Решаване на износването при прецисно леене: основни механизми на износване при штампи

Накратко

Износните механизми при штамповъчни матрици се дължат предимно на интензивното триене и налягане между инструмента и листовия метал. Двата основни вида са абразивно износване , причинени от твърди частици, които драскат повърхността на матрицата, и адхезивно износване (залипване) , възникващ от прехвърлянето на материал и микрозаваряване между повърхностите. При съвременните покрити стомани доминиращ механизъм е уплътняването на парчета от твърдо покритие, които се откъсват от листа и се натрупват върху инструмента, ускорявайки деградацията и намалявайки живота на матрицата.

Основните механизми: Абразивен срещу адхезивен износ

Разбирането на дълголетието и производителността на штамповъчните матрици започва с разпознаването на двата основни механизма на износване, които възникват на границата между инструмента и заготовката: абразивно и адхезивно износване. Въпреки че често се появяват едновременно, те се причиняват от различни физически процеси. Износването на инструменти и матрици е пряк резултат от триенето, възникващо по време на плъзгащия контакт между листовия метал и повърхността на инструмента, което води до загуба или преместване на материал.

Абразивният износ е механичното разрушаване на повърхност, причинено от твърди частици, които се придвижват по нея под натиск. Тези частици могат да произлизат от различни източници, включително твърди фази в микроструктурата на листовия метал, оксиди на повърхността или най-вече фрагменти от твърди покрития като Al-Si слоя върху стоманите за пресоване и закаляване. Тези частици действат като режещи инструменти, които издълбават бразди и драскотини в по-мекия материал на матрицата. Устойчивостта на инструменталната стомана към абразивен износ е тясно свързана с нейната твърдост и обема на твърдите карбиди в микроструктурата ѝ.

Адхезивният износ напротив е по-сложен феномен, включващ прехвърляне на материал между двете контактни повърхности. При огромното налягане и топлина, генерирани по време на щанцоване, микроскопични неравности (върхове) върху повърхностите на матрицата и ламарината могат да образуват локализирани микрозаварки. Докато повърхностите продължават да се плъзгат, тези заварки се разрушават, откъсвайки малки парченца от по-слабата повърхност (често инструментът) и ги прехвърлят към другата. Този процес може да ескалира до тежка форма, известна като заледяване , при която прехвърленият материал се натрупва върху матрицата, водейки до значителни повърхностни повреди, увеличена триене и лошо качество на детайлите.

Тези две механизма често са преплетени. Грапавата повърхност, създадена от първоначалното адхезивно износване, може да задържи повече абразивни частици, което ускорява абразивното износване. Обратно, браздите от абразивното износване могат да създадат места за зародишно натрупване на отломки, което инициира адхезивно износване. Ефективното управление на живота на матрицата изисква стратегии, които отчитат тези два основни режима на повреда.

За да се пояснят разликите им, разгледайте следното сравнение:

Ключовата роля на листовите покрития и уплътняването на отпадъчните материали

Докато традиционните модели се фокусират върху абразивно и адхезивно износване, по-нюансиран механизъм доминира при штамповката на съвременни материали като напреднали високоякостни стомани с AlSi покритие (AHSS). Проучвания, като подробно изследване публикувано в MDPI's Смазки дневник , разкриват, че основният механизъм на износване често е уплътняването на отпадъчни материали от покритието на листа което променя разбирането за износването – от проста интеракция между инструмента и стоманата към по-сложна трибологична система, включваща трето тяло – самите частици от покритието.

Нанасяният AlSi слой върху стоманите за пресоване с цел предпазване от окаляване и декарбонизация при високи температури. В процеса на нагряване обаче този слой се превръща в твърди и крехки интерметални фази. С твърдост между 7 и 14 GPa, тези интерметални слоеве са значително по-твърди дори от закалената инструментална стомана (обикновено около 6–7 GPa). По време на процеса на щампиране този крехък слой се напуква поради две основни причини: интензивното плъзгащо триене с матрицата и силната пластична деформация на основния стоманен материал. Това напукване води до образуването на фин абразивен "прах" от частици на твърдия слой.

Този прах се задържа на границата между инструмента и заготовката. При високото налягане и температура по време на процеса на штамповане, тези свободни частици се впресват в микроскопични неравности по повърхността на матрицата, като следи от обработка или първоначални абразивни бразди. С увеличаването на броя цикли, този прах се натрупва и се компактира в плътен, глазуроподобен слой, който се закрепва механически към инструмента. Този процес е особено изразен в зоните с високо налягане, като радиуса за изтегляне, където триенето и деформацията на материала достигат своя максимум.

Морфологията на този вид износване варира в зависимост от местоположението. Върху радиусите при изтегляне то може да се прояви като „грубо прехвърляне на материал“, образувайки дебели, компактни слоеве, които могат да променят геометрията на матрицата. Върху по-равнинни повърхности с по-ниско налягане може да се появи като „редко прехвърляне на материал“, създавайки матови ивици или петна. Този механизъм означава, че износването често е по-скоро механичен и топологичен проблем, отколкото изцяло химичен. Първоначалната обработка на повърхността на инструмента има решаващо значение, тъй като дори малки неравности могат да служат като точки за закачане, от които да започне натрупването на отломки. Следователно предотвратяването на *появата* на повърхностни повреди е ключова стратегия за ограничаване на този агресивен вид износване.

Основни фактори, които ускоряват износването на матриците

Изнасянето на матриците е многогранен проблем, ускорен от комбинация от механични, материални и процесно-свързани фактори. Преходът към по-високопрочни материали като AHSS е засилил влиянието на тези променливи, което прави контрола на процеса по-критичен от всякога. Разбирането на тези фактори е първата стъпка към разработването на ефективни стратегии за намаляване на износа.

Налягане при контакт и материални свойства са може би най-значимите причинители. Формоването на AHSS изисква значително по-големи сили в сравнение с меките стомани, което пропорционално увеличава контактното налягане върху матрицата. Освен това твърдостта на някои класове AHSS може да достигне твърдостта на инструменталната стомана, създавайки почти равна по твърдост двойка, която засилва абразивния износ. Намалената дебелина на листа, често използвана при AHSS за спестяване на тегло, също увеличава склонността към гънене, което изисква по-високи сили на заглушителя, за да се потисне, допълнително повишавайки локалното налягане и износа.

Смазване има решаваща роля при разделянето на повърхностите на матрицата и заготовката. Недостатъчно или неподходящо смазване не създава защитна пленка, което води до директен метал-метален контакт. Това значително увеличава триенето, генерира излишно топлина и е основната причина за адхезивно износване и залепване. Високите налягания и температури, участващи при формоване на AHSS, често изискват високоефективни смазки с добавки за екстремни налягания (EP).

Конструкция на матрицата и качеството на повърхността също са от решаващо значение. Неправилният зазор между пуансона и матрицата може да увеличи режещите сили и износването. Например, според AHSS Guidelines , препоръчителният зазор за стомана DP590 може да бъде 15%, спрямо 10% за традиционна HSLA стомана. Лошо качество на повърхността на инструмента осигурява микроскопични върхове и вдлъбнатини, които действат като центрове за образуване на уплътнени остатъци и залепване. Препоръчителна практика за намаляване на тези закрепващи точки е полирването на инструментите до много гладка повърхност (напр. Ra < 0,2 μm) преди и след нанасяне на покритие.

Следната таблица обобщава тези ключови фактори и тяхното влияние:

Стратегии за намаляване: Подобряване на живота на матриците

Разширяването на живота на сервизна експлоатация на шанц-прес формите изисква холистичен подход, който комбинира напреднали материали, сложни повърхностни обработки и оптимизирани процесни контроли. Само полагането на традиционни методи често е недостатъчно при работа с модерни високоякостни стомани.

Основна стратегия е изборът на Напреднали инструментални стомани . Докато конвенционалните инструментални стомани като D2 са били работни коне на отрасъла десетилетия наред, те често достигат своите граници при прилагане с AHSS. Стоманите, произведени чрез порошкова металургия (PM), представляват значително подобрение. Произвеждани от атомизиран метален прах, PM стоманите имат много по-финa и по-равномерна микроструктура с равномерно разпределени карбиди. Това води до превъзходна комбинация от ударна якост и устойчивост на износване в сравнение с конвенционално произвежданите стомани. Един представен практически пример сочи към AHSS Insights показа, че смяната от D2 на по-издръжлива инструментална стомана за изработване на лост за управление увеличава живота на инструмента от приблизително 5000–7000 цикъла до 40 000–50 000 цикъла. Постигането на такова ниво на производителност често изисква партньорство със специалисти. Например, компании като Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. се фокусират върху създаването на персонализирани шанцформи за автомобилна преса, използвайки напреднали материали и процеси, за да максимизират живота на инструментите за производители на оригинални компоненти (OEM) и доставчици от първо ниво.

Повърхностни обработки и покрития предоставят друга мощна линия на отбрана. Целта е да се създаде твърда, нисковъзходна повърхност, която устойчива както на абразивно, така и на адхезивно износване. Често използвана най-добра практика е дуплексна обработка: първо процес като йонно нитриране затвърдява основата от инструментална стомана, осигурявайки здрава основа, която предотвратява деформация под покритието. След това се нанася покритие чрез физическо изпарение (PVD). PVD покрития като титанов нитрид (TiN), титаново-алуминиев нитрид (TiAlN) или хромов нитрид (CrN) създават изключително твърда, смазочна и устойчива на износване бариера. PVD често се предпочита пред химичното отлагане (CVD), защото е процес при по-ниска температура, като се избягва рискът от деформация или размекване на термично обработената матрица.

И накрая, Оптимизация на процеса и конструкцията е от решаващо значение. Това включва осигуряване на правилни разстояния между пуансона и матрицата, поддържане на високо полирани повърхности на инструмента и прилагане на надежден план за смазване. Практически списък за проверка при поддръжката и настройката на матрицата трябва да включи:

• Редовно проверявайте критичните радиуси и ръбове за първите признаци на износване или натрупване на материал.
• Наблюдавайте моделите на износване, за да идентифицирате възможни проблеми с подравняването или разпределението на налягането.
• Осигурете прецизно подравняване на пресата и матрицата, за да се предотврати неравномерно натоварване.
• Поддържайте системата за смазване, за да се гарантира последователно и адекватно прилагане.
• Полирайте всякакви първоначални признаци на залепване, преди те да се разпространят и да причинят значителни щети.

Чрез интегриране на тези напреднали стратегии за материал, повърхност и процес, производителите могат ефективно да се борят с основните механизми на износване при штамповъчни матрици и значително да подобрят дълготата на живот на инструментите, качеството на детайлите и общата производствена ефективност.

Често задавани въпроси