A sablonkopás megoldása: Főbb kopási mechanizmusok a sajtoló sablonoknál

TL;DR

A kihúzó sabuk kopási mechanizmusai elsősorban a szerszám és a lemez közötti intenzív súrlódásból és nyomásból adódnak. A két alapvető típus cserszívós mozdulat , amelyet a kemény részecskék okoznak a sabfelületen végighúzódva, és tapadó kopás (ragadásos kopás) , amely anyagátvitelből és mikroforrasztásból származik a felületek között. A modern bevonatos acélok esetében domináns mechanizmus a kemény bevonat törmelékének tömörödése, amely letörik a lemezről és a szerszámon halmozódik fel, felgyorsítva a degradációt és csökkentve a sab élettartamát.

Az alapvető mechanizmusok: Abrazív vs. tapadó kopás

A bélyegzési szerszámok élettartamának és teljesítményének megértése azzal kezdődik, hogy felismerjük a két fő kopási mechanizmust, amelyek a szerszám-munkadarab határfelületén jelentkeznek: az abrasív és az adhézív kopást. Bár gyakran egyszerre lépnek fel, eltérő fizikai folyamatok okozzák őket. A szerszám- és sablonkopás közvetlenül a lemezfémben és a szerszámfelületen fellépő csúszó érintkezés során keletkező súrlódás eredménye, amely anyagveszteséghez vagy elmozduláshoz vezet.

Az abrazív kopás egy felület mechanikus sérülése, amely akkor következik be, amikor kemény részecskék nyomódnak a felülethez, és mozgás közben végighúzódnak rajta. Ezek a részecskék több forrásból is származhatnak, beleértve a lemezacél mikroszerkezetében lévő kemény fázisokat, a felületen lévő oxidokat, vagy ami a legjelentősebb, a kemény rétegekből, például az Al-Si-rétegből származó eltört darabkákat a sajtoló merevítésű acélokon. Ezek a részecskék olyan vágószerszámokként működnek, barázdákat és karcolásokat húzva a puhaabb kivágószerszám-anyagba. Az esztergács acél ellenállása az abrazív kopással szemben szorosan összefügg annak keménységével és a mikroszerkezetében lévő kemény karbidok térfogatával.

Az érintkezési kopás viszont összetettebb jelenség, amely anyagátvitelt jelent a két érintkező felület között. A nagy nyomás és hő, amely a sajtolás során keletkezik, mikroszkopikus érdességek (csúcsok) alakulhatnak ki az állvány és a lemezfelületeken, amelyek helyi mikrohegesztéseket hozhatnak létre. Amint a felületek tovább csúsznak, ezek a hegesztések eltörnek, leszakítva a kisebb darabokat a gyengébb felületről (gyakran az eszközről), és átvivve a másikra. Ez a folyamat súlyosabb formába is átcsaphat, amelyet ragadásnak -nak nevezünk, ahol az átvitt anyag az állványon halmozódik fel, ami jelentős felületi károsodáshoz, növekedett súrlódáshoz és rossz alkatrész-minőséghez vezet.

Ez a két mechanizmus gyakran összefonódik. A kezdeti tapadó kopás által létrehozott durva felület több abrazív részecskét tud befogni, felgyorsítva ezzel az abrazív kopást. Ugyanakkor az abrazív kopás által kialakított barázdák magvaként szolgálhatnak a szennyeződések felhalmozódására, így kiváltva a tapadó kopást. Az állványélettartam hatékony kezelése olyan stratégiákat igényel, amelyek mindkét alapvető meghibásodási formát kezelik.

Különbségeik tisztázása érdekében tekintsük az alábbi összehasonlítást:

A lemezbevonatok és a kopási törmelék tömörödésének kritikus szerepe

Habár a hagyományos modellek az abrazív és adhézív kopásra koncentrálnak, egy finomabb mechanizmus dominálja a modern anyagok, például az AlSi-bevonatú fejlett nagyszilárdságú acélok (AHSS) bélyegzését. Kutatások, mint például egy részletes tanulmány, amelyet a MDPI Kenőanyagok napló jelentett meg, azt mutatják, hogy a fő kopási mechanizmus gyakran a a lemez bevonatából származó laza kopási törmelék tömörödése ez átalakítja a kopásról alkotott képet: az egyszerű eszköz-acél kölcsönhatás helyett egy összetettebb tribológiai rendszer jön létre, amelyben harmadik testként maga a bevonattörmelék is szerepet játszik.

A sajtolóedzéshez használt acélokra felvitt AlSi-bevonat célja, hogy megakadályozza a hőskálázódást és a dekarbonizációt magas hőmérsékleten. Azonban a hevítés során ez a bevonat kemény és rideg intermetallikus fázisokká alakul át. A 7 és 14 GPa közötti keménységi értékekkel rendelkező intermetallikus rétegek lényegesen keményebbek, mint az edzett szerszámacél (amely tipikusan kb. 6–7 GPa). A kihajtás során ezen rideg bevonat két fő okból repedezik: intenzív csúszó súrlódás lép fel az üregfelülettel szemben, valamint a mögöttes acélalapanyag súlyos alakváltozása. Ez a repedezés finom, töredezett „por” keletkezését eredményezi, amely kemény bevonati részecskékből áll.

Ez a törmelék a szerszám-alkatrész-felületen ragad. A nyomás és a hőmérséklet magas fokán a nyomtatási ciklus során ezeket a laza részecskéket a formázó felület mikroszkópikus szabálytalanságaira, például a megmunkálási nyomokra vagy az első kopáscsíkokra nyomják. Ahogy egyre több ciklus történik, ez a törmelék felhalmozódik, és sűrű, üvegszerű rétegbe tömörül, amely mechanikusan rögzül az eszközön. Ez a folyamat különösen súlyos a nagynyomású zónákban, mint például a rajz sugárzó, ahol mind a súrlódás, mind az anyag deformációja a csúcs.

Ennek a kopásnak a morfológiája helyenként változó. Húzási rádiuszokon megjelenhet „durva anyagátvitelként”, vastag, tömör rétegeket képezve, amelyek megváltoztathatják az állvány geometriáját. Laposabb felületeken, alacsonyabb nyomás mellett „ritka anyagátvitelként” jelentkezhet, tompa szegélyeket vagy foltokat alkotva. Ez a mechanizmus azt jelenti, hogy a kopás gyakran inkább mechanikai és topológiai probléma, semmint kizárólag kémiai jellegű. Az eszköz kezdeti felületi minősége elsődleges fontosságú, mivel még a legkisebb hibák is rögzítési pontként szolgálhatnak a szennyeződések felhalmozódásának megindulásához. Ezért a felületi sérülés *kialakulásának* megelőzése kulcsfontosságú stratégia ennek az intenzív kopásformának a csökkentésében.

A sabankopást gyorsító főbb tényezők

Az állványkopás egy többtényezős probléma, amelyet mechanikai, anyag- és folyamatszintű tényezők együttesen gyorsítanak. Az AHSS típusú nagy szilárdságú anyagokra történő áttérés növelte e változók hatását, így a folyamatirányítás fontossága ma nagyobb, mint valaha. Ezeknek a tényezőknek az ismerete az első lépés hatékony mérsékelési stratégiák kialakítása felé.

Érintkezési nyomás és anyagtulajdonságok talán a legjelentősebb hajtóerők. Az AHSS lemezek alakításához lényegesen nagyobb erők szükségesek, mint lágyacélok esetében, ami arányosan növeli az állványra ható érintkezési nyomást. Emellett egyes AHSS minőségek keménysége megközelítheti az eszközacél keménységét, így majdnem egyforma keménységű párosítást eredményezve, ami fokozza az abrazív kopást. Az AHSS anyagoknál gyakran alkalmazott csökkentett lemezvastagság – a súlycsökkentés érdekében – növeli a redőzésre való hajlamot is, amit magasabb fogólapnyomással kell kompenzálni, tovább növelve ezzel a helyi nyomást és kopást.

Főleg alapvető szerepet játszik az állvány és a munkadarab felületeinek elválasztásában. A nem megfelelő vagy helytelen kenés nem hoz létre védőfóliát, ami közvetlen fém-fém érintkezést eredményez. Ez drasztikusan megnöveli a súrlódást, túlzott hőt generál, és elsődleges oka az adhéziós kopásnak és a ragadásos kopásnak. Az AHSS anyagok alakítása során fellépő magas nyomás és hőmérséklet gyakran extrém nyomásálló (EP) adalékokkal rendelkező nagyteljesítményű kenőanyagokat igényel.

Az állvány tervezése és felületminősége szintén kritikus fontosságú. A nem megfelelő üstökös-állvány hézag növeli a vágóerőket és a kopást. Például a AHSS Guidelines szerint a DP590 acélhoz ajánlott hézag 15% lehet, szemben a hagyományos HSLA acél 10%-ával. A rossz felületminőségű szerszámon mikroszkopikus csúcsok és völgyek találhatók, amelyek magvaként szolgálnak a szennyeződések tömörödéséhez és a ragadásos kopáshoz. Ajánlott gyakorlat, hogy a szerszámokat nagyon simára polírozzák (pl. Ra < 0,2 μm) a bevonás előtt és után, hogy csökkentsék ezeket a rögzítési pontokat.

Az alábbi táblázat összefoglalja ezeket a főbb tényezőket és hatásukat:

Kockázatcsökkentési stratégiák: A bélyegek élettartamának javítása

A sajtolóformák élettartamának meghosszabbítása korszerű anyagok, fejlett felületkezelések és optimalizált folyamatirányítás kombinációját igényli. A hagyományos módszerekre való kizárólagos támaszkodás gyakran nem elegendő a modern nagy szilárdságú acélok alkalmazásánál.

Egy elsődleges stratégia a Korszerű szerszámacélok kiválasztása. Habár a D2 típusú hagyományos szerszámacélok évtizedek óta megbízható munkalovak voltak, az AHSS anyagoknál gyakran elérkeznek határaikhoz. A poracél (PM) szerszámacélok jelentős fejlődést jelentenek. Ezeket atomizált fémportól előállított acélok, amelyek sokkal finomabb és egyenletesebb mikroszerkezettel rendelkeznek, az egyenletesen eloszló karbidoknak köszönhetően. Ez eredményezi a keménység és kopásállóság jobb kombinációját a hagyományosan gyártott acélokhoz képest. Egy esettanulmány kiemeli, hogy AHSS Insights azt mutatta, hogy a D2-ről egy ellenállóbb PM-eszközötvözetre váltva a karformázó szerszám élettartama körülbelül 5.000–7.000 ciklusról 40.000–50.000 ciklusra nőtt. Ezen teljesítményszint elérése gyakran szakértőkkel való együttműködést igényel. Például olyan vállalatok, mint Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. egyedi autóipari sajtoló sablonok létrehozására specializálódtak, és fejlett anyagokat valamint folyamatokat alkalmaznak az eszközélettartam maximalizálására az OEM-ek és Tier 1 szállítók számára.

Felszínkezelések és fedékek egy másik hatékony védelmi vonalat biztosítanak. A cél egy kemény, alacsony súrlódású felület létrehozása, amely ellenáll az abrasív és az adhézív kopásnak. Egy gyakori legjobb gyakorlat a duplex kezelés: először egy eljárás, például ionos nitridálás, megkeményíti az eszközacél alapanyagát, így erős alapot teremtve, ami megakadályozza, hogy az alapanyag deformálódjon a bevonat alatt. Ezután Fizikai Gőzleválasztásos (PVD) bevonatot visznek fel. Olyan PVD bevonatok, mint a Titán-nitrid (TiN), Titán-alumínium-nitrid (TiAlN) vagy Krom-nitrid (CrN) rendkívül kemény, kenőhatású és kopásálló gátat hoznak létre. A PVD-t gyakran részesítik előnyben a Kémiai Gőzleválasztással (CVD) szemben, mivel alacsonyabb hőmérsékleten történik, így elkerüli a hőkezelt bélyeg deformálódásának vagy kifeketedésének kockázatát.

Végül is, Folyamat- és tervezési optimalizálás alapvető fontosságú. Ide tartozik a megfelelő üstöly- és bélyegközök biztosítása, a magas polírozottságú szerszámfelület fenntartása, valamint egy hatékony kenési terv alkalmazása. A bélyegek karbantartásához és beállításához praktikus ellenőrzőlista tartozik:

• Rendszeresen ellenőrizni kell a kritikus sugarakat és éleket az első kopásjelek vagy anyagfelhalmozódás szempontjából.
• A kopási minták figyelése annak érdekében, hogy azonosítani lehessen az igazítással vagy nyomáseloszlással kapcsolatos lehetséges problémákat.
• Pontos sajtpressz és formaigazítás biztosítása az egyenetlen terhelés megelőzése érdekében.
• A kenőrendszer karbantartása a folyamatos és elegendő kenés biztosítása érdekében.
• Bármely kezdeti ragadásos kopás jeleinek felcsiszolása, mielőtt azok továbbnőhetnének és súlyos károkat okozhatnának.

Az előrehaladott anyag-, felület- és folyamatstratégiák integrálásával a gyártók hatékonyan képesek kezelni a sajtóformák elsődleges kopási mechanizmusait, és jelentősen javíthatják az eszközök élettartamát, az alkatrészek minőségét, valamint az összesített termelési hatékonyságot.

Gyakran Ismételt Kérdések