современного горизонтального гидравлического пресса для прямого прессования алюминиевых профилей изображена на рисунке 8. Рисунок 8 – Схема горизонтального гидравлического пресса прямого действия для прессования профилей из алюминиевых сплавов Основные узлы пресса – станина, подвижная поперечина 13, рабочий цилиндр 1, контейнеродержатель 11 с контейнером 5, цилиндры перемещения контейнера 12, салазки 9 и устройство для отделения пресс-остатка 7. Станина состоит из неподвижных передней 8 и задней 2 поперечин, которые соединены колоннами 4 в жесткую раму, которая образует замкнутый силовой контур пресса. На задней пoперечине находится рабочий цилиндр 1 и цилиндры двойного хода 14, которые служат для быстрoгo перемещения подвижной поперечины. На передней поперечине 8 со стороны контейнера находится стол, по которому с помощью цилиндра 6 перемещается салазки 9, а также устройство для отделения пресс-остатка 7. Подвижная поперечина (прессующая траверса) 13, служащая для передачи усилия от рабочего цилиндра к прессуемой заготовке через закрепленный на ней пресс-штемпель 3, связана с плунжерами рабочего цилиндра 1, цилиндрами двойного хода 14 и цилиндрами перемещения контейнера 12. Подвижная поперечина перемещается пo наклонным направляющим 10 колонн 4. Полное усилие прессования создается рабoчим (главным) цилиндрoм 1 и двумя цилиндрами двойного хода 14. Основная задача цилиндров заключается в oбеспечении ускoренного холостого хода вперед прессующей траверсы и отвод ее после прессования. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 15

Деpжатель матрицы сделан в виде салазок 9 с поперечным перемещением по направляющим стoла, который закреплен на передней поперечине пресса 5. Пресс имеет две позиции для размещения матричного комплекта и передвигается для размещения последнего при пoмoщи гидравлическoгo цилиндрa 6. С такoй конструкцией держателя матрицы можно производить смену матриц, очистку, смазку и контроль формы ее рабочего канала без остановки процесса прессования. Устройство для отделения пресс-остатка выполнено в виде ножа, закрепленного с внутренней стороны передней поперечины пресса. Устройство производит рабочий ход после отвода контейнера от матрицы. Последовательность технологических операций: - Установить прессующую траверсу с пресс-штемпелем в исходное положение. При этом прессующая траверса с пресс-штемпелем должна быть максимально удалена от контейнера. При холoстом хoде прессующей траверсы вперед пресс-штемпель заталкивает заготовку в контейнер, после чего подающий механизм возвращается в исхoднoе пoлoжение, освобoждая прoстpанство для дальнейшего движения прессующей траверсы. При последующем движении пресс-штемпеля после прижатия контейнера к матрице происходит распрессовка (заготовка oсаживается так, что ее диаметр становится равным внутреннему диаметpу контейнеpа) и выпуск воздуха из зазopа между загoтовкой и контейнеpом; - Прессование. Прессование идет до тех пор, пока длина пресс-остатка не достигает заданной величины, после чего подвижную поперечину останавливают; - Удаление пресс-остатка. Для удаления пресс-остатка контейнер отводят от матрицы, тогда освобождается пространство для прохода ползуна ножа и отбойника прессостатка. Движением ножа пресс-oстатoк отделяют от изделия, после чегo oн скатывается по желoбу в приемник, а пoлзун нoжа вoзвращается в исхoднoе положение; - Возвращение пресс-штемпеля в начальное положение одновременно с операциями отделения пресс-остатка от изделия происходит возвращение прессштемпеля в крайнее заднее положение и загрузка следующей заготовки в контейнер пресса, т.е. начинается следующий цикл прессования. [2] 1.4.2 Прессовый инструмент Прессовый инструмент включает в себя детали, которые каким либо образом контактируют с заготовкой и формируют изделия: обычно это матрица, контейнер и пресс-шайба. Прессовый инструмент должен обеспечивать следующие функции: 1. Отличное качество поверхности и точность геометрических размеров профилей; 2. Равномерность механических свойств по сечению профиля; 3. Минимальные усилия и максимальная скорость прессования; Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 16

4. Минимальная величина отходов; 5. Наибольшая стойкость в условиях эксплуатации. На рисунках 9 и 10 показан традиционный вид матричных комплектов с плоской и комбинированной матрицей. Рисунок 9 – Матричный комплект с плоской матрицей: 1 – плоская матрица; 2 – подкладка; 3 – обойма матрицедержателя; 4 – опорное кольцо (больстер); 1а – зеркало матрицы; 1б – форкамера; 1в – рабочий поясок; 1г – выходная часть (распушка) Рисунок 10 – Матричный комплект с комбинированной матрицей: 1 – опорное кольцо; 2 – обойма матрицедержателя; 3 – подкладка; 4 – матрица; 5 – рассекатель Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 17

Фильеры подразделяются на два больших класса: сплошные (рисунок 9) и комбинированные (рисунок 10). Сплошные матрицы позволяют прессовать сплошные и большую часть полузамкнутых профилей. Комбинированные (язычковые) матрицы предназначены для прессования профилей с одной или несколькими полостями. Полузамкнутые профили могут быть получены с использованием сплошных либо комбинированных матриц в зависимости от формы консольного элемента, образующегося в матрице. Оценить, какой тип матрицы нужно применить, можно, например, по соотношениям приведенным в DIN 1748. По количеству каналов (ниток) матрицы подразделяются на одно- и многоканальныe. В случае применения многоканальных матриц увеличивается производительность процесса прессования, облегчается истечение металла, однако усложняется проектирование матрицы, и появляется опасность рассогласования скоростей истечения металла из разных каналов в связи с возможной неточностью их размеров. [2] 1.4.3 Фильеры для прессования профилей стандартного сечения Фильеры для прессования стандартного сечения (сплошные) используются для производства профилей, не имеющих, каких либо полостей. От правильного выбора типа матрицы, размеров пояска и даже радиусов закругления зависит насколько эффективно фильера будет использоваться на протяжении всего времени эксплуатации. [2] Сплошные фильеры имеют множество конструкций, они изображены на рисунке 11, каждая из которых имеет свою область применения. Рисунок 11 – Типы матриц для прессования сплошных профилей: а – плоская, б – коническая, в – плоско-коническая, г – двухконусная, д - радиальная Все виды матриц имеют калибрующую часть – поясок, которая определяет размеры и форму деформируемых профилей, и входную часть, которая предохраняет калибрующий поясок от выкрашивания, а прессуемый профиль от задиров на поверхности. Большим преимуществом неплоских матриц является снижение усилия прессования, что позволяет значительно повысить стойкость матрицы. В то же время, при прессовании через конические матрицы объем мертвой зоны значительно уменьшается, и она не задерживает продвижение через матрицу в готовый профиль различных загрязнений с поверхности заготовки. Для снижения Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 18

возможности попадания в изделие дефектных и захоложенных слоев и уменьшения деформаций применяют матрицы с двойным конусом, плоскоконические, радиальные и плоскорадиальные. [2] 1.4.4 Фильеры для прессования профилей сложного сечения В последнее время из-за высокого спроса предприятию необходимо постоянно повышать производственные мощности, а в частности появляется необходимость в проектировании и использовании более эффективных по производительности и работоспособности прессовых инструментов. Таким новым решением стала фильера "портхол". Конструкция такой фильеры представляет собой матрицу и диск рассекателя с оправкой. Рассекатель, который формирует внутреннюю форму профиля удерживается выступом наружного кольца матрицы. Этот выступ сделан так, чтобы обеспечить наименьшее возможное поперечное сечение заготовки алюминия, но достаточное, чтобы обеспечить прочность, необходимую для противодействия силам прессования без значительных отклонений. В этом случае диск рассекателя выполняется как единое целое с оправкой. Диски оправки и матрицы имеют одинаковые диаметры. Полости, образуемые рассекателями и кольцом диска, – питающие каналы – также называют портами. Конструкция камерной матрицы изображена на рисунке 12. Рисунок 12 – Камерная матрица (портхол) Сварочная камера может располагаться или в самой матрице, или в диске оправки, или наполовину в матрице, наполовину в диске оправки. Первый вариант исполнения наиболее распространен и предпочтителен с точки зрения Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 19

уменьшения упругой деформации и удобства механической обработки. Варианты размещения сварочной камеры изображены на рисунке 13. Рисунок 13 – Варианты размещения сварочной камеры: а – в матрице, б – в рассекателе, в – в матрице и в рассекателе Существенным преимуществом матрицы "портхол" является возможность отделения пресс-остатка при помощи ножа и осуществления полунепрерывного прессования, недостатком – повышенное давление прессования и трудность удаления металла из питающих каналов. Преимущества камерных матриц наиболее полно проявляются при прессовании сплавов низкой и средней прочности. [3] 1.4.5 Особенности конструктивного исполнения камерных матриц Самым сложным и наиболее важным инструментом для изготовления профилей из алюминиевых сплавов с низким и средним содержанием сплава является камерная матрица. На рисунке 14 схематически показаны две типичные камерные матрицы в двухканальной и одноканальной конструкции для изготовления полых профилей из алюминиевого сплава. Рисунок 14 – Типы камерных матриц Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 20

С помощью этих матрицы можно изготавливать экструдированные изделия из алюминиевых сплавов с очень высокими требованиями к размеру и точности формы. Без этих специальных инструментов не было бы технологии с большим сечением с определенной геометрией поперечного сечения профиля напряжения для требовательных конструкций. Камерные матрицы обычно состоят из двух частей. Формирование внутренней формы профиля происходит в верхней части (рассекателе), а внешнее в нижней части (матрице). [3] Экономическое производство предполагает использование многоканальных фильер для крупных заказов. Это также относится к плоским фильерам. Каналы матрицы должны быть расположены на определенных расстояниях от оси матрицы или центральной линии контейнера. При проектировании таких фильер нужно придерживаться определенных правил, принятых для каналов с различными поперечными сечениями. Уменьшение скорости течения материала к стенке вкладыша контейнера также должно быть компенсировано увеличением размера отверстий. Этот процесс иллюстрируется схемой на рисунке 15. Рисунок 15 – Схема расположения каналов Руководящие указания для конкретного увеличения размера областей каналов в зависимости от расстояния от оси матрицы или контейнера могут быть получены с использованием соотношений, основанных на практическом опыте, приведенном ниже: [ Изм. Лист № докум. ] Подпись (1) Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 21

где – площадь камеры, расположенной дальше всего к оси матрицы; – площадь камеры, расположенной ближе всего к оси матрицы; – расстояние от центра камеры, расположенной дальше всего от оси матрицы; – расстояние от центра камеры, расположенной ближе всего от оси матрицы; Опоры (мосты), соединяющие камеры в верхней части, также влияют на поток материала в фильере. Обычно они должны располагаться в углах поперечного сечения профиля, как показано на рисунке выше. [3] Методика проектирования фильер Проектирование и изготовление фильер являются наиболее важными и требовательными аспектами всего процесса экструзии. На конструкцию матрицы влияют многие факторы, в том числе процесс прессования и обслуживание пресса, понимание сечения профиля и его допусков, а также характеристик сплава. В основе проектирования и производства фильер лежит многолетний опыт. Часть этого опыта отражена в эмпирических правилах проектирования, но разработка детали типа рассекатель сильно зависит от личного суждения, интуиции и опыта разработчика. Не существует двух одинаковых по форме, материалу, твердости и шероховатости поверхности фильер. Проектирование фильер включает в себя решение задач: - Выбор формы и определение продольного профиля фильеры, в основном выбор осуществляется из двух вариантов – плоской и конической. При проектировании комбинированных матриц определят количество сварных швов в прессуемом изделии, тип матрицы и форму рассекателя; - Вычисление поперечного размера канала матрицы, учитывая температурные изменения, упругие деформации кромок, уменьшение толщин кромок профиля из-за внеконтактной и других упругих деформаций. Этот расчет должен обеспечить наибольшую точность поперечных сечений размеров профиля; - Вычисление других характеристик фильеры, влияющие на течение прессуемого материала: расположение каналов относительно оси фильеры, высота рабочих поясков, угла наклона поясков к продольной оси фильеры, присутствие форкамер, взаимного расположения отдельных каналов при проектировании многоканальных фильер. - Проведение расчета на сопротивление нагрузкам с учетом наибольшего давления на пресс-шайбу и матрицу. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 22

2 Конструкторский раздел 2.1 Проектирование одноканальной фильеры 2.1.1 Исходные данные. Геометрия алюминиевого профиля В основе проектирования прессового инструмента лежит геометрия алюминиевого профиля. За объект исследования принят реальный тип профиля по проекту, который требовалось выполнить на предприятии «Сегал» для морских судостроительных предприятий – дверной профиль КП 4560 С. Созданная трехмерная модель и геометрия поперечного сечения алюминиевого профиля представлены на рисунке 16. Рисунок 16 – Алюминиевый профиль КП 4560 С Точность размеров (поля допусков) и поверхностей приняты по отраслевым стандартам. взаимного расположения 2.1.2 Обоснование конструкции и расчет размеров фильеры Для матриц с радиусом больше 100 мм диаметр матрицы принимают , где – диаметр описанной окружности, который проводят через максимально удаленные точки канала матрицы. Высота матрицы, в свою очередь, зависит от марки прессуемого материала, формы профиля, механических характеристик материала матрицы. Пользуясь уже устоявшимися правилами и размерами отверстия под инструмент пресса, определяем следующие размеры для Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 23

габаритов деталей. На рисунке 17 приведена схема расположения элементов фильеры и их габаритные размеры. Рисунок 17 – Габаритные размеры элементов фильеры Расположение рабочего канала в матрице Форма поперечного сечения профиля, при одноканальном исполнении матрицы, является важнейшим условием, которое влияет на местоположение рабочего канала в матрице. Степень симметрии профиля относительно системы координат является ключевым фактором формы. При расположении рабочего канала матрицы следует понимать, что скорость течения материала убывает по мере удаления от центра матрицы. При проектировании расположении рабочего канала, конструктор должен учесть выход профиля из матрицы и сориентировать его так, чтобы отпрессованный профиль ложился на стол ребрами или углами, в противном случае, скорее всего, стол оставит на поверхности профиля царапины. Также необходимо учесть то, что профиль после прессования горячий и недостаточно жесткий, поэтому важно аккуратно уложить его на стол. Исходя из этого условия, можно сделать вывод, что поверхность соприкосновения профиля со столом пресса должна быть минимальной, и невидимой после монтажа профиля в общую конструкцию. Профиль не должно скручивать, что может привести к появлению волнистости, для этого положение профиля на столе должно быть устойчивым. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 24

Пользуясь вышеуказанными определениями, задаем точку центра масс поперечного сечения профиля и располагаем эту точку в центре матрицы. На рисунке 18 показано расположение рабочего канала в матрице. Рисунок 18 – Расположение рабочего канала в матрице Предварительный расчет толщины поясков Одним из самых важных инструментов для выравнивания и корректировки скоростей течения материала является изменение размеров поверхности контакта калибрующей части матрицы при различных элементах профиля. Увеличивая площадь поверхности поясков, тем самым увеличивается сила трения и гидростатическое давление соответственно элементу зоны пластических деформаций. Именно поэтому, на участках с наименьшими размерами поперечного сечения профиля увеличивают толщину калибрующих поясков, а на участках с наибольшими размерами профиля – наоборот. Переходы между элементами поясков с разной толщиной не должны выполняться в форме ступеней, они должны быть плавными. Существует множество способов теоретически посчитать толщину поясков, это может быть как метод зависимости Б.И.Матвеева и Е.Б.Журавского, а также метод разделения профиля на элементы, вписывая в него окружности. Конструкторы предприятия «Сегал» эмпирически получили свою формулу: (2.1) где – высота элемента пояска, – толщина элемента профиля в сечении, 2,3…2,7 – коэффициент, значение которого определяется в зависимости от сложности профиля, обычно он составляет среднее значение – 2,5. По вышеприведенной формуле и рекомендациям конструкторов, высчитываем толщины поясков профиля КП 4560 С. Результаты расчета приведены на схеме, изображенной на рисунке 19. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 25

Рисунок 19 – Расчет толщины поясков На схеме линиями указаны разделения элементов профиля. В этих местах происходят переходы по высоте в верхнюю или нижнюю сторону. Стрелками показаны направления изменения высоты пояска. Определение размеров форкамеры Во многих случаях, чтобы оказать воздействие и выровнять истечения отдельных элементов профиля не ограничиваются только коррекцией рабочего пояска, добавляя проточки и канавки дополнительно к основному каналу, формирующему сечение профиля на зеркале матрицы, около этих элементов. Такие канавки называют карманами или форкамерами. Их различные исполнения свойственны геометрии профиля, они облегчают течение материала в затрудненных местах и способствуют выравниваю скоростей прессования различных элементов профиля. При использовании форкамер уменьшается прогиб матрицы, что оказывает положительный эффект, особенно важно их применение при прессовании разветвленных профилей или профилей полузамкнутого типа. При использовании форкамер можно выделить такие преимущества как: стабилизация размеров получаемого профиля, снижение вероятности поломки рабочего пояска, облегчение ручной и возможность использования станочной корректировки матрицы. Форкамеры имеют глубину минимум 5 мм. Обычно порядка 15 мм при диаметре описанной вокруг профиля окружности 50…200 мм. В первом приближении принято считать, что ширина отверстия форкамеры обратно пропорциональна толщине соответствующего элемента канала матрицы. На рисунке 20 приведена зависимость удельного периметра (отношения Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 26

периметра к площади) форкамеры от удельного периметра канала, полученная путем аппроксимации производственных данных. Рисунок 20 – Зависимость удельного периметра форкамеры от удельного периметра канала Размер элемента от стенки канала до стенки форкамеры больше в тех областях, где течение материала затруднено, и обычно это расстояние составляет 2…10 мм. В областях тупиковых элементов профиля стенку форкамеры располагают в 1,5-2 раза дальше по сравнению с соседними элементами. Еще одним важным конструкторским элементом является заглубление в области консольных элементов, обычно оно составляет 3…5 мм ниже плоскости матрицы. Обычно применяют формы форкамер, приведенные на рисунке 21. Рисунок 21 – Общеприменяемые формы форкамер Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 27

Пользуясь вышеприведенными рекомендациями и зависимостями, выполняем форкамеру в матрице со следующими геометрическими формами и размерами: глубина форкамеры – 15 мм, описанная окружность форкамеры 181 мм, остальные конструкционные размеры выполнены для эффективной механической обработки элемента (R12,5). На рисунке 22 проиллюстрировано исполнение форкамеры в матрице. Рисунок 22 – Исполнение форкамеры в матрице Выходная часть матрицы Выходная часть представляет собой эквидистанту формы профиля. Почти всегда, она выполняется с расширением по удалению от кромок корректирующих поясков и имеет некий угол. Иногда же выходную часть выполняют ступенями, отступая эквидистантой профиля равномерные шаги в 1-3 мм от канала профиля. При проектировании и изготовлении выходного канала важно соблюсти Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 28

концентричность распушки и канала матрицы, чтобы избежать соприкосновения о стенки, и дальнейших его повреждений. Обычно эти конструкторские элементы выполняют такими, как изображены на рисунке 23. Рисунок 23 – Варианты исполнения калибрующего пояска В большинстве случаев распушку выполняют с уклоном, используя при этом ровную подрезку по контуру профиля. При проектировании рекомендуемо выполнять подрезку величиной не превышающей 0.3 от толщины пояска. Пользуясь рекомендациями, выбираем ровную подрезку с уклоном выходной части. 3D-модель области построения проиллюстрирована на рисунке 24. Рисунок 24 – Выходная часть матрицы Кроме перечисленных выше элементов, комбинированным матрицам свойственны некоторые специфические элементы, таковыми являются порт, рассекатель, сварочная камера и др. Рассмотри их конструктивные особенности. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 29

Порт Конструктора имеют множество методов по контролю истечения материла. Размер и геометрия портов, также называемые камерами, оказывают сильное влияние на скорость течения. Также важным фактором в контроле истечения является взаимное расположение камер относительно друг друга. В одноканальном исполнении порты располагаются симметрично относительно оси фильеры. Согласно площади элемента канала матрицы, площадь питающих портов должна быть максимально возможной. При подборе этого размера важно не забывать про прочностные характеристики мостов, ведь при увеличении этого размера, с одной стороны, возможно уменьшение размера рассекателя, с другой же, рассекатель теряет свои прочностные свойства и может не выдержать прилагаемых нагрузок. 3D-модель области построения портов показана на рисунке 25. Рисунок 25 – Исполнение портов на рассекателе Стенки каналов портов обычно выполняют под наклоном – угол между осью прессования и стенкой около 5 (угол  на рисунке 12). Этот угол позволяет облегчить течение металла за счет создания застойных зон периферийной зоне порта. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 30

Мостик рассекателя В настоящее время задача по оптимизации формы рассекателя решается эмпирически, исходя из накопленного производственного опыта конструкторов. При использовании комбинированных матриц скорость прессования и прочих факторов ограничена скоростью процессов сварки потоков материала, выходящего из различных портов. Добиться максимальной скорости можно при уменьшении толщины рассекателя и угла при его нижней вершине. Однако при этом уменьшается и прочность рассекателя. Для того, чтобы добиться оптимального решения принимают соотношение между площадью поверхности рассекателя, воспринимающей давление прессования, и площадью поперечного сечения рассекателя не более 0,75. Проведем проверочный расчет мостов после проектирования портов рассекателя. С помощью программы SolidWorks измерим площади элементов моста и сравним их соотношение с рекомендуемым. Результаты проведенных измерений приведены на рисунке 26. а б Рисунок 26 – Мостик рассекателя камерной матрицы Соотношение измеренных площадей равно 0,58. Технологические элементы конструкции фильеры Фильера, состоящая из таких элементов как рассекатель, матрица и подкладка, имеет сборочные и технологические элементы. На рисунке 27 показаны три разреза фильеры в сборке. Рисунок 27 а – (проекция XZ) иллюстрирует такие элементы как отверстия под винты М12х95. Эти отверстия выполняют на каждой детали отдельно, Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 31

поэтому при механической обработке важно соблюсти концентричность каждого отверстия. Рисунок 27 б – (проекция XY) иллюстрирует такие элементы как отверстия под рым-болты, сделанные с двух сторон на внешней стороне рассекателя и матрицы. Эти отверстия нужны для транспортировки вышеперечисленных элементов, так как их вес составляет более 30 кг. Также на этом рисунке можно увидеть отверстия под штифты, которые позволяют центрировать две основные детали, рассекатель и матрицу, в момент сборки. Рисунок 27 в – (проекция XY под углом 45 градусов) иллюстрирует такие элементы как технологические отверстия, сделанные в деталях матрицы и подкладке для точного переустанова этих элементов при механической обработки их на фрезерном центре. а б в Рисунок 27 – Технологические элементы в фильере Особенности конструктивного исполнения учитывались при модернизации. 2.2 Основания для модернизации конструкции фильеры Основанием для модернизации фильеры в многоканальное исполнение служит увеличение производительности процесса прессования, а также облегчение истечения материала, однако при этом усложняется проектирование фильеры. Также большим недостатком проектирования многоканальной фильеры Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 32

является рассогласование скоростей истечения материала, за счет возможной неточности размеров каналов. При увеличении каналов в фильере производительность повышается прямо пропорционально только в том случае, если площадь каналов имеет ту же площадь, что и при одноканальном исполнении. В большинстве случаев площадь увеличивается, тем самым повышая силы трения, воздействующие на истечение. Таким образом, обычно прирост производительности составляет 95…99%. При многоканальном прессовании прочность мостов возрастает благодаря увеличению каналов и «ножей» соответственно. Прирост прочности обычно составляет около 25%. 2.3 Проектирование двуканальной фильеры При проектировании многоканальной фильеры используется общая методика, свойственная и одноканальной фильере. Одной из ключевых проблем, которую необходимо учитывать при разработке конструкции является плохая обрабатываемость при резании. На этом этапе проектирования конструктор и технолог должны работать кооперативно для достижения наибольшей эффективности прессового инструмента. Рассмотрим основные изменения, произведенные в одноканальной фильере при ее модернизации в многоканальное исполнение. Изменение расположения рабочих каналов в матрице Чтобы увеличить производительность и снизить внеконтактные деформации, число рабочих каналов было изменено до двух. Расположение рабочих каналов фильеры показано на рисунке 28. Рисунок 28 – Расположение рабочих каналов в многоканальной матрице Увеличение количества каналов до трех является невозможным из-за неизбежных проблем с рассогласованием скоростей истечения материала из отдельных каналов. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 33

Изменения размеров форкамеры Увеличение количества каналов, в свою очередь, влияет на изменение геометрии и размеров форкамеры. При проектировании форкамеры для двуканальной фильеры с расположением каналов симметрично относительно осевой линии матрицы используется форма, показанная на рисунке 29. Рисунок 29 – Геометрия и размеры форкамеры Еще одним конструкторским изменением, которое решено было сделать – разделяющая ступень форкамеры, которая будет перераспределять поток течения материала в сварочную камеру каждого отдельного канала. Изменение выходной части матрицы Было также принято решение упростить выходную часть матрицы в двухканальном исполнении. Это было сделано для того, чтобы уменьшить время механической обработки матрицы. Исполнение этого конструкторского решения можно увидеть на рисунке 30. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 34

Рисунок 30 – Выходная часть матрицы Выходная часть эквидистанты профиля. выполнена параллельными ступенями с формой Изменение портов рассекателя При увеличении количества каналов увеличивается количество портов питающих свой канал. Так при добавлении одного канала, количество портов увеличивается до семи штук, что позволяет питать канал профиля независимо друг от друга. Размещение портов рассекателя в двуканальном исполнении проиллюстрировано на рисунке 31. Рисунок 31 – Размещение портов в двуканальном рассекателе Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 35

При проектировании в порты закладываются максимально возможные размеры, пропорционально площади элемента канала матрицы, который он питает. Промежуточный вывод по конструкторскому разделу Значимыми основаниями для модернизации фильеры в многоканальное исполнение являются: 1. Увеличение производительности процесса прессования на 98%; 2. Облегчение истечения материала; 3. Увеличение прочности мостов рассекателя на ~ 25% Однако, при модернизации конструкции появляются сложности, связанные с такими факторами как: 1. Высокая сложность механической обработки рассекателя; 2. Рассогласование скоростей истечения из разных каналов в связи с неточностью размеров; 3. Отсутствие надежных методик аналитического прочностного расчета сложнопрофильных многоканальных фильер. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 36

3 Конечно элементное моделирование алюминиевых профилей процессов прессования 3.1 Термостатический анализ элементов конструкции фильеры Факт, что прессовый инструмент работает в чрезвычайно тяжелых условиях, является общеизвестным. Коэффициент запаса прочности таких конструкций, как фильера может быть близким к единице. Самыми уязвимыми местами в фильере являются мосты рассекателя, ведь все нагрузки, передаваемые с пресса на заготовку, переходят на рассекатель, который в свою очередь разрезает слиток заготовки на несколько частей. Помимо высоких нагрузок, рассекатель, как и весь матричный комплект подвержен высоким температурам. Проведем термостатический анализ одноканального рассекателя в программном комплексе Fusion 360 при следующих граничных условиях: 1. Диаметр заготовки-слитка 215 мм; 2. Сила прессования 2500 ТС (~ 24,5 МПа); 3. Температура рассекателя 250 С. Возникающие напряжения и деформации приведены на рисунках 32 и 33 соответственно. Рисунок 32 – Напряжения в одноканальном рассекателе Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 37

Рисунок 33 – Деформации в одноканальном рассекателе В результате расчета коэффициент запаса прочности составил 3.4, максимальные возникающие напряжения в рассекателе равны 437.7 МПа, максимальные перемещения равны 0.0149 мм. Проведем термостатический анализ многоканального рассекателя при неизменных граничных условиях. Возникающие напряжения и деформации приведены на рисунках 34 и 35 соответственно. Рисунок 34 – Напряжения в многоканальном рассекателе Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 38

Рисунок 35 – Деформации в многоканальном рассекателе В результате расчета коэффициент запаса прочности составил 4.33, максимальные возникающие напряжения в рассекателе равны 335.8 МПа, максимальные перемещения равны 0.01502 мм. Исходя из расчетов, можно сделать вывод о том, что модернизация конструкции позволила повысить прочность рассекателя на 27% 3.2 Моделирование подхода прессования на основе Лагранжево-Эйлерова На предприятии «Сегал», конечно элементное моделирование процессов прессования выполняют в программном комплексе QForm-Extrusion. Эта программа является специализированной для моделирования прессования алюминиевых профилей. Для расчета установившейся стадии истечения металла в QForm-Extruison применяется модель Лагранжа-Эйлера. Модель основана на следующем предположении: комплект инструментов уже заполнен металлом и течение металла внутри него не изменяется. Таким образом, конечно элементная сетка внутри комплекта инструментов представляет собой область расчета и сетка внутри области расчета не изменяется, а металл течет сквозь нее. Такая модель позволяет программе при расчете не менять сетку конечных элементов внутри матричного комплекта, а только рассчитывать для каждого шага скорости истечения металла для всех узлов сетки на выходе из него. При этом по мере прохождения металла через контур пояска профиль постепенно увеличивает свою длину. Вследствие неравномерного распределения скоростей истечения металла профиль может подвергаться смятию, кручению и продольному изгибу. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 39

Цель компьютерного моделирования состоит в том, чтобы предсказать нежелательные искажения профиля и найти пути по оптимизации истечения и минимизации различных отклонений от требуемой формы. Во время производственной практики проведены натурные эксперименты в реальных производственных условиях, которые подтвердили достоверность расчетов по применяемой модели по силе выдавливания, картине истечения металла и распределению температуры. Наиболее важная стадия истечения металла с практической точки зрения – это квазистационарная стадия, когда формируется форма профиля продукта и его свойства. В течение квазистационарной стадии такие параметры, как температура и сила могут изменяться, но эти изменения не оказывают значительного влияния на истечение и в большинстве случаев ими можно пренебречь. Основные исходные данные для моделирования: 1. Геометрические модели матричного комплекта, спроектированные в CAD системе; 2. Свойства прессуемого материала (зависимость сопротивления деформации от скорости деформации, температуры и накопленной деформации); 3. Граничные условия на контакте поверхности прессуемого материала с инструментом (трение, коэффициент теплопередачи и температура инструментов); 4. Параметры процесса (температура подогрева заготовки, скорость прессштемпеля и сила выдавливания). Моделирование процесса прессования выполняется в пределах так называемой области расчѐта. Область расчѐта- это объѐм выдавливаемого материала, который частично заполняет контейнер и полностью заполняет внутреннее пространство матричного комплекта вплоть до малого выхода профиля из зоны пояска. В случае проектирования комбинированного инструмента для полого профиля, инструмент имеет такие элементы как рассекатель, матрицедержатель, распушку и опорное кольцо. При прессовании комбинированного профиля инструмент проектируется в зависимости от специфики конкретной геометрии, ее сложности. Прессуемый материал заполняет пространство внутри контейнера и контактирует с рассекателем и матричным узлом в случае прессования полого профиля. Другие части матричного комплекта (распушка и опорное кольцо) не имеют непосредственного контакта с материалом и не используются при создании области расчѐта. Их конструкция и свойства принимаются во внимание при моделировании напряжѐнно деформированного состояния всего матричного комплекта и его упругой деформации. Область расчета показана на рисунке 36, где мы отчетливо видим объем материала, который заполнил контейнер, форкамеру с карманами и матрицу. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 40

Рисунок 36 – Область расчета полого профиля Конечно-элементная сетка внутри области расчѐта состоит из тетраэдрических элементов. Качество сетки является основополагающим фактором в получении достоверных результатов расчѐта. Сетка недостаточной плотности или со слишком большими градиентами может привести к проблемам сходимости решения и существенно ухудшить качество решения. Особенно критично, если сетка имеет неподходящую плотность в области возле пояска, т.к. в этом месте наибольшая интенсивность деформации. В то время как достаточно иметь 2-3 элемента по толщине профиля, необходимо иметь по крайней мере 10 элементов в области зоны максимальных деформаций. Таким образом, конечно элементная сетка должна быть максимально адаптирована для точного расчѐта градиента скоростей истечения на выходе из очка матрицы. Адгезионно-деформационная деформации металлов теория трения при пластической Экспериментальные и теоретические исследования контактного трения в процессах ОМД и в частности при прессовании профилей показывают, что контактные силы между деформируемым материалом и инструментом представляют собой совместное действие сил адгезионного трения и сил, требуемых для преодоления неровностей и шероховатостей инструмента. Таким образом, уравнение для подсчета сил контактного трения может быть записано в следующем виде: (3.1) где Изм. – суммарная сила трения; Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 41

– силы, необходимые для преодоления адгезионных сил сцепления; – силы, необходимые для пластической деформации приконтактного слоя. Силы адгезионного трения порождаются молекулярными связями контактирующих тел и зависят в основном от их физических свойств. Деформационная составляющая сил трения необходима для преодоления неровностей и зависит от шероховатости поверхности инструмента, сопротивления деформации деформируемого металла, контактного давления и относительной скорости движения материала. При высоких контактных давлениях преобладает деформационная составляющая сил трения . При низких контактных давлениях начинают преобладать силы адгезионного трения . Обозначим напряжения трения, вызванные адгезионным механизмом. Эти напряжения зависят от фактора трения и сопротивления деформации материала S: (3.2) где является контактной областью. Значение может варьироваться от 0,05 до 1 благодаря хорошей адгезии алюминия относительно стали. Для описания деформационной составляющей напряжения трения воспользуемся такой же зависимостью, но с другим коэффициентом: (3.3) где является фактором трения, который учитывает только деформационные компоненты трения. Таким образом, суммарное значение напряжения трения τ может быть представлено как (3.4) При экструзии профилей очаг деформации можно разделить на 2 зоны с точки зрения условий трения. Первая зона включает область контейнера, питателей и форкамеры. Здесь вследствие высокого давления деформационный коэффициент трения m близок к 1. т.е. напряжение трения τ равно сопротивлению деформации металла S и даже может превышать его вследствие дополнительного вклада адгезионного трения. В этом случае в очаге деформации возникает внутреннее трение, т.е. на контактной поверхности возникает прилипание, а интенсивные сдвиги наблюдаются в глубине металла. Эту картину можно видеть на многих экспериментах с деформационными сетками. Первая контактная зона условий трения показана на рисунке 37. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 42

Рисунок 37 – Первая зона расчета Ко второй контактной зоне относятся пояски. В этой зоне имеются три участка с различными законами трения в них: 1. Зона прилипания, где преобладает деформационное трение. Она характерна для входа в канал поясков или на самих поясках, если задан уклон. 2. Зона скольжения, где деформационное и адгезионное трение сопоставимы и деформационное трение убывает к выходу из канала. 3. Зона, где деформационная составляющая мала и периодически возникают отрывы от инструмента. Соотношение размеров этих зон зависит от трех основных факторов, которые могут варьироваться вдоль периметра профиля. Таким образом, для каждой точки вдоль периметра профиля следующие три параметра оказывают влияние на протяженность зон трения: 1. Главный фактор – это суммарный угол уклона пояска ; 2. Толщина профиля в данном месте ; 3. Скорость истечения профиля . Суммарный угол наклона пояска складывается из спроектированного угла наклона пояска, если таковой есть, и наклоном, который появляется вследствие деформации инструмента. Толщина профиля также может варьироваться вследствие упругой деформации матриц. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 43

Сравнение результатов моделирования с практическими примерами Сравнение расчѐтных и практических результатов номенклатуры профиля КП 4560 С представлена на рисунке 38. для широкой Рисунок 38 – Сравнение результатов профиля КП 4560 С Сложно измерить распределение скоростей истечения металла по всей длине профиля во время реального выдавливания. Поэтому для сравнения результатов предпочтителен такой способ, как сопоставление формы переднего жѐсткого конца, полученного на практике, с формой выхода профиля, полученного моделированием. Как видно из рисунка, результаты сравнения показывают высокую сходимость между моделированием и практикой. Важно понимать, что различные участки профиля при прессовании могут изменять скорость истечения со временем. Например, нижняя перемычка профиля в начале процесса является самым медленно выдавливаемым сегментом, но в течение процесса скорость в этом месте становится выше и образуется схожая с экспериментом форма. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 44

4 Технология изготовления многоканальной фильеры Современные автоматизированные производства нацелены на наращивание производственных мощностей, повышение качества изделий и экономии трудовых ресурсов, затрачиваемых на их изготовление. Для достижения этих целей нужно опираться на современные производственные технологии, такие как применение новых инструментов, станков ЧПУ и систем САПР. В технологическом разделе выполнены все этапы технологического проектирования: оценка качества изделий, анализ и расчет размерных цепей, сборка изделий и механическая обработка деталей. При разработке технологии изготовлении фильер руководствовались общепринятой методикой, применяемой для деталей подобного типа. Технологическая схема производства матриц состоит из следующих этапов: 1. Подготовка заготовок – разрезка поковок или пруткового проката на дисковых или ленточных пилах; 2. Токарная обработка внешних и внутренних габаритных размеров; 3. Шлифование торцов; 4. Маркировка; 5. Обработка форкамеры на фрезерном центре с ЧПУ; 6. Сверление отверстий для соединения матрицы с рассекателем и подкладкой; 7. Изготовление электрода на электроискровом станке с ЧПУ для выжигания материала, который невозможно обработать на фрезерном центре; 8. Прошивка выходного отверстия графитовым или медным электродом; 9. Фрезерование выходного канала конической скругленной фрезой для придания каналу расширения; 10. Сверление отверстия под ввод проволоки-электрода при последующей обработке на электроэрозионном станке, снабженном соответствующим устройством; 11. Термическая обработка прессового комплекта; 12. Обработка канала матрицы на электроэрозионном проволочном станке; 13. Полировка рабочих поверхностей на установках экструзионного хонингования посредством многократного продавливания через канал абразивной (алмазной) пасты, что позволяет довести шероховатость поверхности рабочего пояска до 10 – 12-го класса; 14. Измерительные работы с использованием прожекторов, микрометров, калибров. При производстве рассекателей камерных фильер после операций отрезки заготовки, обточки, шлифовки, разметки и маркировки производится сверление отверстий для последующей фрезеровки портов (окон), а также сверление и Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 45

нарезание резьбы под болтовые соединения рассекателя с матрицей. После фрезеровки портов и термообработки производится электроэрозионная обработка оправки с помощью медного электрода и окончательная машинная доводка. Технологическая схема изготовления подкладки включает: отрезку заготовки, обточку, шлифовку, разметку и маркировку, сверление отверстия для ввода полотна пилы, прорезание канала на вертикальной ленточной пиле, доводку на фрезерном станке, выполнение соединительных отверстий под болты и штифты, термообработку и выходной контроль. На разных предприятиях применяются разные последовательности выполнения операций при изготовлении каналов матриц. Так, на одних предприятиях вначале прожигают канал матрицы, а затем изготавливают "распушку", т.е. выходной канал, а на других вначале прожигают выходной канал, а затем прожигают рабочий канал, используя полость выходного канала как направляющую. Прорезание рабочего канала можно осуществлять с помощью прошивного, а не проволочного электроэрозионного станка. Термообработка также может проводиться либо до, либо после обработки на электроэрозионных станках. 4.1 Выявление и анализ технических условий и норм точности Инструмент для прессования изделий должен обеспечивать точность размеров изделий, обладать высокой прочностью, чтобы противостоять весьма большим напряжениям, возникающим при прессовании, обладать высокой жесткостью во избежание деформаций, приводящих к трещинообразованию в прессовках и повышенному износу инструмента, иметь высокую поверхностную твердость, чтобы противостоять износу, иметь минимальные допуски на формообразующие размеры, иметь высокую чистоту поверхности, обеспечивать высокую производительность, быть долговечным в работе. К инструменту относятся детали пресс-форм технологического назначения: матрицы, пуансоны, стержни. Рассмотрим принципы конструирования этих наиболее ответственных деталей пресс-форм. Матрицы в пресс-формах применяются трех видов: сплошные, составные и сборные. Составные и сборные матрицы могут быть как цельные, так и разрезные. Разрезные матрицы, в свою очередь, бывают разъемными и неразъемными. При конструировании разрезных матриц необходимо правильно выбрать число разрезов и их места. При проектировании калибровочных матриц большое значение имеют форма, длина и угол заходного и выходного конусов. Вкладыши – это детали (или деталь) матрицы, пуансона или стержня, образующие либо формующую полость (вкладыши матрицы или пуансона), либо формующий элемент пуансона, матрицы или стержня, создающий углубления в прессуемом изделии. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 46

Основные требования, предъявляемые к прессовому инструменту, в полной мере относятся и к калибрующему (точность размеров, чистота поверхности, необходимые твердость, прочность и жесткость). 4.2 Методы достижения точности 4.2.1 Выбор методов достижения точности Размерная цепь А При сборке необходимо обеспечить габаритный размер зазор мм между торцом рассекателя и торцом подкладки. Зазор должен компенсировать тепловые деформации деталей при работе узла. Составляющими звеньями размерной цепи, представленной на рисунке 39, являются: Аd – габаритный размер фильеры; А1 – ширина рассекателя; А2 – ширина матрицы; А3 – ширина подкладки;. Рисунок 37 – Размерная цепь А Уравнение размерной цепи: ∑ ∑ (4.1) где ni, nj – число соответственно увеличивающих и уменьшающих звеньев. Проверим правильность составления уравнения размерной цепи: Посчитаем допуск звена по методу полной взаимозаменяемости, используя формулу: ∑ | | (4.2) В линейной размерной цепи |ξAi| = 1. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 47

Допуск звена, рассчитанный по методу полной взаимозаменяемости, соответствует требуемому допуску. Следовательно, возможно обеспечить требуемый допуск замыкающего звена данным методом. Таблица 1 – Звенья размерной цепи Звено размерной цепи Наименование звена Номинальный размер, мм Габаритный размер 160 Высота рассекателя 70 Высота матрицы 55 Высота прокладки 35 Допускаемые предельные отклонения, мм 0 -0,3 0 -0,1 0 -0,1 0 -0,1 Допуск, мм Координата середины поля допуска 0,300 -0,150 0,100 -0,050 0,100 -0,050 0,100 -0,050 Размерная цепь a На рисунке 40 показаны следующие оси: 1 – внешняя цилиндрическая поверхность рассекателя; 2 – внешняя цилиндрическая поверхность выступа рассекателя; 3 – внутренняя цилиндрическая поверхность углубления матрицы; 4 – отверстие под штифт в матрице; 5 – штифт; 6 – отверстие под штифт в подкладке; 7 – внешняя цилиндрическая поверхность подкладки; Рисунок 40 – Размерная цепь α Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 48

Составляющими звеньями размерной цепи α являются: α1 – смещение и поворот оси диаметра внешней цилиндрической поверхности рассекателя вследствие смещения оси внутренней цилиндрической поверхности углубления матрицы; α2 – смещение и поворот оси диаметра внешней цилиндрической поверхности выступа рассекателя; α3 – смещение оси внутренней цилиндрической поверхности углубления матрицы вследствие смещения оси штифтового отверстия в матрице; α4 – отклонение от параллельности осей отверстий в матрице; α5 – смещение оси штифта вследствие смещения отверстий в подкладке; α6 – отклонение от параллельности осей отверстий в подкладке; α7 – смещение и поворот оси диаметра внешней цилиндрической поверхности подкладки; αΔ – отклонение от параллельности осей внешних цилиндрических поверхностей рассекателя, матрицы и подкладки. Таблица 2 – Звенья размерной цепи Звено размерной цепи αΔ α1 α2 α3 α4 α5 Наименование звена Предельное отклонение от параллельности осей Смещение оси внешней цилиндрической поверхности рассекателя Смещение оси внешней цилиндрической поверхности выступа рассекателя Смещение оси внутренней цилиндрической поверхности углубления матрицы Отклонение от параллельности осей отверстий в матрице Смещение оси штифта Отклонение от параллельности осей отверстий в подкладке Смещение оси внешней цилиндрической поверхности подкладки α6 α7 Номинальный размер, мм 0 Допускаемые предельные отклонения, мм +0,038 -0,038 Допуск, мм Координата середины поля допуска 0,076 0 0 0 -0,004 0,004 -0,002 0 +0,0125 -0,0125 0,025 0 0 +0,010 0 0,010 0,005 0 0 0 0 +0,015 -0,015 +0,010 0 +0,0125 -0,0125 0,03 0 0,010 0,005 0,025 0 0 -0,005 0,005 -0,0025 4.3 Разработка последовательности сборки Последовательность общей сборки фильеры является однотипным для всех исполнений. В сборке участвуют три основных детали – рассекатель, матрица и подкладка, также нужны два комплекта штифтов и один комплект винтов. Общую сборку фильеры начинаем с установки на сборочный стенд основой базирующей детали – рассекателя, после этого запрессовываются штифты. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 49

Поверх рассекателя устанавливается матрица, центрируя ее по ранее поставленным штифтам, такой же процесс выполняется с подкладкой. Все три центрированные детали притягиваются винтами. Последовательность сборки узла многоканальной фильеры представлена на рисунке 41. Рисунок 41 – Последовательность сборки фильеры При практическом применении разработанной технологии сборки на производстве рекомендуется пользоваться также 3D моделью сборки прессовой оснастки с разнесением деталей по осям. Проектирование технологических операций Для этого узла нормирование сборочных операций данного узла зависит от количества деталей в сборке, массы и степени точности. Исходя из этого, было установлено время на выполнение сборочных переходов. Используя технологическую схему сборки фильеры, выполним нормирование сборочных переходов. Для каждого перехода назначаем оборудование, инструмент и приспособление. Перечень сборочных работ и нормы на их выполнение приведены в таблице 3. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 50

Таблица 3 – Перечень сборочных работ и нормы на их выполнение № п./п. Содержание переходов и приемов; размеры необходимые для нормирования Сборочно-подготовительные операции 1 Комплектовать основные материалы в соответствии с комплектовочной картой 2 Комплектовать вспомогательные материалы 3 Подготовить инструментальную оснастку для сборки, проверить качество, отсутствие сколов 4 Подготовить тару для хранения и транспорт Итого на сборочно-подготовительные операции Сборка фильеры 1 Установить 2 штифта поз.5 2 Установить матрицу поз.2 3 Установить 2 штифта поз.6 4 Установить подкладку поз.3 5 Вернуть 2 винта М12х95 поз.4 Итого на сборочные операции Итого на сборку узла, фильеры, масса 70 кг. Время, мин. 8 5 7 5 27 2,5 0,5 2,5 0,3 2,5 6,3 33,3 4.4 Разработка технологического процесса изготовления матрицы 4.4.1 Служебное назначение матрицы Матрица является главным формирующим профиль инструментом и имеет в себе продольное и поперечное сечение канала. По форме продольного сечения матрицы разделяют на плоские и конические. Такие матрицы применяют при изготовлении профилей как сплошных, так и полых, трубным методом. Большое влияние на качество сварки профилей имеет форма и размеры части матрицы, называемой сварочной зоной. Эта зона расположена под рассекателем в том месте, где разделенные потоки металла, огибая оправку, начинают смыкаться и под воздействием высокого давления и температуры свариваются в один поток, а затем вдоль оправки, которая оказывается внутри этого потока, выдавливаются через втулку матрицы, окончательно принимая форму пресс-изделия. Чем больше находится металла в сварочной зоне, тем качество сварки выше. Время пребывания металла в сварочной зоне можно продлить, или увеличив ее объем или уменьшив скорость прессования, или и тем, и другим вместе. 4.4.2 Технические условия К детали матрицы предъявим комплекс технических требований: Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 51

 точность геометрической формы плоских базирующих поверхностей. Для поверхностей размеров до 500 мм отклонения от плоскости и параллельности находится в пределах 0,01…0,07мм;  точность относительно поворота плоских базирующих поверхностей. Предельные отклонения от параллельности или перпендикулярности одной плоской поверхности относительно другой составляют 0,05/100…0,025. Основными базами являются плоские поверхности, а вспомогательными базами – дополнительно выполняемые ступенчатые отверстия. Основное значение для служебного назначения детали является главный формообразующий канал, называемый зоной сварки, который выполняют роль формирования профиля. Отклонения от перпендикулярности составляет 0,025 мм, допуск на параллельность осей составляет 0,06 мм. Шероховатость торцевых поверхностей матрицы составляет Rа = 1,6. Каналы сварочной области имеют шероховатость Rа = 3,2. Все крепежные отверстия для центрирования всех деталей фильеры выполняются с шероховатостью Rа = 6,3. 4.4.3 Выбор экономичного варианта получения исходной заготовки Чтобы существенно сократить расход материала при выборе заготовки, нужно придерживаться принципа обеспечения максимального приближения ее формы, размеров и качества поверхности к таким, которыми обладает деталь. Для детали «Матрица» за заготовку принимаем пруток из стали 4Х5МФС. Главным фактором, позволяющим сделать выбор заготовки, является минимизация отходов стружки. Габариты готовой детали составляют толщина 60 мм. Рассчитаем массу стружки при использовании прутка по формуле: (4.3) где – масса заготовки, – масса детали (по чертежу 25,44 кг.). (4.4) Тогда масса стружки составляет: 4.4.4 Проектирование последовательности изготовления В таблице 4 представлена последовательность обработки матрицы. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 52

Номер и наименование перехода (операции) Оборудова ние Таблица 4 – Структура и содержание операций Операционный эскиз Операция 1 Операция 2 0005 Токарная: 1. Черновое и чистовое точение плоскости основания. 2. Черновое и чистовое точение контурной поверхности, выдерживая размер 0010 Токарная: Установить, проверить, закрепить. 1. Черновое и чистовое точение плоскости основания, выдерживая размер Универсальный токарный станок HAAS TL-1 Установить, проверить, закрепить. Операция 1 Операция 2 Операция 3 2. Черновое и чистовое точение контурной поверхности, выдерживая размер 3. Черновое и чистовое растачивание поверхности, выдерживая размер Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 53

Продолжение таблицы 4 0015 Фрезерносверлильная: Операция 1,2,3,4 1. Центрирование шести отверстий. 2. Сверление сквозных отверстий диаметром 14 мм (№1 и №4). 3. Сверление сквозных отверстий диаметром 12.1 мм (№2 и №5). 4. Сверление сквозных отверстий диаметром 12 мм (№3 и №6). 5. Сверление отверстий диаметром 14 мм на глубину 49 мм (№3 и №6). 6. Черновое и чистовое фрезерование паза на глубину 17.3 мм (красный профиль) 7. Черновое и чистовое фрезерование паза на глубину 32.3 мм (синий профиль) 8. Центрирование двух боковых отверстий 9. Сверление отверстий диаметром 14 мм на глубину 25 мм 10. Нарезание резьбы М16х2 в двух боковых отверстиях на глубину 20 мм Изм. Лист № докум. 5-осевой вертикально-фрезерный центр Haas F-2TR Установить, проверить, закрепить. Операция 5,6 Операция 7,8,9 Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 54

Продолжение таблицы 4 0020 Фрезерная: Операция 1,2 1. Черновое и чистовое фрезерование сварочной камеры (красный профиль) 2. Черновое и чистовое фрезерование паза в сварочной камере, выдерживая размер (синий профиль) 3. Черновое фрезерование полости канала матрицы по профилю Изм. Лист № докум. 5-осевой вертикально-фрезерный центр Haas F-2TR Установить, проверить, закрепить. Подпись Операция 3 Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 55

Продолжение таблицы 4 1. Прожигание двух каналов 0030 Термическая обработка 0035 Шлифовальная: 1. Шлифовать плоскости основания и разъема, выдерживая размер Электроэрозионный копировально-прошивной станок Mitsubishi EA8S Установить, проверить, закрепить. Операция 1 Выполнить закалку до твердости 48-50 HRC JET JPSG-0618SD Плоскошлифовальный станок 0025 Электроэрозионная: Операция 1 4.4.5 Техническое нормирование операций Таблица 5 – Нормирование операций № 1 2 3 4 5 Изм. Операция Инструмент V об/мин S мм/мин i, шт CNGM120412F194 0.532 0005-1 3 HGR 7125 м/мин мм/об DNGM150412F182 0.179 0005-2 3 HGR 7125 м/мин мм/об CNGM120412F194 0.532 0010-1 3 HGR 7125 м/мин мм/об DNGM150412F182 0.179 0010-2 3 HGR 7125 м/мин мм/об CCGW09T312S0102 210 0.365 0010-3 51 0F 7115 м/мин мм/об Подготовительно заключительное время для подготовки станка Лист № докум. Подпись Дата То, мин tвсп, мин 4,88 0,6 7,49 1,25 4,88 0,6 7,49 1,25 30,26 3,158 30 ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 56

Продолжение таблицы 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Оперативное время токарной обработки Штучное время токарной обработки MM ECD-10X900015-1 2600 55 6 2T06 460.1-1400-063A10015-2 340 65 2 XM GC34 460.1-1400-063A10015-3 370 60 2 XM GC34 460.1-1200-061A00015-4 370 60 2 XM GC34 460.1-1400-063A10015-5 340 65 2 XM GC34 0015-6 GM-4W-D12.0 1500 1000 25 0015-7 PM-4E-D6.0 1500 1000 50 MM ECD-10X900015-8 2600 55 2 2T06 460.1-1400-063A10015-9 340 65 2 XM GC34 R217.150015-10 1000 40 2 120200AC26M 1620 Подготовительно заключительное время для подготовки станка Оперативное время фрезерной обработки Штучное время фрезерной обработки 0020-1 415-20EH16-05M 1500 1000 10 0020-2 PM-4E-D6.0 1500 1000 3 0020-3 PM-4E-D6.0 1500 1000 4 0025-1 0030-1 - Штучное время обработки изделия равняется 273,632 мин 61,858 86,23 0,75 0,183 2,517 0,767 0,8 0,133 2,733 0,767 1,867 0,433 25,117 54,7 3,5 10 0,2 0,2 1,2 0,2 9,8 0,3 30 116,167 151,4 17,5 3,27 4,1 25 5 3,567 0,4 0,49 5 1 273,632 4.4.6 Технологическая себестоимость изделия 1. Затраты на материал изготавливаемых изделий. Заготовкой для матрицы будет являться круглый прокат из стали 4Х5МФС диаметром 305 мм, средняя цена по рынку 120 000 руб/тонна. Масса заготовки для матрицы равна 34 кг, пересчитываем цену на заготовку: 2. Суммарная заработная плата основных производственных рабочих по всем операциям: Средняя заработная плата оператора станка ЧПУ равна 60 000 руб/мес. Пересчитаем сумму на единицу производимой продукции, принимаем месячное рабочее время за 176 часов. Исходя из расчетов нормирования технологических операций принимаем общее время изготовления изделия за 243,152 мин. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 57

3. Суммарные амортизационные отчисления: Таблица 6 – Стоимость оборудования: Оборудование Фрезерный станок Haas UMS 750 Электроэрозионный станок Электроискровой станок Токарный универсальный станок Плоскошлифовальный станок Общая стоимость Стоимость, руб 7 000 000 2 500 000 1 500 000 2 500 000 500 000 14 000 000 Посчитаем норму мортизации на 5 лет: Посчитаем амортизационные отчисления: 4. Суммарные затраты на электроэнергию: Промышленная стоимость электроэнергии в Красноярском крае равна 3,5 руб/кВт-час. Пересчитаем цену на единицу продукции. Мощность фрезерного станка Haas UMS 750 – 22.4 кВт Мощность токарного универсального станка – 7.5 кВт Пересчитаем энергопотребление на единицу продукции. 5. Суммарные затраты на ремонт оборудования: Суммарные затраты на ремонт составляют 2% от всей технологической себестоимости изделия: 6. Суммарные затраты на приобретаемые детали: Суммарные затраты на приобретаемые детали составляют 4% от всей технологической себестоимости изделия. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 58

7. Налоговые отчисления Налоговые отчисления себестоимости изделия составляют 10% от всей технологической Общая технологическая себестоимость изготовления детали составляет 14050,32 руб. 4.5 Разработка управляющих программ На предприятии «Сегал» подготовку управляющих программ на такие станки как Haas UMS 750 и Haas TL-1 осуществляют в программном продукте PowerMill, выпускаемый в настоящее время компанией Autodesk. Обработка всех составляющих фильеры начинается с токарной обработки и подготовки заготовки для дальнейшей обработки рабочих каналов на 5-ти осевом фрезерном станке. Фрагмент токарной обработки рассекателя представлен на рисунке 42. Рисунок 42 – Участок токарной обработки рассекателя Самыми сложными элементами в обработке рассекателя являются доработка каналов и обработка металла между двумя выступами оправок. Для доведения этих поверхностей под нормативные нормы используются различные инструменты комплексной конструкции, а также сложные траектории обработки. Фрагмент чистовой фрезерной обработки рассекателя показан на рисунке 43. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 59

Рисунок 43 – Участок фрезерной чистовой обработки рассекателя Ниже, на рисунке 44, приведен элемент кода управляющей программы для фрезерной операции описанной выше. Рисунок 38 – Элемент кода чистовой обработки Разработанные управляющие программы использованы на производстве для изготовления фильер. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате комплексных конструкторско-технологических работ проведенных при выполнении ВКР получены следующие основные результаты: 1. На основании анализа состояния проблемы определены перспективные направления для совершенствования конструкций прессового инструмента; 2. Созданы 3D модели одно и двухканальной фильеры, прочностными расчетами и методами термостатического анализа оптимизированы форма и размеры канала для истечения материала при прессовании; 3. Работоспособность и эффективность принятых конструкторских решений обоснованы и подтверждены методами конечно-элементного анализа. Производительность процесса экструзии при истечении материала после модернизации увеличилась на 98%, а прочностные характеристики составляющих фильеру деталей повысились на 23%; 4. Разработанные 3D – модели модернизированной конструкции фильеры явились основой для проектирования технологических процессов сборки и последовательности изготовления матриц механической обработкой; 5. Предусмотрена автоматизация технологических процессов механической обработки резанием - разработаны управляющие программы для станков с ЧПУ на основные операции. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 61

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. ЛПЗ "СЕГАЛ" - ЛИТЕЙНОЕ И ПРЕССОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО [Электронный ресурс]: база данных содержит справочники по режущим http://www.sialинструментам и пластинам – Режим доступа: group.ru/proizvodstvo/liteino-press-zavod (дата обращения 10.06.2020). 2. Данченко В.Н., Миленин А.А., Головко А.Н. Производство профилей из алюминиевых сплавов. Теория и технология. - Днепропетровск: ДНВП "Системные технологии", 2001. - 448 с. 3. Bauser M., Sauer G., Siegert K., Extrusion. Second Edition, 2001. 4. Авраменко В.Е., Размерный анализ машин: учебное пособие / Авраменко В.Е., Курзаков А.С. – Красноярск СФУ, 2011 – с. 128. 5. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя, в 3-х Т / В. И. Анурьев. − М. : Машиностроение, 2001. 912с. Т. 2. 6. Каргин В.Р., Технология прессования профилей из легких сплавов: метод. указания / сост. : В.Р. Каргин, Б.В. Каргин, Е.В. Арышенский. - Самара: Изд-во СГАУ, 2012. - 54 с. 7. Косилова А.Г., Справочник технолога-машиностроителя. Том 1 / Косилова А.Г., Мещеряков Р.К. – Москва «Машиностроение», 1986 – с 657 8. Логинов Ю. Н., Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов : учеб. пособие / Ю. Н. Логинов. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 156 с. 9. Aluminum extrusion technology / Pradip K. Saha 2000. 10. Analysis tools for the design of aluminium extrusion dies Koopman, Albertus Johannes PhD thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands March 2008. 11. A Process Planning System with Feature Based Neural Network Search Strategy for Aluminum Extrusion Die Manufacturing. S. Butdee, C. Noomtong, S. Tichkiewitch 2008. 12. CAD IMPLEMENTATION OF DESIGN RULES FOR ALUMINIUM EXTRUSION DIES / J. Huétink, F.J.A.M. van Houten, T.H.J. Vaneker, 2009. 13. Effects of ram velocity on pyramid die extrusion of hollow aluminum profile: Liang Chen, Guoqun Zhaо,Junquan Yu 2015. 14. Iscar Tool Advisor [Электронный ресурс]: база данных содержит справочники по режущим инструментам и пластинам – Режим доступа: http://www.iscar.com/ITA/MainPage.aspx (дата обращения 05.03.2020). 15. Sandvik Coromant [Электронный ресурс]: база данных содержит справочники по режущим инструментам и пластинам – Режим доступа: https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/pages/default.aspx (дата обращения 05.03.2020). Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР 15.03.05 – 071619811 ПЗ Лист 62

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв