Матрица

Матрица — основной инструмент для прессования непосредственно формирующий профиль при выдавливании металла (рис. 17). Различают продольное и поперечное сечения канала матрицы. * По форме продольного сечения матрицы изготавливают двух основных видов — плоские (рис. 17, а) и конические (рис. 17,6). Эти матрицы могут применяться при прессовании профилей как сплошных, так и полых, трубным методом. Кроме того, применяются комбинированные (или язычковые матрицы), о которых мы говорили выше.

Рис. 17. Основные формы матриц для прессования:
а — плоская; в — коническая

Поперечное сечение матриц определяет канал матрицы и конфигурацию   сечения готового профиля. Если матрица плоская, то ее торцевая поверхность со стороны заготовки называется зеркалом. В конической матрице со стороны заготовки имеется коническая полость, которая заполняется прессуемым металлом при его распрессовке в контейнере. Основная характеристика конических матриц — угол входного конуса (чаще всего 120°). Контур поперечного сечения канала матрицы оформляет рабочий поясок, который обычно имеет цилиндрическую форму. Он воспринимает силы трения, возникающие при движении металла к выходу из матрицы. Путем изменения длины и наклона пояска можно так или иначе регулировать условия истечения металла, о чем будет сказано ниже. Рабочий поясок заканчивается выходной кромкой. Для прессования алюминиевых сплавов, которые склонны к налипанию на матрицу, острая выходная кромка — необходимое условие для получения чистой поверхности профиля. Матрица заканчивается расширением канала, в котором профиль движется свободно, не касаясь металла инструмента.

Плоская или коническая матрица — какая лучше для прессования? Однозначно на этот вопрос ответить нельзя. При прессовании через плоскую матрицу неравномерность истечения больше. Это приводит, в частности, к тому, что у матрицы образуется мертвая зона большего размера. Как уже указывалось выше, в большой мертвой зоне лучше задерживаются различные загрязнения с поверхности заготовки, и профиль выпрессовывается с более гладкой поверхностью. Поэтому такие сплавы, как алюминиевые, из которых весьма важно получение изделий с высококачественной поверхностью, прессуют через плоские матрицы. Для прессования через конические матрицы требуются меньшие усилия, чем через плоские. Поэтому при прессовании сталей, имеющих высокое сопротивление деформации и из которых получение изделий с такой же гладкой и чистой поверхностью, как из алюминиевых, практически невозможно, стремятся в первую очередь к снижению необходимых давлений и прессование ведут через конические матрицы. Конические матрицы менее удобны при отделении пресс-остатка, чем плоские. Матрицы для получения профилей сложной конфигурации, изготовить трудно, поэтому такие профили обычно прессуют через плоские матрицы.

Матрицы могут быть как монолитными, так и разъемными, состоящими из нескольких частей. Разъемные матрицы применяют, например, при прессовании профильной части профиля с законцовкой (см. выше) или в том случае, когда отделение отпрессованного профиля от пресс-остатка по какой-либо причине затруднено и профиль нужно передать на дальнейшую обработку вместе с пресс-остатком.

Комбинированные матрицы, как правило, применяются для прессования из алюминиевых сплавов профилей с одним или большим числом отверстий любой формы, а также профилей, имеющих незамкнутые полости. Они состоят из следующих частей (рис. 18): корпуса, матрицы или втулки матрицы, канал которой определяет форму профиля рассекателя, разделяющего прессуемую заготовку своей верхней частью, называемой ножом или гребнем, на несколько потоков металла. (Чаще этих потоков два, но иногда бывает четыре и больше); оправки, закрепленной в рассекателе. Если прессуется полое изделие с несколькими отверстиями, то рассекатель должен быть выполнен такой формы, которая позволяла бы закрепить несколько оправок—по числу полостей в профиле.

Рис. 18. Основные разновидности комбинированных матриц для прессования круглых труб и формы сварочных зон (наибольшие площади этих зон в сечении А—А заштрихованы:
а — с выступающим рассекателем; б — с полуутопленным (полуопущенным); в — с опущенным («утопленным»); г — с плоским 4-канальным рассекателем; 1 — корпус матрицы; 1 — матрица или втулка матрицы; 3 — рассекатель с оправкой; 4 — кольцевой канал, образующий трубу; 5 — каналы плоского многоканального рассекателя; стрелками показано направление течения прессуемого металла; Dсв.з. hсв.з — диаметр и высота сварочной зоны соответственно; hp — высота рассекателя

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 высоких 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 металл 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.

В зависимости от размеров сварочной зоны различают следующие разновидности комбинированных матриц: 1) с выступающим гребнем, 2) с полуутопленным и 3) с утопленным рассекателем. В первой сварочная зона наибольшая, а значит, и лучшие условия для сварки. Поэтому через такие матрицы прессуют профили ответственного назначения. В матрицах второй и третьей разновидностей объем сварочной камеры меньше, чем в первой, и в них труднее обеспечить условия для получения высококачественных сварочных швов. Поэтому такие матрицы применяют для прессования профилей менее ответственного назначения.

Успех прессования закладывается на стадии проектирования матрицы. Проектирование выполняется конструкторами высокой квалификации, хорошо владеющими теоретическими познаниями, а также имеющими большой практический опыт прессования и конструирования. Ниже описывается примерный порядок проектирования матриц.

1.       Конструктор вместе с технологом определяют продольную форму канала матрицы. Как правило, выбор делается между двумя формами — плоской или конической, технологические особенности которых рассмотрены выше.

2.       Технолог и конструктор, исходя из технологических и конструкционных соображений, определяют число каналов плоской матрицы. При этом они принимают во внимание мощность пресса, диаметр контейнера, вытяжку, необходимые и возможные давления на пресс-шайбе, а также прочность матрицы.

3.       Конструктор определяет правильное расположение канала на зеркале матрицы, так как оно является важным условием снижения неравномерности истечения металла. Канал несложно расположить, если профиль симметричный и имеет не менее двух осей симметрии. Тогда пересечение этих осей профиля совмещают с центром матрицы. Если же профиль несимметричный, то задача усложняется. В этом случае стремятся к тому, чтобы с геометрическим центром матрицы был совмещен центр тяжести сечения профиля. Руководствуются также таким правилом: чем тоньше стенка профиля относительно остальной части его сечения, тем она должна быть ближе к центру матрицы, а более толстые части сечения — ближе к периферии матрицы. Иногда снижению неравномерности истечения может способствовать увеличение числа каналов — например, вместо одного канала при несимметричном профиле проектируют четыре. При расположении вокруг центра матрицы четырех каналов создается симметричное, более равномерное истечение металла заготовки.

4.       Конструктор определяет размеры канала матрицы, так называемые исполнительные размеры, по которым ее будут изготавливать в инструментальном цехе. Дело в том, что если мы знаем размер какой-либо части профиля, то это не значит, что такого же размера нужно изготовить и соответствующую часть канала матрицы, так как, во-первых, профиль выходит из матрицы горячим и после остывания будет иметь размер, отличный от размера матрицы; во-вторых, профиль и матрица изготавливаются из разных материалов, а потому имеют различные коэффициенты линейного термического расширения, в-третьих, профиль деформируется в момент его выхода из матрицы, а при правке растяжением уменьшается его поперечное сечение. Поэтому исполнительный размер матрицы конструктор определяет с учетом ряда зависимостей, выраженных в формулах, выведенных на основе опытных данных.

5.       Конструктор принимает ряд мер, которые способствуют равномерному истечению профиля. Выше мы уже говорили о влиянии длины пояска матрицы на условия истечения. Регулирование скорости истечения посредством изменения длины пояска часто бывает необходимо, когда приходится прессовать профили сложного сечения.

Представим себе, что мы прессуем простейший профиль— круглый пруток. Здесь все части сечения профиля выдавливаются из матрицы в одинаковых условиях, и нам не требуется прибегать к регулированию скорости истечения отдельных его частей. Если же мы будем прессовать более сложный профиль, например, уголок, у которого одна полка имеет толщину 10 мм, а другая 2 мм, то очевидно, что условия истечения полок неодинаковы: толстая будет выдавливаться легче тонкой и скорее выходить из канала матрицы. Объясняется это тем, что на истечение металла в тонкой полке большее влияние оказывают силы трения в пояске, а также относительно низкие температуры матрицы, подхолаживающей металл. Значит, если длина рабочего пояска по всему периметру канала матрицы при прессовании такого уголкового профиля одинакова, то толстая полка будет опережать тонкую и вследствие этого профиль будет скручиваться или изгибаться. При очень больших различиях в скоростях отдельных элементов профиля может произойти разрыв его частей. Поэтому скорости истечения отдельных частей профиля регулируют чаще всего путем изменения длины пояска (рис. 19): на участке матрицы, где выдавливается массивная полка, еще при изготовлении матрицы поясок удлиняют, а на участке выдавливания тонкой полки — уменьшают. Задача конструктора, проектирующего матрицу, инструментальщика и, прессовщика, участвующего в доводке матрицы после ее изготовления — сделать такую матрицу, которая обеспечивает равномерность истечения профиля — без скрутки и изгиба. При таких условиях прессования и качество поверхности выше, и размеры сечения его более точные, и меньше затраты труда при последующей правке. Уметь отпрессовать прямолинейный профиль даже самой сложной конфигурации, путем правильной доводки пояска матрицы — свидетельство высокой квалификации прессовщика.

Рис. 19. Регулирование скорости истечения отдельных частей профиля изменением длины пояска:
а — профиль; б — матрица с одинаковой длиной пояска по периметру сечения; в — поясок удлинен в массивной части сечения

Существуют и другие методы воздействия на скорость истечения отдельных частей профиля, например, цилиндрическому пояску придают  коническую форму. Если этот конус составляет 1—3°, и его вершина направлена по ходу прессования металла, то конический поясок оказывает тормозящее воздействие, и скорость истечения металла в этой части матрицы уменьшается. Если тот же конус направлен против движения металла, то тормозящее действие пояска снижается, и скорость истечения увеличивается. Существуют и другие способы регулирования скорости истечения отдельных частей профиля.

6.       Конструктор рассчитывает матрицу как нагруженную конструкцию, — на прочность и на смятие. Для этих расчетов пользуются формулами, приведенными в курсе сопротивления материалов.

При проектировании комбинированных матриц особое внимание, дополнительно к тому, что изложено выше, обращают на проектирование сварочной зоны, а также на выбор конструкции рассекателя. При проектировании необходимо обеспечить симметричное течение отдельных потоков металла, разделяемых рассекателем, возможность очистки матрицы после каждой прессовки и прочность рассекателя и всей конструкции в целом.

В настоящее время стремятся к тому, чтобы матрицы были более массивными и жесткими. Это необходимо для уменьшения упругих деформаций матрицы под нагрузкой, а, значит, уменьшения изменения размеров канала и повышения геометрической точности профилей. По той же причине особое внимание обращают на величину опорной площади и толщину подкладки под матрицу, а также на форму и размеры канала в подкладке. Эти размеры следует выбирать таким образом, чтобы напряжения на контактных поверхностях и упругие деформации изгиба всего матричного блока были наименьшими; поверхности контакта матрицы с подкладкой должны быть строго параллельными и не иметь забоин и перекосов. Канал в подкладке должен быть ненамного больше сечения профиля; лишь в таком случае матричный блок не деформируется и размеры профиля остаются стабильными.

Для повышения твердости и износостойкости матрицы подвергают различным видам химико-термической обработки, т. е. производится обработка рабочих поверхностей матрицы путем воздействия на них какого-либо вещества в условиях повышенных температур (цементация—воздействие углеродом, азотирование —  азотом, цианирование — одновременно углеродом и азотом, борирование — бором и др.). Иногда проводят наплавку твердых сплавов.

Проектирование матрицы заканчивается выбором марки инструментальной стали, (см. табл. 4) определением ее твердости и выбором соответствующей термической и термохимической обработки.

Но хорошо спроектировать матрицу еще недостаточно, важно ее изготовить с соблюдением всех технологических режимов и нормативов. Примерная современная схема технологических операций изготовления матриц для прессования профилей из алюминиевых сплавов, обеспечивающих получение высокого качества поверхности, состоит из следующих операций: ковки заготовки; черновой обработки резанием; предварительного изготовления канала матрицы на электроискровой установке с использованием графитового электрода для прожигания выходного отверстия матрицы и серебряновольфрамового электрода для получения ее рабочего канала; проверки изготовленной матрицы прессованием профиля из какого-либо модельного материала, например пластилина, для определения правильности изготовления рабочих поясков; доводки матрицы по результатам прессования модельного материала; проверки доведенной матрицы прессованием профиля из алюминиевого сплава; окончательной доводки канала матрицы; обработки на жидкостной хонинговальной ** установке с подачей полировальной массы под давлением в течение нескольких минут (масса состоит из воды и пылевидного абразива и обеспечивает высокую чистоту рабочих поверхностей матрицы); жидкостного азотирования по специальной технологии в электрических печах при 570°С в течение 3 ч; при этом глубина азотированного слоя достигает 0,04— 0,1 мм и твердость HRC—65.

Матрицы изготавливают в инструментальном цехе. Для того, чтобы матрицы были пригодны к работе и обеспечивали высокое качество профилей, прессовщик должен заботиться об их правильной эксплуатации. Перед установкой на пресс матрицу обычно нагревают в специальных нагревательных печах, расположенных в непосредственной близости к прессу. Нагрев следует вести, не допуская превышения температуры отпуска.

Если матрица новая, то ее обычно доводят на прессе. Вначале проводят пробное прессование, которое показывает качество профиля и недостатки процесса. Если пробное прессование показало, что, например, на профиле, имеющем несимметричное сечение, «убегает», т, е. опережает остальные части сечения, одна из полок, толщина второй полки оказывается выше или ниже допустимой, а на поверхности третьей образуются надиры, то доводка матрицы в этом случае заключается в следующем:
1.       В торможении части канала матрицы, через которую прессуется убегающая полка. Для этого на пояске делают тормозящий конус величиной 1—3° со стороны входа в матрицу. После изготовления такого конуса скорость истечения металла на заторможенном участке уменьшается. Затем проводят повторное прессование и рассматривают результаты торможения. Иногда требуется повторная корректировка матрицы.

2.       В подчеканке канала матрицы для уменьшения толщины стенки профиля. Ее осуществляют специальным инструментом, с помощью которого на зеркале матрицы вдоль ее канала выбивают неглубокую канавку, которая, раздаваясь, несколько уменьшает ширину матрицы в месте прессования полки, выходящей за пределы плюсового допуска. Если же размер полки меньше минусового допуска, то канал матрицы несколько увеличивают, распиливая его надфилем.

3.       В удалении надиров и рисок на профиле, зачищая и полируя поясок.

Выход матриц из строя чаще всего происходит по следующим причинам: механическое разрушение всей матрицы или ее части; пластическая деформация матрицы; абразивный износ — истирание пояска. Механическое разрушение происходит вследствие недостаточной прочности матрицы, ошибки в расчете ее конструкции или неправильного выбора инструментальной стали и вида термической обработки. Пластическая деформация наблюдается, когда матрица не рассчитана на смятие или неудовлетворительно термообработана. При этом требуемые размеры сечения профиля получить невозможно, так как форма и размеры канала матрицы искажаются. Абразивный износ пояска матрицы происходит при недостаточной твердости металла матрицы после термообработки или при попадании на поверхность матрицы каких-либо твердых частичек загрязнений — например, песка. Износ пояска приводит к ухудшению качества поверхности профиля или к увеличению толщины его стенок выше допустимой.

Бесперебойная работа матрицы в значительной степени зависит и от условий ее эксплуатации. Если, например, прессовщик установил матрицу в матричный блок и не обратил внимания на то, что ее торец со стороны выхода профиля имеет забоины и матрица неплотно прилегает к подкладке, то можно заранее сказать, что такая матрица будет нагружаться на перекос и или быстро разрушится, или выйдет из строя из-за неравномерного износа пояска. Если матрицы плохо хранятся, то до установки на пресс на них может попасть пыль, грязь и влага. Если не производится систематической уборки и обтирки пресса, то рабочая поверхность матрицы при прессовании может быстро выйти из строя вследствие попадания на нее загрязнений. Нужно всегда помнить, что матрица — основной рабочий инструмент прессовщика, а свой инструмент профессионал всячески оберегает.