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Diese Erfindung bezieht sich auf ein "Verfahren zur
Korrektur der Zuführungswinkel in Matrizen zur Extrusion
von massiven Aluminiumprofilen".
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Herkömmlicherweise baute man die Matrizen zur Extrusion
von massiven Aluminiumprofilen mit einem oder mehreren
Austritten, indem unterschiedliche Höhen der
Fließpreßschulter, je nach der Stärke des Profils und
dem Abstand zur Mitte, verwendet wurden, um auf diese
Weise den Metallfluß zu regulieren und eine einwandfreie
Form und genaue Abmessungen zu erhalten.
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Ebenfalls benutzte man vorgesetzte Beschickungskammern
um die Verbindung oder Verschweißung von zwei
aufeinanderfolgenden Etrusionen zu gewährleisten.
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Wir haben ein Rechnungsverfahren für die
Metallbeschickung in Extrusionsmatrizen für ein oder
mehrere massive Aluminiumprofile entwickelt, womit es
nicht mehr erforderlich ist Fließpreßschultern mit
unterschiedlicher Höhe zu verwenden.
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Das Verfahren besteht grundsätzlich darin, den
Zuführungswinkel des Metalls, der sich zwischen der
Achse des Profils und der Breite des Spaltes oder der
vorgesetzten Beschickungskammer, die in der Frontfläche
der Matrize eingearbeitet ist, für jeden Querschnitt des
Profils, je nach der Stärke und dem Abstand zur Mitte,
mittels Diagrammen oder mathematischen Formeln zu
bestimmen.
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Da die Regulierung des Metallflußes durch die
Winkelöffnung in jedem Punkt bestimmt wird, können die
vorgesetzten Beschickungskammern mit einer oder mehreren
Stufen bearbeitet werden, so daß die Kante jeder Stufe
die Öffnung des Winkels bestimmt mit dem die Beschickung
in jedem Punkt stattfindet, oder, falls man über
entsprechende Bearbeitungsmittel verfügt, können die
Innenwände der Kammer mit dem vorher berechneten Winkel
bearbeitet werden.
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Wünscht man daß das Metall des Profils eine größere
Wandstärke bekommt, so berechnet man einen kleineren
Winkel, und wenn die Stärke kleiner sein soll, berechnet
man einen größeren Winkel.
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Unter diesen Bedingungen kommt an jeden Punkt des
Querschnitts des Profils die entsprechende Menge Metall,
wobei die Fließpreßschulter als Regulierungselement für
diese Beschickung nicht benötigt wird, und man sie
entbehren kann, oder sollte man sie zur bequemeren
Herstellung doch anbringen wollen, kann sie an allen
Stellen des Profils oder der Form die man extrudieren
möchte die gleiche Höhe aufweisen, die von 0,5 bis 20
mm betragen kann.
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Um diesen Beschickungswinkel des Metalls zu bestimmen
haben wir experimentell die Beschickung die an jedem
Punkt der Matrize, mit Bezug auf den Mittelpunkt dieser,
entsteht, bei unterschiedlichen zuführungswinkeln des
Metalls und auf einen Parameter, den wir µ genannt
haben, und der für jeden Querschnitt des Profils das
Verhältnis zwischen Fläche und Umfang ausdrückt,
bewertet. Den Wert von µ erhält man indem der Umfang der
Öffnung durch den Flächeninhalt derselben teilt.
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Diese Daten wurden experimentell erhalten indem ein
Diagramm gezeichnet wurde (siehe Abbildung 1) welches
diese Werte aufeinander bezieht, dann die mathematischen
Ausdrücke, welche diese Kurven definieren, berechnet
wurden, und anschließend das Ganze samt den
Anwendungsregeln in einem Rechnerprogramm einbezogen
wurde. Mit diesem Programm, auf ein handelsübliches
Zeichensystem gestützt, kann die Matrize konstruiert und
die Beschreibung des CAD auf einer Diskette gespeichert
werden die dann anschließend im CAM zur Steuerung der
Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung der Matrize Anwendung
finden.
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Zum besseren Verständnis dieser Beschreibung fügen wir
einige Zeichnungen bei die ein nicht beschränkendes
Ausführungsbeispiel des Erfindungsobjekts darstellen,
auf denen:
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Fig. 1 die Koordinaten des Diagramms, welches zur
Konstruktion der Matrize dient, darstellt, und zwar:
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d - den Abstand zur Mitte der Matrize (in mm
gemessen),
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L - die Beschickung (in Prozenten gemessen),
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A - die Breite der Kammer (im mm gemessen),
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P - die Tiefe der Kammer (im mm gemessen),
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α - den Winkel der Kammer (in Grad gemessen).
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Fig. 2a zeigt den Grundriß einer der symetrischen
Figuren welche die Matrize eines Metallprofils bilden.
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Fig. 2b zeigt einen Querschnitt auf dem die Stufen der
Beschickungskammer zu sehen sind, sowie die Maße welche
den Beschickungswinkel bestimmen.
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Fig. 3a zeigt den Grundriß einer der vier symetrischen
Austritte eines Profils.
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Fig. 4 stellt den Grundriß der vorgesetzten Kammer dar
und zeigt die Anordnung der Austritte im experimentellen
Ablauf.
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Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Winkel der
Metallzuführung.
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Fig. 6 zeigt einen Grundriß der Extrusionskammer für ein
bestimmtes Profil.
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Fig. 7 ist ein Schnitt durch dieselbe Kammer.
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Um die Beschickungskammern der Matrizen mit einfacher
Fließpreßschulter zu berechnen wurde eine Reihe von
Versuchen durchgeführt um die Parameter, die die
Konstruktion und Korrektur von Matrizen mit vorgesetzter
Beschickungskammer und einfacher Fließpreßschulter
beeinflussen, mengenmäßig zu bestimmen. In diesem ersten
Abschnitt wollen wir nur massive Matrizen in Betracht
ziehen, und wollen dabei die Reihenfolge unserer
Versuche wiedergeben
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Wir verfügten über eine 2.000-Tonnen Extrusionspresse
mit einem 200 mm Durchmesser Behälter, sowie über eine
kleine Extrusionspresse für Wachs, mit einem 200 mm
Durchmesser und 300 mm langen Behälter.
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Die Versuche wurden mit verschiedenen Formulierungen von
Wachs durchgeführt, bis wir ein Fließverhalten
erreichten welches dem von Aluminium in einer normalen
Matrize entsprach, indem das Verhalten der Spitzen des
Profils in beiden Extrusionen verglichen wurde.
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In einer Matrize wurden zwölf Austritte von 6 mm φ mal
3 mm Fließpreßschulter in drei konzentrischen Kreisen
bearbeitet und auf vier orthogonalen Halbmessern
verteilt.
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Die erste Reihe von Austritten hat keine vorgesetzte
Beschickungskammer und dient als Bezugsreihe.
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Die zweite Reihe hat die gleiche Länge Fließpreßschulter
und den gleichen Stangendurchmesser, aber die
Zuführungen sind mit vorgesetzten Beschickungskammern
versehen die 20 mm φ und 10 mm Tiefe haben.
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Der Abstand zwischen den Beschickungskammern ist groß
genug daß es keinerlei Störungen im Wachsfluß gibt.
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In der dritten Reihe von Austritten haben die
vorgesetzten Beschickungskammern den gleichen
Durchmesser, aber deren Tiefe wird auf 15 mm vergrößert,
wobei die gleiche Höhe Fließpreßschulter und der gleiche
Durchmesser beibehalten wurden.
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Inder vierten Reihe Austritte wurde für die
Beschickungskammer die gleiche Tiefe von 15 mm
beibehalten aber der Durchmesser auf 25 mm vergrößert.
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Nachdem eine Reihe von Versuchen durchgeführt und die
Ergebnisse verglichen wurden, kamen wir zu der Folgerung
daß in jedem konzentrischen Ring von der Mitte der
Matrize aus, die Beschickung, und demzufolge die
extrudierte Länge, je nach dem Zuführungswinkel (α) des
Metalls, der durch den Durchmesser des Austritts und dem
Durchmesser der Kammer gebildet ist, unterschiedlich
ist.
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Anschließend wurden die Versuche mit Aluminium
wiederholt und die Länge des Strangs, der aus jeden
Austritt fließt, gemessen, wobei wir zu den
nachstehenden Folgerungen gekommen sind.
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- Bei gleichem Zuführungswinkel wird der extrudierte
Strang kürzer, je weiter entfernt die Austritte
vom Mittelpunkt sind.
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- Bei ähnlichen Zuführungswinkeln sind auch die
extrudierten Längen ähnlich, für Austrittöffnungen
die gleich weit vom Mittelpunkt der Matrize
entfernt sind.
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- Wenn die Tiefe der Beschickungskammer zunimmt, der
Durchmesser aber gleich bleibt, nimmt der
Metallfluß ab.
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- Die stärkste Beschickung erhält man, wenn keine
Beschickungskammer vorhanden ist, was theoretisch
einem Zuführungswinkel (α) von 180º entspricht.
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Angesichts dieser Schlußfolgerungen gingen wir dazu, die
Ergebnisse mengenmäßig zu erfassen, und zu diesem Zweck
gibt es folgende möglichen Variablen und
Versuchsmöglichkeiten:
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Nachdem die Versuche 1, 2 und 3 durchgeführt wurden und
die Parameter mengenmäßig bestimmt worden waren, ist mit
den erhaltenen Ergebnissen ein Diagramm zur Bestimmung
der Abmessungen der Matrize gezeichnet worden, das auf
Fig. 1 zu sehen ist.
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Die Vorgangsweise für die Berechnung ist folgende:
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Wir haben vor uns die Zeichnung der Matrize, die wir
konstruieren wollen, und beginnen mit einem Kreis der
85% des Durchmessers des Behälters, den wir für die
Extrusion benutzen werden. Dann verteilen wir die Anzahl
Austritte, die wir anbringen wollen und verteilen sie
an den Schwerpunkten der Figur, in Übereinstimmung mit
den Schwerpunkten der Teile des Kreisabschnitts in dem
sie sich befinden.
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Anschließend werden vom Mittelpunkt aus konzentrische
Kreise mit jeweils 16 mm abgestuften Halbmessern
gezeichnet, welche die Figuren der Profile in
verschiedenen Punkten schneiden.
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Diese Schnittpunkte werden von innen nach außen
numeriert und eine Tabelle gebildet auf welcher folgende
Werte aufgeführt werden:
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Nr. des Punktes
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Kreis
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Wert von µ
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Beschickung
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Beschickungskammer, Tiefe, Breite
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Danach benutzen wir das Diagramms, indem wir den
entsprechenden Wert von µ für jeden Punkt nehmen und im
Schnittpunkt mit der Kurve die dem Kreis entspricht, auf
welchem sich dieser Teil der Figur befindet, erhalten
wir auf der rechten Seite, auf den Ordinaten, die
vorgesehene Beschickung. Fahren wir nun horizontal
weiter bis zum Schnittpunkt mit den Geraden die c&sub1;, c&sub2;,
c&sub3;, c&sub4;, c&sub5;, usw numeriert sind, finden wir am Fuß der
Schnittpunkte, auf den Abszissen, den Beschickungswinkel
der vorgesetzten Beschickungskammer. Wenn wir von hier
aus die Tiefe der Kammer wählen, 5, 10 oder 15 mm,
erhalten wir die Breite der Kammer die diesem Punkt der
Figur entspricht.
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Wenn die Tabelle fertig ist, können wir an jedem der
gewählten Punkte Kreise mit dem berechneten Durchmesser
zeichnen.
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Werden anschließend diese Kreise durch anliegende
Geraden verbunden, so erhalten wir den Umriß der
Beschickungskammer.
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Es kann geschehen, daß die Geometrie der Figur es nicht
zuläßt die Beschickungskammern mit der berechneten
Breite zu konstruieren, weil es einen Überschnitt gibt;
in diesem Fall gibt es zwei mögliche Lösungen:
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Mit der ersten, wenn der Wert von µ von einem Punkt zum
nächsten sehr ähnlich ist, wählt man den größtmöglichen
Durchmesser den man an den kritischen Punkten der Figur
zeichnen kann, ohne daß sich zwei benachbarte
überschneiden. Nun wird das Diagramm in
entgegengesetztem Sinn durchlaufen, um die maximale
Beschickung zu bestimmen, die man mit dieser
Beschickungskammer erhalten kann. Danach werden die
restlichen Beschickungskammern neu konstruiert, indem
man von dieser maximalen Beschickung ausgeht und auf den
Geraden c&sub1;, c&sub2;, c&sub3;, c&sub4;, c&sub5;, usw gleitet, um den
erforderlichen Winkel zu erhalten. Auf diese Weise
erhält man eine Matrize die zwar weniger Beschickung
erlaubt, dafür aber ausgewogen ist.
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Die zweite Möglichkeit besteht für Matrizen mit
unterschiedlichen µ-Werten, indem Beschickungskammern
unterschiedlicher Höhe überlagert werden; auf diese
Weise können sich zwar die Kreise der großen Kammer
überschneiden, aber darunter erscheinen andere Kammern,
die einen kleineren Durchmesser und geringere Tiefe
aufweisen.
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Bis jetzt haben wir Versuche mit Matrizen die eine
maximale Fließpreßschulter von 2 mm hatten,
durchgeführt, sowie in einigen Fällen ohne
Fließpreßschulter, wobei wir die Reibungsfläche mit
einem voreilenden Winkel von 3º geschliffen haben. Somit
haben wir brauchbare Matrizen erhalten die uns auch in
allen Fällen Extrusionsgeschwindigkeiten bis zu 80 Meter
pro Minute erlaubten.
Anwendungsbeispiele.
Beispiel Nr. 1
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Auf Fig. 2a ist der Grundriss der Zeichnung einer der
beiden symetrischen Figuren, welche die Matrize eines
Profils für eine Fensterzarge bilden. Auf der Zeichnung
der drei Stufen die eingearbeitet wurden um somit den
Beschickungswinkel zu erhalten sind auch die
Beschickungswinkel gezeichnet, die mit dem Diagramm
berechnet wurden. Die gesamte Figur weist eine Höhe der
Fließpreßschulter von 2 mm auf.
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Die Form der Stufen der Beschickungskammer sowie die
Abmessungen welche den Beschickungswinkel bestimmen, der
für jeden Punkt der Matrize unterschiedlich ist, sind
auf der Schnittzeichnung in Fig. 2b zu sehen.
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Diese Matrize wurde aus einem Stahlring, Werkstoff H-13,
bearbeitet, anschließend gehärtet und geschliffen, und
zur Herstellung von Profilen verwendet. Die
hergestellten Profile weisten einwandfreie Abmessungen
und Form auf, die sich innerhalb der Toleranzen
befanden, und die Extrusionsgeschwindigkeit betrug 60
Meter pro Minute.
Beispiel Nr. 2
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Fig. 3a zeigt im Grundriss einen der vier symetrischen
Austritte eines Profils für Gardinenstangen.
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Wie im ersten Beispiel haben wir im Grundriss die drei
Stufen gezeichnet die das Profil umgeben und den
Zuführungswinkel der Beschickungskammer, welche jeden
Punkt des Profils mit der erforderlichen Menge Aluminium
beschicken wird, um den Austritt zu regulieren und die
einwandfreien Formen und Abmessungen zu erhalten,
bestimmen.
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Die Höhe der Fließpreßschulter welche die Form des
Profils bestimmt beträgt 1,5 mm in der gesamten Figur.
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Die Beschickungswinkel wurden mit Hilfe des Diagramms
der Fig. Nr. 1 berechnet.
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Der Querschnitt der Stufen der Beschickungskammer welche
den berechneten Beschickungswinkel begrenzen, sind in
Fig. 2b gezeichnet.
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Diese Matrize mit vier Austritten wurde aus einem
Stahlring, Werkstoff H-13, bearbeitet, anschließend
gehärtet und geschliffen, und zur Herstellung von
Profilen auf einer horizontalen Fließpresse für
Aluminium mit einer Kraft von 1.600 Tonnen verwendet.
Die hergestellten Profile weisten von Anfangs an eine
sehr gute Qualität sowie tadellose Beschaffenheit der
Oberfläche auf, und die Extrusionsgeschwindigkeit betrug
65 Meter pro Minute.