Řešení opotřebení forem: Hlavní mechanismy opotřebení u tvářecích forem

SHRNUTÍ

Mechanismy opotřebení u tvářecích nástrojů jsou primárně způsobeny intenzivním třením a tlakem mezi nástrojem a plechem. Dva základní typy jsou materiálové opotřebení , způsobené tvrdými částicemi škrábajícími povrch nástroje, a adhezivní opotřebení (záškuby) , vznikající přenosem materiálu a mikrosvařováním mezi povrchy. U moderních povlakových ocelí dominantním mechanizmem je kompaktace tvrdých úlomků povlaku, které se odlamují z plechu a hromadí se na nástroji, což urychluje degradaci a zkracuje životnost nástroje.

Základní mechanismy: Abrazivní vs. adhezivní opotřebení

Pochoopení životnosti a výkonu tvářecích nástrojů začíná poznáním dvou hlavních mechanismů opotřebení, ke kterým dochází na rozhraní nástroje a obrobku: abrazivního a adhezivního opotřebení. Ačkoli často probíhají současně, jsou způsobeny odlišnými fyzikálními procesy. Opotřebení nástrojů a forem je přímým důsledkem tření vznikajícího při posuvném kontaktu mezi plechem a povrchem nástroje, což vede ke ztrátě nebo přemístění materiálu.

Abrazivní opotřebení je mechanické poškození povrchu způsobené tvrdými částicemi, které jsou přitlačovány k povrchu a pohybují se po něm. Tyto částice mohou pocházet z několika zdrojů, včetně tvrdých fází v mikrostruktuře plechu, oxidů na povrchu nebo, co je nejvýznamnější, zlomených úlomků tvrdých povlaků, jako je vrstva Al-Si na ocelích pro tvarovací kalení. Tyto částice působí jako řezné nástroje, které vyhrnují drážky a rýhy do měkčího materiálu nástroje. Odolnost oceli nástroje proti abrazivnímu opotřebení je úzce spojena s její tvrdostí a objemem tvrdých karbidů v její mikrostruktuře.

Adhezní opotřebení je naopak složitější jev, při kterém dochází k přenosu materiálu mezi dvěma kontaktujícími se povrchy. V důsledku obrovského tlaku a tepla vznikajícího během tváření mohou mikroskopické nerovnosti (vrcholy) na povrchu nástroje a plechu vytvářet lokální mikrosvary. Při dalším posunu se tyto svarové spoje lomí, čímž odlamují malé úlomky z měkčího povrchu (často nástroje) a přenášejí je na druhý povrch. Tento proces může eskalovat do závažné formy známé jako drásavý , při které se přenesený materiál hromadí na nástroji, což vede k výraznému poškození povrchu, zvýšenému tření a špatné kvalitě výrobků.

Tyto dva mechanismy jsou často propojeny. Drsný povrch vzniklý počátečním adhezivním opotřebením může zachytit více abrazivních částic, čímž se urychlí abrazivní opotřebení. Naopak drážky způsobené abrazivním opotřebením mohou vytvářet místa pro nukleaci, kde se hromadí úlomky, a tak iniciovat adhezivní opotřebení. Účinná správa životnosti nástroje vyžaduje strategie, které řeší oba tyto základní typy poruch.

Pro objasnění jejich rozdílů vezměme v úvahu následující srovnání:

Klíčová role povlaků plechů a kompaktace zbytků opotřebení

Zatímco tradiční modely se zaměřují na abrazivní a adhezivní opotřebení, u tvarování moderních materiálů, jako je AlSi-povlakovaná vysoce pevná ocel (AHSS), dominuje jemnější mechanismus. Výzkum, například podrobná studie publikovaná v MDPI Maziva deník , odhaluje, že hlavním mechanismem opotřebení je často kompaktace volných zbytků opotřebení z povlaku plechu. To mění chápání opotřebení z jednoduché interakce mezi nástrojem a ocelí na složitější tribologický systém zahrnující třetí těleso – samotné zbytky povlaku.

AlSi povlak aplikovaný na oceli určené k tváření za horka je navržen tak, aby zabraňoval vzniku okují a oduhličování při vysokých teplotách. Během procesu ohřevu se tento povlak však mění na tvrdé a křehké intermetalické fáze. Tyto intermetalické vrstvy mají tvrdost udávanou mezi 7 až 14 GPa, což je výrazně vyšší hodnota než u kalené nástrojové oceli (obvykle kolem 6–7 GPa). Během procesu lisování dochází ke stárnutí tohoto křehkého povlaku ze dvou hlavních důvodů: intenzivnímu smykovému tření o nástroj a výrazné plastické deformaci podkladové ocelové matrice. Toto stárnutí vytváří jemný, abrazivní „prach“ z tvrdých částic povlaku.

Tento odpad je zachycen na rozhraní nástroje a obrobku. Pod vysokým tlakem a teplotou během tvarovacího cyklu jsou tyto volné částice vtlačovány do jakýchkoli mikroskopických nerovností na povrchu razníku, jako jsou stopy po obrábění nebo počáteční abrazivní rýhy. S každým dalším cyklem se tento odpad hromadí a stává se zhutnělou, glazurově podobnou vrstvou, která je mechanicky ukotvena do nástroje. Tento proces je obzvláště intenzivní v oblastech s vysokým tlakem, jako je tažný poloměr, kde dosahují špičkových hodnot jak tření, tak deformace materiálu.

Morfologie tohoto opotřebení se liší podle místa. Na kreslících poloměrech se může projevovat jako „hrubý přenos materiálu“, přičemž vytváří silné, kompaktní vrstvy, které mohou změnit geometrii nástroje. Na rovnějších plochách s nižším tlakem se může objevit jako „řídký přenos materiálu“, přičemž vznikají matné okraje nebo skvrny. Tento mechanismus znamená, že opotřebení je často spíše mechanickým a topologickým problémem než čistě chemickým. Počáteční úprava povrchu nástroje je rozhodující, protože i drobné nedokonalosti mohou sloužit jako kotvicí body pro hromadění nečistot. Proto je prevence *iniciace* poškození povrchu klíčovou strategií pro zmírnění této agresivní formy opotřebení.

Klíčové faktory, které urychlují opotřebení nástroje

Opotřebení nástrojů je mnohotvárný problém, který zrychlují kombinované mechanické, materiálové a procesně podmíněné faktory. Přechod k vyšší pevnosti materiálů, jako je AHSS, zesílil vliv těchto proměnných, čímž se stává řízení procesu důležitějším než kdy dříve. Porozumění těmto faktorům je prvním krokem k vývoji účinných strategií zmírňování.

Kontaktní tlak a vlastnosti materiálu jsou pravděpodobně nejvýznamnějšími faktory. Tváření AHSS vyžaduje výrazně vyšší síly než tvárné oceli, což úměrně zvyšuje kontaktní tlak na nástroj. Navíc tvrdost některých tříd AHSS se může přiblížit tvrdosti samotné nástrojové oceli, což vytváří téměř stejnou tvrdostní shodu, která zvyšuje abrazivní opotřebení. Snížená tloušťka plechu, která se často používá u AHSS kvůli úspoře hmotnosti, také zvyšuje tendenci ke vrásnění, což vyžaduje vyšší síly upínání materiálu pro potlačení, čímž se dále zvyšuje místní tlak a opotřebení.

Mazání hraje klíčovou roli při oddělování povrchů nástroje a obrobku. Nedostatečné nebo nevhodné mazání nevytváří ochranný film, což vede ke kontaktu kov na kov. To výrazně zvyšuje tření, generuje nadměrné teplo a je hlavní příčinou adhezního opotřebení a přivařování. Vysoké tlaky a teploty spojené s tvářením AHSS často vyžadují maziva s vysokým výkonem a přísadami pro extrémní tlak (EP).

Návrh nástroje a úprava povrchu jsou také rozhodující. Nesprávná mezera mezi děrovacím nástrojem a maticí může zvýšit řezné síly a opotřebení. Například podle AHSS Guidelines doporučená mezera u oceli DP590 může být 15 %, zatímco u tradiční oceli HSLA je to 10 %. Nevhodná úprava povrchu nástroje vytváří mikroskopické výstupky a prohlubně, které slouží jako místa nukleace pro kompaktaci nečistot a přivařování. Je doporučeno leštit nástroje na velmi hladký povrch (např. Ra < 0,2 μm) před i po nanesení povlaku, aby se snížily tyto kotvicí body.

Následující tabulka shrnuje tyto klíčové faktory a jejich vliv:

Strategie zmírnění: Zlepšení životnosti matrice

Prodloužení životnosti tvářecích nástrojů vyžaduje komplexní přístup, který kombinuje pokročilé materiály, sofistikované povrchové úpravy a optimalizovanou kontrolu procesů. Pouhé spoléhání na tradiční metody je často nedostačující při práci s moderními ocelmi vysoké pevnosti.

Hlavní strategií je výběr Pokročilé nástrojové oceli . Zatímco běžné nástrojové oceli, jako je D2, byly desetiletími spolehlivým řešením, u AHSS často dosahují svých limitů. Oceli vyráběné práškovou metalurgií (PM) představují významné zlepšení. Vyrobené z atomizovaného kovového prášku mají PM oceli mnohem jemnější a rovnoměrnější mikrostrukturu s rovnoměrně rozptýlenými karbidy. To vedie k lepší kombinaci houževnatosti a odolnosti proti opotřebení ve srovnání s konvenčně vyráběnými ocelmi. Jedna z publikovaných studií zdůraznila AHSS Insights ukázalo, že přechod od D2 k odolnějšímu nástrojovému oceli PM pro tváření nápravky zvýšil životnost nástroje z přibližně 5 000–7 000 cyklů na 40 000–50 000 cyklů. Dosáhnutí takové úrovně výkonu často vyžaduje spolupráci se specialisty. Například společnosti jako Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. se zaměřují na výrobu speciálních automobilových střihacích a tvářecích nástrojů s využitím pokročilých materiálů a procesů za účelem maximalizace životnosti nástrojů pro výrobce OEM i dodavatele první úrovně.

Povrchové úpravy a nátěry poskytují další silnou obrannou linii. Cílem je vytvořit tvrdý, nízkoodolný povrch, který odolává abrazivnímu i adhezivnímu opotřebení. Běžnou osvědčenou praxí je duplexní úprava: nejprve proces jako iontové nitridování ztvrdne ocelový podklad nástroje a zajistí tak pevný základ, který zabrání deformaci pod vrstvou. Poté je aplikována vrstva nanášená fyzikální depozicí (PVD). PVD vrstvy jako slitina dusíku titaničitého (TiN), slitina dusíku titanu a hliníku (TiAlN) nebo dusík chromitý (CrN) vytvářejí extrémně tvrdou, mazkou a opotřebením odolnou bariéru. PVD je často upřednostňováno před chemickou depozicí (CVD), protože se jedná o proces probíhající za nižší teploty, čímž se vyhne riziku deformace nebo změkčení kalené matrice.

A konečně, Optimalizace procesu a návrhu je rozhodující. Zahrnuje to zajištění správných mezer mezi razníkem a maticí, udržování vysoce leštěného povrchu nástroje a implementaci spolehlivého plánu mazání. Praktická kontrolní seznam pro údržbu a nastavení matrice by měla zahrnovat:

• Pravidelně kontrolujte kritické poloměry a hrany, zda se na nich neobjevují první známky opotřebení nebo nánosů materiálu.
• Sledujte vzory opotřebení, abyste identifikovali případné problémy s výsuvem nebo rozložením tlaku.
• Zajistěte přesné nastavení lisu a razníku, aby nedocházelo k nerovnoměrnému zatížení.
• Udržujte mazací systém v provozuschopném stavu, aby byla zajištěna konzistentní a dostatečná aplikace maziva.
• Odstraňte jakékoli počáteční známky zadrhávání leštěním, než se rozrostou a způsobí významné poškození.

Integrací těchto pokročilých strategií materiálu, povrchu a procesu mohou výrobci účinně čelit hlavním mechanismům opotřebení razníků pro tváření a výrazně prodloužit životnost nástrojů, zlepšit kvalitu dílů a celkovou efektivitu výroby.

Nejčastější dotazy