Løsning på slitage i værktøjer: De vigtigste slidmekanismer i stansningsværktøjer

TL;DR

Slitagemekanismer i stansværktøjer er primært drevet af den intense friktion og pres mellem værktøjet og pladematerialet. De to grundlæggende typer er abrusivt udslidning , forårsaget af hårde partikler, der skraber værktøjsfladen, og adhæsiv slid (Galling) , som opstår ved materialeoverførsel og mikro-svejsning mellem overflader. Ved moderne belagte stål er en dominerende mekanisme komprimering af hårde belægningsrester, som brister af pladen og ophober sig på værktøjet, hvilket fremskynder nedbrydningen og forkorter værktøjslevetiden.

De grundlæggende mekanismer: Abrasiv mod adhæsiv slitage

Forståelse af levetid og ydeevne for stansværktøjer starter med at genkende de to primære slidmekanismer, der opstår ved værktøj-emne-grænsefladen: abrasivt og adhæsivt slid. Selvom de ofte forekommer samtidigt, skyldes de forskellige fysiske processer. Slid på værktøjer og stansværktøjer er en direkte følge af friktionen, der opstår under den glidende kontakt mellem emnet i fladstål og værktøjsfladen, hvilket fører til materialeforbrud eller forskydning.

Abrasiv slitage er den mekaniske nedbrydning af en overflade forårsaget af hårde partikler, der presset mod den og bevæger sig langs den. Disse partikler kan stamme fra flere kilder, herunder hårde faser i mikrostrukturen i pladematerialet, oxider på overfladen eller, mest betydningsfuldt, brudte fragmenter fra hårde belægninger som Al-Si-laget på preshærdede stål. Disse partikler virker som skæreværktøjer, der pløjer riller og ridser ind i det blødere værktøjsmateriale. Et værktøjsståls modstand mod abrasiv slitage er tæt forbundet med dets hårdhed og mængden af hårde karbider i dets mikrostruktur.

Adhæsiv slitage er derimod et mere komplekst fænomen, der indebærer materialeoverførsel mellem de to kontaktflader. Under det enorme tryk og den varme, der genereres under stansning, kan mikroskopiske ujævnheder (toppe) på stempel- og emaljefladerne danne lokale mikro-svejsninger. Når fladerne fortsætter med at glide, brister disse svejsninger og river små fragmenter af den svagere overflade (ofte værktøjet) af, som overføres til den anden. Denne proces kan eskalere til en alvorlig form kendt som galling , hvor det overførte materiale opbygges på stempelværktøjet og fører til betydelig overfladeskade, øget friktion og ringe komponentkvalitet.

Disse to mekanismer er ofte sammenflettet. Den ru overflade, som opstår ved indledende adhæsiv slid, kan fange flere slidstærke partikler og dermed fremskynde den abrasive slid. Omvendt kan riller fra abrasiv slid danne kerneområder, hvor snavs kan samle sig, og derved igangsætte adhæsiv slid. En effektiv styring af værktøjslevetid kræver strategier, der tager højde for begge disse grundlæggende svigtformer.

For at tydeliggøre deres forskelle, kan følgende sammenligning anvendes:

Den afgørende rolle af pladens belægninger og komprimering af slidpartikler

Mens traditionelle modeller fokuserer på slid- og klistret_slid, er en mere nuanceret mekanisme dominerende ved stansning af moderne materialer såsom AlSi-belagte avancerede højstyrke stål (AHSS). Forskning, såsom en detaljeret undersøgelse offentliggjort i MDPI's Smøreolier notatbog , afslører, at den primære slidmekanisme ofte er komprimering af løse slidpartikler fra pladens belægning. Dette ændrer forståelsen af slid fra en simpel interaktion mellem værktøj og stål til et mere komplekst tribologisk system, der omfatter en tredje krop – selve belægningsresterne.

AlSi-beklædningen, der anvendes på pressehærdede stål, er designet til at forhindre oksidation og decarburering ved høje temperaturer. Under opvarmningsprocessen omdannes denne beklædning dog til hårde og sprøde intermetalliske faser. Med en hårdhed angivet til mellem 7 og 14 GPa er disse intermetalliske lag væsentligt hårde end endog hærdet værktøjsstål (typisk omkring 6-7 GPa). Under stansprocessen knækker denne sprøde beklædning på grund af to hovedårsager: kraftig glidegnidning mod formen og den kraftige plastiske deformation af det underliggende ståls ubstrat. Dette knækker danner et fint, slidstærkt "støv" af hårde beklædningspartikler.

Dette affald bliver fanget ved værktøj-emne-grænsefladen. Under det høje tryk og den høje temperatur i stempelcyklussen presses disse løse partikler ind i enhver mikroskopisk uregelmæssighed på formens overflade, såsom maskinspår eller opridningsridser. Efterhånden som der forekommer flere cyklusser, ophobes dette affald og komprimeres til et tæt, glasaktigt lag, som bliver mekanisk forankret til værktøjet. Dette forløb er særlig alvorligt i områder med højt tryk, såsom trækradiussen, hvor både friktion og materialedeformation er på deres maksimum.

Morfologien af denne slitage varierer efter placering. På trækradier kan den manifestere sig som 'groft materialeoverførsel', hvor der dannes tykke, kompakte lag, der kan ændre stempelværktøjets geometri. På fladere overflader med mindre tryk kan det optræde som 'sparsom materialeoverførsel', hvilket skaber matte kanter eller pletter. Dette mekanisme indebærer, at slitage ofte mere er et mekanisk og topologisk problem end et rent kemisk. Den oprindelige overfladebehandling af værktøjet er afgørende, da selv mindre uregelmæssigheder kan fungere som forankringspunkter for snavs, der begynder at akkumulere. Derfor er forebyggelse af *initiering* af overfladeskader en nøglestrategi til at mindske denne aggressive form for slitage.

Nøglefaktorer, der fremskynder stempelslitage

Slid på værktøj er et komplekst problem, der forværres af en kombination af mekaniske, materielle og procesrelaterede faktorer. Overgangen til højere faste materialer som AHSS har forøget betydningen af disse variable, hvilket gør proceskontrol vigtigere end nogensinde. At forstå disse faktorer er det første skridt mod at udvikle effektive strategier til at mindske slid.

Kontaktryk og materialeegenskaber er formodentlig de mest betydningsfulde drivkræfter. Formning af AHSS kræver væsentligt højere kræfter end bløde stål, hvilket tilsvarende øger kontaktrykket på værktøjet. Desuden kan hårdheden for nogle AHSS-kvaliteter nærme sig selve værktøjsstållets hårdhed, hvilket skaber et næsten ens hårdhedsforhold, der forøger slidgennem abrasion. Den reducerede pladetykkelse, der ofte anvendes sammen med AHSS for at spare vægt, øger desuden tendensen til rynkeldannelse, hvilket kræver højere blankholder-kræfter for at undertrykke det, og yderligere øger lokalt tryk og slid.

Smørfinansiering spiller en afgørende rolle for at adskille form- og emnestykkerflader. Utilstrækkelig eller ukorrekt smøring skaber ikke en beskyttende film, hvilket fører til direkte metal-mod-metal-kontakt. Dette øger gnidningen markant, genererer overmæssig varme og er en primær årsag til adhæsiv slitage og galling. De høje tryk og temperaturer, der indgår i formning af AHSS, kræver ofte højtydende smøremidler med ekstremt tryk (EP) tilsætningsstoffer.

Formdesign og overfladeafgørelse er også kritisk. Forkert stans-til-form-frihed kan øge skærekraften og slitage. For eksempel anbefaler AHSS Guidelines , at friheden for DP590-stål bør være 15 %, i modsætning til 10 % for traditionelt HSLA-stål. En dårlig overflade på værktøjet giver mikroskopiske toppe og dale, som fungerer som kerneområder for kompaktivering af snavs og galling. Det anbefales at polere værktøjer til en meget glat overflade (f.eks. Ra < 0,2 μm) før og efter belægning for at reducere disse forankringspunkter.

Følgende tabel opsummerer disse nøglefaktorer og deres indflydelse:

Løsninger: Forbedring af dies levetid

Udvidelse af levetiden for stansværktøjer kræver en helhedsorienteret tilgang, der kombinerer avancerede materialer, sofistikerede overfladebehandlinger og optimerede proceskontroller. At udelukkende stole på traditionelle metoder er ofte utilstrækkeligt, når der arbejdes med moderne højstyrke stål.

En primær strategi er valget af Avancerede værktøjsstål . Mens konventionelle værktøjsstål som D2 har været arbejdsheste i årtier, når de ofte grænserne med AHSS. Værktøjsstål fra pulvermetallurgi (PM) repræsenterer en betydelig forbedring. Fremstillet fra atomiseret metalpulver har PM-stål en meget finere og mere ensartet mikrostruktur med jævnt fordelt karbider. Dette resulterer i en bedre kombination af sejhed og slidstyrke sammenlignet med konventionelt producerede stål. En casesudgave fremhævet af AHSS Indsigter viste, at skift fra D2 til en mere holdbar PM-værktøjsstål til formning af et tværbjælkearm øgede værktøjslevetiden fra ca. 5.000–7.000 cyklusser til 40.000–50.000 cyklusser. For at opnå denne ydelsesniveau kræves det ofte at samarbejde med specialister. For eksempel fokuserer virksomheder som Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. på at udvikle brugerdefinerede stansningsforme til bilindustrien, hvor de benytter avancerede materialer og processer for at maksimere værktøjslevetid for OEM'er og Tier 1-leverandører.

Overfladebehandlinger og coatings udgør en anden kraftfuld forsvarslinje. Målet er at skabe en hård, lavfrictions overflade, der er modstandsdygtig over for både erosiv og adhæsiv slitage. En almindelig bedste praksis er en duplexbehandling: Først hærdes værktøjsstål-substratet ved en proces som ionnitriding for at skabe et stærkt grundlag, der forhindrer deformation under belægningen. Derefter påføres en belægning via fysisk dampaflejring (PVD). PVD-belægninger som titaniumnitrid (TiN), titaniumaluminiumnitrid (TiAlN) eller chromnitrid (CrN) danner en ekstremt hård, glidende og sliddagsam barriere. PVD foretrækkes ofte frem for kemisk dampaflejring (CVD), fordi det er en lavere temperaturproces, hvilket undgår risikoen for deformation eller blødning af det varmebehandlete værktøj.

Endelig, Proces- og designoptimering er afgørende. Dette inkluderer korrekte spillerum mellem stans og matrice, opretholdelse af en meget poleret værktøjsoverflade samt implementering af en solid smøringsskema. En praktisk tjekliste for vedligeholdelse og opsætning af matricer bør omfatte:

• Undersøg regelmæssigt kritiske radier og kanter for de første tegn på slid eller materialeophobning.
• Overvåg slitmønstre for at identificere potentielle problemer med justering eller trykforsyning.
• Sørg for nøjagtig justering af presse og stans for at undgå ujævn belastning.
• Vedligehold smøresystemet for at sikre en konsekvent og tilstrækkelig påføring.
• Polér eventuelle begyndende tegn på galling, inden de formår at brede sig og forårsage betydelig skade.

Ved at integrere disse avancerede materialer, overflade- og processtrategier kan producenter effektivt bekæmpe de primære slidmekanismer i stansværktøjer og markant forbedre værktøjsholdbarhed, delkvalitet og samlet produktionsydelse.

Ofte stillede spørgsmål