Apmierinošs risinājums formas nodilumam: galvenie nodiluma mehānismi stampēšanas formās

TL;DR

Nodiluma mehānismi spiedformās galvenokārt ir saistīti ar intensīvu berzi un spiedienu starp rīku un plāksni. Divi pamata tipi ir abrazīvs nodilums , ko izraisa cieti daļiņi, kas saskrāpē diezīļa virsmu, un līmējošā nolietošanās (Galling) , kas rodas materiāla pārnešanas un mikrosavienojumu veidošanās rezultātā starp virsmām. Mūsdienu pārklātajiem tēraudiem dominējošais mehānisms ir cieto pārklājumu atkritumu saspiešana, kas nolaužas no loksnes un uzkrājas uz rīka, paātrinot degradāciju un samazinot diezīļa kalpošanas laiku.

Pamata mehānismi: abrazīvs pret adezīvu nodilumu

Izprast dobšanas matricu ilgmūžību un veiktspēju sākas ar divu galveno nolietojuma mehānismu atpazīšanu, kas notiek starp rīku un заготовку: abrazīvs un adhezīvs nolietojums. Kaut arī tie bieži notiek vienlaikus, tie ir saistīti ar atšķirīgiem fizikāliem procesiem. Rīku un matricu nolietojums ir tiešs berzes rezultāts, kas rodas, kad loksnes metāls slīd gar rīka virsmu, izraisot materiāla zudumu vai pārvietošanos.

Abrāzivais nodilums ir mehāniska virsmas degradācija, ko izraisa cietas daļiņas, kas tiek piespiestas pie tās un pārvietojas pa to. Šīs daļiņas var būt dažādas izcelsmes, tostarp cietas fāzes lokšņu metāla mikrostruktūrā, oksīdi virsmā vai, visnozīmīgāk, sadragāti fragmenti no cietajiem pārklājumiem, piemēram, Al-Si slāni uz presējamām sakausējuma tērauda plāksnēm. Šīs daļiņas darbojas kā griešanas rīki, vagot un saskrāpējot mīkstāko veidņu materiālu. Instrumentu tērauda pretestība abrāzivajam nodilumam cieši saistīta ar tā cietību un cieto karbīdu tilpumu tā mikrostruktūrā.

Līmējošā nodiluma gadījumā, gluži pretēji, ir sarežģītāka parādība, kas ietver materiāla pārnešanu starp divām saskarē esošām virsmām. Stampošanas laikā rodas milzīgs spiediens un karstums, mikroskopiskas diega un loksnes virsmas asumiņas (virpotnes) var veidot lokalizētus mikrosavienojumus. Turpinoties virsmu slīdēšanai, šie savienojumi saplīst, noraujot mazus fragmentus no vājākas virsmas (bieži vien rīka) un pārnesot tos uz otru virsmu. Šis process var pastiprināties līdz smagai formai, ko pazīst kā materiāla pielipšanas , kur pārnests materiāls uzkrājas matricē, izraisot būtiskus virsmas bojājumus, palielinātu berzi un zemu detaļu kvalitāti.

Šie divi mehānismi bieži ir saistīti. Sākotnējās līmējošās nolietošanās radītā raupja virsma var aizķert vairāk abrazīvo daļiņu, paātrinot abrazīvo nolietošanos. Savukārt rievas no abrazīvās nolietošanās var radīt nukleācijas vietas, kur uzkrājas netīrumi, kas izraisa līmējošo nolietošanos. Efektīva matricas kalpošanas laika pārvaldība prasa stratēģijas, kas risina abus šos pamata izgāšanās veidus.

Lai precizētu to atšķirības, apsveriet šādu salīdzinājumu:

Loksnes pārklājumu un nodiluma daļiņu saspiešanas kritiskā loma

Kaut tradicionālie modeļi koncentrējas uz abrazīvu un adhezīvu nodilumu, modernu materiālu, piemēram, AlSi-pārklātu Augststipruma tēraudu (AHSS), stampēšanā dominē sarežģītāks mehānisms. Pētījumi, tostarp detalizēts pētījums, kas publicēts žurnālā MDPI Eļļām žurnāls , atklāj, ka galvenais nodiluma mehānisms bieži ir brīvo nodiluma daļiņu saspiešana no loksnes pārklājuma. Tas maina nodiluma izpratni no vienkāršas mijiedarbības starp rīku un tēraudu uz sarežģītāku triboloģisko sistēmu, kurā iesaistīts trešais ķermenis — pats pārklājuma nodiluma materiāls.

AlSi pārklājums, ko piestiprina pretspiediena tērauda sakausējumiem, ir izstrādāts, lai novērstu šķiedrošanos un oglekļa zudumu augstās temperatūrās. Tomēr sildīšanas procesā šis pārklājums pārvēršas par cietām un trauslām starpmetāliskām fāzēm. Ar cietības vērtībām no 7 līdz 14 GPa šie starpmetāliskie slāņi ir ievērojami cietāki pat salīdzinājumā ar kalta tērauda instrumentu tēraudu (parasti apmēram 6–7 GPa). Stamping procesā šis trauslais pārklājums plaisā divu galveno iemeslu dēļ: intensīva slīdošā berze pret veidni un pamatnes tērauda substrāta smagā plastiska deformācija. Šī plaisošana rada smalku, abrazīvu "pilnu" no cietajiem pārklājuma daļiņām.

Šis netīrumi tiek aizķerti starp rīku un заготовку. Zīmoga cikla augstā spiediena un temperatūras ietekmē šie brīvie daļiņas tiek iespiesti jebkādās mikroskopiskās nelīdzenībās uz veidņu virsmas, piemēram, apstrādes pēdās vai sākotnējās berzes rievās. Arvien vairāk ciklu notiekot, šie netīrumi uzkrājas un saspiežas blīvā, glazūrai līdzīgā kārtā, kas mehāniski nostiprinās pie rīka. Šis process ir īpaši smags augsta spiediena zonās, piemēram, velkšanas rādiusā, kur gan berze, gan materiāla deformācija sasniedz maksimumu.

Šīs nolietojuma morfoloģija atšķiras atkarībā no atrašanās vietas. Ievilcēs rādiusos tas var parādīties kā "liels materiāla pārnese", veidojot biezas, kompaktas kārtas, kas var mainīt matriču ģeometriju. Plakanos virsmās ar mazāku spiedienu tas var izpausties kā "retā materiāla pārnese", radot matētas malas vai plankumus. Šis mehānisms norāda, ka nolietojums bieži ir vairāk mehāniska un topoloģiska problēma, nevis tikai ķīmiska. Svarīgākais ir instrumenta sākotnējais virsmas apdarē, jo pat nelielas nepilnības var kļūt par piemaisījumu uzkrāšanās piesaistes punktiem. Tāpēc virsmas bojājumu *veidošanās novēršana* ir galvenā stratēģija, lai mazinātu šo agresīvo nolietojuma formu.

Galvenie faktori, kas paātrina matriču nolietojumu

Mirstošās detaļas nodilums ir daudzveidīga problēma, kuru pastiprina mehānisku, materiālu un procesa saistītu faktoru kombinācija. Pāreja uz augstākas izturības materiāliem, piemēram, AHSS, ir pastiprinājusi šo mainīgo lielumu ietekmi, padarot procesa kontroli svarīgāku nekā jebkad agrāk. Šo faktoru izpratne ir pirmais solis efektīvu mazināšanas stratēģiju izstrādē.

Kontakta spiediens un materiāla īpašības ir iespējams būtiskākie faktori. AHSS formēšanai nepieciešamas ievērojami augstākas spēka vērtības salīdzinājumā ar maigo tēraudu, kas proporcionāli palielina spiedienu uz veidni. Turklāt dažu AHSS pakāpju cietība var tuvoties pašas rīka tērauda cietībai, radot gandrīz vienādu cietības sakritību, kas pastiprina abrazīvo nodilumu. Bieži vien AHSS lietojumos tiek izmantota samazināta loksnes biezums, lai ietaupītu svaru, kas arī palielina tendenci veidot rievas, kuru novēršanai nepieciešami augstāki matricas spēki, tādējādi vēl vairāk palielinot vietējo spiedienu un nodilumu.

Lubrication veic būtisku lomu, atdalot matrici un заготовку virsmas. Nepietiekama vai nepareiza eļļošana nespēj izveidot aizsargkārtu, kas izraisa tiešu metāla saskari ar metālu. Tas ievērojami palielina berzi, rada pārmērīgu siltumu un ir galvenais līmējošā nodiluma un zvīņošanās cēlonis. AHSS apstrādē iesaistītie augstie spiedieni un temperatūras bieži prasa augstas veiktspējas eļļas ar ekstrēma spiediena (EP) piedevām.

Matricu dizains un virsmas apstrāde ir arī būtiski svarīgi. Nepareiza punches-matrica sprauga var palielināt griešanas spēkus un nodilumu. Piemēram, saskaņā ar AHSS Norādījumiem , ieteicamā sprauga DP590 tēraudam var būt 15%, salīdzinot ar 10% tradicionālam HSLA tēraudam. Slikti apstrādāta rīka virsma nodrošina mikroskopiskus kalnus un ielejas, kas darbojas kā detaļu saspiešanās un zvīņošanās iniciatori. Ieteicams rīkus pulēt līdz ļoti gludai virsmai (piemēram, Ra < 0,2 μm) pirms un pēc pārklājuma uzklāšanas, lai samazinātu šos enkurošanās punktus.

Šī tabula kopsavilkumā parāda šos galvenos faktorus un to ietekmi:

Risinājumu stratēģijas: veidņu kalpošanas laika pagarināšana

Izstrādājumu kalšanas veidņu kalpošanas laika pagarināšana prasa visaptverošu pieeju, kas apvieno jaunlaiku materiālus, sarežģītas virsmas apstrādes metodes un optimizētu procesa kontroli. Tikai balstīties uz tradicionālām metodēm bieži vien ir nepietiekami, strādājot ar mūsdienu augstas izturības tēraudiem.

Pirmā stratēģija ir Jaunlaiku instrumentu tēraudu izvēle. Lai gan parastie instrumentu tēraudi, piemēram, D2, jau desmitgades ir bijuši uzticami darbinieki, tie bieži sasniedz savas robežas, strādājot ar AHSS. Pulvermetallurģijas (PM) instrumentu tēraudi ir ievērojams uzlabojums. No atomizēta metāla pulvera ražoti PM tēraudi ir daudz smalkāka un vienveidīgāka mikrostruktūra ar vienmērīgi sadalītiem karbīdiem. Tas nodrošina labāku izturības un nodilumizturības kombināciju salīdzinājumā ar konvencionāli ražotiem tēraudiem. Viens no gadījumu pētījumiem, ko uzsvēra AHSS ievērojumi parādīja, ka pāreja no D2 uz izturīgāku PM instrumentu tēraudu kontroles sviras formēšanai palielināja rīka kalpošanas laiku no aptuveni 5 000–7 000 cikliem līdz 40 000–50 000 cikliem. Šādu veiktspēju bieži vien ir iespējams sasniegt tikai sadarbojoties ar speciālistiem. Piemēram, uzņēmumi kā Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. specializējas pasūtījuma automašīnu štancēšanas matricu izstrādē, izmantojot jaunākās materiālu un procesu tehnoloģijas, lai maksimāli pagarinātu rīku kalpošanas laiku OEM ražotājiem un pirmā līmeņa piegādātājiem.

Virsmas apstrādes un pārklājumi nodrošina vēl vienu aizsardzības līniju. Mērķis ir izveidot cietu, zemu berzi radošu virsmu, kas pretojas gan abrazīvajam, gan adhezīvajam nolietojumam. Parasta labākā prakse ir dubultapstrāde: vispirms process, piemēram, jonu nitrēšana, sakausē tērauda pamatni, nodrošinot stipru bāzi, kas novērš deformāciju zem pārklājuma. Pēc tam tiek uzklāts fizikālās tvaika nogulsnēšanas (PVD) pārklājums. PVD pārklājumi, piemēram, titāna nitrīds (TiN), titāna alumīnija nitrīds (TiAlN) vai hroma nitrīds (CrN), veido ārkārtīgi ciets, eļļojošs un nolietojumizturīgs barjeras slānis. Bieži PVD tiek preferēts salīdzinājumā ar ķīmiskās tvaika nogulsnēšanas (CVD) procesu, jo tas ir zemākas temperatūras process, izvairoties no riska izkropļot vai samazināt termiski apstrādātās matricas cietību.

Visbeidzot, Procesa un dizaina optimizācija ir svarīga. Tas ietver pareizu puņķu un matricu atstarpi, augsti pulētas rīka virsmas uzturēšanu un efektīvas smērēšanas plāna ieviešanu. Praktiska pārbaudes saraksta par matricu apkopi un iestatīšanu vajadzētu iekļaut:

• Regulāri pārbaudiet kritiskos rādiusus un malas, meklējot pirmos nolietojuma vai materiāla uzkrāšanās pazīmes.
• Uzraugiet nolietošanās rakstus, lai identificētu potenciālas problēmas ar izlīdzināšanu vai spiediena sadalījumu.
• Nodrošiniet precīzu preses un matricas izlīdzināšanu, lai novērstu nevienmēru slodzi.
• Uzturiet eļļošanas sistēmu, lai garantētu pastāvīgu un pietiekamu eļļas uznesumu.
• Polējiet jebkādas sākotnējas zarošanās pazīmes, pirms tās pasliktinās un izraisa būtiskus bojājumus.

Iekļaujot šīs uzlabotās materiālu, virsmas un procesu stratēģijas, ražotāji efektīvi var cīnīties ar galvenajiem nodiluma mehānismiem spiedformēs un ievērojami uzlabot rīku kalpošanas ilgumu, izstrādājumu kvalitāti un kopējo ražošanas efektivitāti.

Bieži uzdotie jautājumi