Muottien kulumisen ratkaiseminen: keskeiset kulumismekanismit syvävetomuoteissa

TL;DR

Kuluminen painokuumeissa johtuu ensisijaisesti voimakkaasta kitkasta ja paineesta työkalun ja levymetallin välillä. Kaksi perustyyppiä ovat kaukopuhelinkuoren kulumus , joka johtuu kovista hiukkasista, jotka naarmuttavat kuolteen pintaa, ja tarttuva kuluminen (Galling) , joka syntyy materiaalin siirtymisestä ja mikrokittauksesta pintojen välillä. Nykyaikaisille pinnoitetuille teräksille hallitseva mekanismi on kovan pinnoitejätteen tiivistyminen, joka lohkeaa levystä irti ja kertyy työkalulle, kiihdyttäen rappeutumista ja lyhentäen kuolteen käyttöikää.

Perusmekanismit: kuluva vs. tarttuva kulumisaika

Stanssityökalujen kestävyyden ja suorituskyvyn ymmärtäminen alkaa kahden pääasiallisen kulumismekanismin tunnistamisesta työkalun ja työkappaleen rajapinnassa: abrasiivinen ja adhesiivinen kuluminen. Vaikka ne usein esiintyvät samanaikaisesti, niitä ohjaavat erilaiset fysikaaliset prosessit. Työkalujen ja muottien kuluminen on suora seuraus kitkasta, joka syntyy levymetallin ja työkalupinnan liukumisen aikana, mikä johtaa materiaalin menetykseen tai siirtymiseen.

Kulutus on mekaaninen pinnan heikkeneminen, joka johtuu kovista hiukkasista, jotka painetaan pintaa vasten ja liikkuvat sen poikki. Nämä hiukkaset voivat syntyä useista lähteistä, mukaan lukien levymetallin mikrorakenteen kovat faasit, pinnan oksidit tai merkittävimmin kovista pinnoitteista, kuten pressinvahvistusterästen Al-Si-kerroksesta, irtoavat murtumakappaleet. Nämä hiukkaset toimivat leikkuutyökaluina, jarruttaen uria ja naarmuja pehmeämpään muottimateriaaliin. Työkaluteräksen kestävyys kulumista vastaan on tiiviissä yhteydessä sen kovuuteen ja kovien karbidien tilavuuteen mikrorakenteessa.

Kuluma, toisaalta, on monimutkaisempi ilmiö, jossa materiaalia siirtyy kahden kosketuksissa olevan pinnan välillä. Valukappaleen muovauksen aikana syntyvän valtavan paineen ja lämmön vaikutuksesta muovin ja levymetallin pintojen mikroskooppiset epätasaisuudet (huiput) voivat muodostaa paikallisia mikrokilpiä. Kun pinnat jatkavat liukumistaan, nämä kiinnitykset murtuvat, repien pieniä palasia heikommasta pinnasta (usein työvälineestä) ja siirtäen niitä toiselle pinnalle. Tämä prosessi voi eskaloitua vakavaan muotoon, joka tunnetaan nimellä naarmuuntumisesta , jossa siirtynyt materiaali kertyy muoviin, aiheuttaen merkittävää pintavahinkoa, lisääntynyttä kitkaa ja huonolaatuisia osia.

Nämä kaksi mekanismia ovat usein toisiinsa sekoittuneet. Alkuperäisen tarttuvan kulumisen aiheuttama karkea pinta voi jättää kiinni enemmän kulumishiukkasia, mikä kiihdyttää abrasiivista kulumista. Toisaalta abrasiivisen kulumisen urat voivat luoda tiivistymiskytköksiä roskien kertymille, jolloin alkaa tarttuva kulumisprosessi. Muottielinkaaren tehokas hallinta edellyttää strategioita, jotka kohdistuvat molempiin näihin perustavanlaatuisiin vikaantumismuotoihin.

Niiden erojen selventämiseksi tarkastellaan seuraavaa vertailua:

Levyjen pinnoitteiden ja kulumaeterän tiivistymisen kriittinen rooli

Vaikka perinteiset mallit keskittyvät abrasiiviseen ja adhesiiviseen kulumiseen, nykyaikaisten materiaalien, kuten AlSi-pinnoitettujen kestävien korkealujuusterksten (AHSS), syvävetämistä hallitsee usein hienojakoisempi mekanismi. Tutkimukset, kuten yksityiskohtainen tutkimus, joka on julkaistu MDPI:n Voiteluaineet muistikirja julkaisussa, paljastavat, että ensisijainen kulumismekanismi on usein levyn pinnoitteesta irtoavan kulumaeterän tiivistyminen tämä muuttaa käsitystä kulumisesta yksinkertaisesta työkalu-teräsvuorovaikutuksesta monimutkaisemmaksi tribojärjestelmäksi, jossa mukana on kolmas osapuoli – itse pinnoitejäte.

AlSi-pinnoite, joka on käytössä muottilujitetuissa teräksissä, on suunniteltu estämään kalkkautumista ja hiilen häviämistä korkeissa lämpötiloissa. Kuitenkin lämmitysprosessin aikana tämä pinnoite muuttuu koviksi ja haurasiksi intermetallisiksi vaiheiksi. Intermetallisten kerrosten kovuusarvot vaihtelevat 7–14 GPa:n välillä, mikä tekee niistä merkittävästi kovempia kuin edes kovetettu työkaluteräs (tyypillisesti noin 6–7 GPa). Leikkauksen aikana tämä hauras pinnoite särkyilee kahdesta pääasiallisesta syystä: voimakas liukukitka muotin kanssa ja perustaan olevan teräsalustan voimakas plastinen muodonmuutos. Tämä särkyminen tuottaa hienoa, kovaa hionnasta aiheutuvaa "pölyä", joka koostuu kovista pinnoitehiukkasista.

Tämä roskamateriaali jää työkalun ja työkappaleen väliin. Vaelluksen korkean paineen ja lämpötilan alaisena nämä löyhät hiukkaset puristuvat mihin tahansa die-työkalun pinnan mikroskooppisiin epätasaisuuksiin, kuten koneenjälkiin tai alkuisiin kulumisuriihin. Kierrosten määrän kasvaessa roskamateriaali kertyy ja tiivistyy tiheäksi, lasimaiseksi kerrokseksi, joka kiinnittyy mekaanisesti työkaluun. Tämä prosessi on erityisen voimakas korkean paineen vyöhykkeissä, kuten vetosäteessä, joissa sekä kitka että materiaalin muodonmuutos ovat huipussaan.

Tämän kulumisen morfologia vaihtelee sijainnin mukaan. Piirtäessä säteitä se voi ilmetä 'romahdollisena materiaalisiirronä' muodostaen paksuja, tiheitä kerroksia, jotka voivat muuttaa kuoren geometriaa. Tasapuolisemmilla pinnalla, jossa paine on pienempi, se voi näkyä 'harvinaisena materiaalisiirronä' ja aiheuttaa tylsät reunat tai tahrat. Tämä mekanismi merkitsee sitä, että kuluminen on usein enemmän mekaaninen ja topologinen ongelma kuin puhtaasti kemiallinen. Työkalun alkuperäinen pinnoittelu on ensiarvoisen tärkeää, sillä pienetkin epätäydellisyydet voivat toimia ankkuripaikoina, joissa roskat alkavat kerääntyä. Siksi pinnassa tapahtuvan vaurioitumisen estäminen on keskeinen strategia tämän aggressiivisen kulumisen lieventämiseksi.

Tärkeimmät tekijät, jotka nopeuttavat kuivan kulumista

Kuorma-aineiden kuluminen on monimuotoinen ongelma, jota nopeuttavat mekaaniset, materiaali- ja prosessitekijät. Siirtyminen vahvempiin materiaaleihin, kuten AHSS: hen, on lisännyt näiden muuttujien vaikutusta, mikä tekee prosessinhallinnasta kriittisempaa kuin koskaan. Näiden tekijöiden ymmärtäminen on ensimmäinen askel tehokkaiden vähentämistrategioiden kehittämiseen.

Kontaktipaine ja materiaaliominaisuudet ovat epäilemättä merkittävimmät tekijät. AHSS:n muokkaaminen vaatii huomattavasti suurempia voimia kuin pehmeät teräkset, mikä lisää suhteellisesti kuoren kosketuspainetta. Lisäksi joidenkin AHSS-luokkien kovuus voi olla lähellä työkalu teräksen itseään, mikä luo lähes samanlaisen kovuuden, joka pahentaa hiottuvan kulumista. AHSS-laitteen painon säästämiseksi usein käytetyn pienemmän laatan paksuuden vuoksi myös ryppyjen taipumus lisääntyy, mikä edellyttää suurempia tyhjänpinnan voimia, jotka lisäävät paikallista painetta ja kulumista.

Voitelu on ratkaisevan tärkeä aine kuoren ja työosan pintojen erottamisessa. Riittämätön tai virheellinen voiteluaine ei luo suojaavaa kalvoa, mikä johtaa suoraan metallin-metallin yhteyteen. Tämä lisää jyrinää, aiheuttaa liiallista lämpöä ja aiheuttaa ensisijaisesti liiman kulumista ja ärsyttämisen. AHSS:n muodostamisessa käytettävät korkeat paineet ja lämpötilat vaativat usein korkean suorituskykyn voiteluaineita, joissa on äärimmäisen paineisia lisäaineita.

Kuitu- ja pinnoitussuunnittelu ovat myös kriittisiä. Väärä lävistys voi lisätä leikkausvoimaa ja kulumista. Esimerkiksi AHSS-ohjeet , suositeltava vapaus DP590-terästä voi olla 15 prosenttia verrattuna 10 prosenttiin perinteisestä HSLA-terästä. Työkalun huonosti valmistettu pinta luo mikroskooppisia huippuja ja laaksoja, jotka toimivat ydinkohteina jätteen tiivistämiseen ja galling. Käyttötarkoituksen mukaan on käytettävä lämpötilan vaihtelua, kun on kyse lämpötilan vaihtelusta.

Seuraava taulukko tiivistää nämä keskeiset tekijät ja niiden vaikutuksen:

Riskejä vähentävät strategiat: Muottien eliniän parantaminen

Stamping-työkalujen käyttöiän pidentäminen edellyttää kokonaisvaltaista lähestymistapaa, joka yhdistää edistyneet materiaalit, kehittyneet pintakäsittelyt ja optimoidut prosessiohjaukset. Perinteisiin menetelmiin nojaaminen ei usein riitä, kun työskennellään nykyaikaisten korkealujuisten terästen kanssa.

Ensisijainen strategia on Edistyneiden työkaluterästen valinta. Vaikka perinteiset työkaluteräkset, kuten D2, ovat olleet käytössä vuosikymmeniä, ne usein kohtaavat rajoituksensa AHSS-terästen kanssa. Jauhetekniikalla valmistetut työkaluteräkset (PM) edustavat merkittävää parannusta. Atomisoidusta metallijauheesta valmistetut PM-teräkset sisältävät huomattavasti hienojakoisemman ja tasaisemman mikrorakenteen tasaisesti jakautuneine karbideineen. Tämä johtaa parempaan sitkeyden ja kulumisvastuksen yhdistelmään verrattuna perinteisesti valmistettuihin teräksiin. Asiakastapauksessa korostettiin AHSS-tiedot osoitti, että vaihtamalla D2:sta kestävämpään muotteräkseen ohjausvarsien muottauksessa työkalun kestoikä kasvoi noin 5 000–7 000 syklistä 40 000–50 000 sykliin. Tämän tasoinen suorituskyky edellyttää usein yhteistyötä asiantuntijoiden kanssa. Esimerkiksi yritykset kuten Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. keskittyvät räätälöityjen autoteollisuuden vaappukonemallien valmistukseen, hyödyntäen edistyneitä materiaaleja ja prosesseja maksimoidakseen työkalujen kestoajan OEM-yritysten ja Tier 1 -toimittajien tarpeisiin.

Pintakäsittelyt ja peitteet tarjoavat toisen tehokkaan suojaviivan. Tavoitteena on luoda kova, alhaisen kitkaisen pinnan, joka kestää sekä abrasiivista että adhesiivista kulumista. Yleinen parhaan käytännön menetelmä on duplex-käsittely: ensin prosessi kuten ioninitridointi kovettaa työkaluteräksialustan tarjotakseen vahvan perustan, estäen sen muodonmuutoksen pinnoitteen alla. Sen jälkeen käytetään fysikaalista höyrylasituksen (PVD) pinnoitetta. PVD-pinnoitteet, kuten titaaninitridi (TiN), titaani-alumiini-nitridi (TiAlN) tai krominitridi (CrN), muodostavat erittäin kovan, liukkaan ja kulumisesta kestävän esteen. PVD:ää suositaan usein kemiallisen höyrylasituksen (CVD) sijaan, koska se on matalamman lämpötilan prosessi, eikä siinä ole vaaraa muovautumisesta tai pehmenemisestä lämpökäsitellyssä muotissa.

Lopuksi, Prosessin ja suunnittelun optimointi on ratkaisevan tärkeää. Tähän kuuluu oikeiden niihin-leikkuutyökalujen välitilojen varmistaminen, erittäin hionnanlaatuisen työkalupinnan ylläpitäminen sekä tehokkaan voitelusuunnitelman toteuttaminen. Käytännön tarkistuslista muottien huoltoon ja asennukseen tulisi sisältää:

• Tarkasta säännöllisesti kriittiset kaarevuussäteet ja reunat ensimmäisten kuluneisuus- tai materiaalikerrosten merkkejä varten.
• Seuraa kulumismalleja mahdollisten ongelmien tunnistamiseksi tasauksessa tai painelevityksessä.
• Varmista tarkka puristimen ja muottien tasaus estääksesi epätasaisen kuormituksen.
• Huolla voitelujärjestelmää taatakseen johdonmukaisen ja riittävän voitelun.
• Hio pois alustavat kiiltoilun merkit ennen kuin ne pääsevät kasvamaan ja aiheuttamaan merkittävää vahinkoa.

Yhdistämällä nämä edistyneet materiaali-, pintakäsittely- ja prosessistrategiat valmistajat voivat tehokkaasti torjua pääasialliset kulumismekanismit leikkuumuoteissa ja merkittävästi parantaa työkalujen kestoa, osien laatua ja tuotannon kokonaistehokkuutta.

Usein kysytyt kysymykset