Oplossingen voor slijtage van matrijzen: Belangrijkste slijtagemechanismen bij ponsmatrijzen

TL;DR

Slijtmechanismen in stansmatrijzen worden voornamelijk veroorzaakt door de intense wrijving en druk tussen het gereedschap en de plaatstaal. De twee fundamentele typen zijn slijtage , veroorzaakt door harde deeltjes die de matrijsoppervlakte krassen, en adhesieve Slijtage (Galling) , veroorzaakt door materiaaloverdracht en micro-lasprocessen tussen oppervlakken. Bij moderne gecoate staalsoorten is een dominante oorzaak de samendrukking van harde coatingresten, die losbreken van de plaat en zich ophopen op het gereedschap, waardoor degradatie wordt versneld en de levensduur van de matrijs afneemt.

De Fundamentele Mechanismen: Abrasief versus Adhesief Slijtage

Het begrijpen van de levensduur en prestaties van stansmatrijzen begint met het herkennen van de twee belangrijkste slijtmechanismen die optreden op de interface tussen gereedschap en werkstuk: abrasief en adhesief slijtage. Hoewel deze vaak gelijktijdig optreden, worden ze veroorzaakt door verschillende fysische processen. Slijtage van gereedschappen en matrijzen is een direct gevolg van de wrijving die ontstaat tijdens het glijden tussen het plaatmateriaal en het oppervlak van het gereedschap, wat leidt tot materiaalverlies of -verplaatsing.

Abrusieve slijtage is de mechanische degradatie van een oppervlak veroorzaakt door harde deeltjes die ertegen worden geduwd en erlangs bewegen. Deze deeltjes kunnen afkomstig zijn uit verschillende bronnen, waaronder harde fasen binnen de microstructuur van het plaatmateriaal, oxiden op het oppervlak, of, het belangrijkst, gebroken fragmenten uit harde coatings zoals de Al-Si-laag op persveredelingsstaal. Deze deeltjes fungeren als snijgereedschappen die groeven en krassen in het zachtere matrijsmateriaal ploegen. De weerstand van een gereedschapsstaal tegen abrusieve slijtage hangt nauw samen met zijn hardheid en het volume aan harde carbiden in zijn microstructuur.

Adhesieve slijtage daarentegen is een complexer fenomeen dat materiaaloverdracht tussen de twee contactoppervlakken betreft. Onder de enorme druk en hitte die tijdens het stansen ontstaan, kunnen microscopische oneffenheden (pieken) op de matrijs- en plaatmateriaaloppervlakken gelokaliseerde micro-lasverbindingen vormen. Wanneer de oppervlakken doorgaan met glijden, breken deze lasverbindingen, waardoor kleine fragmenten van het zwakkere oppervlak (vaak de tool) worden losgerukt en overgebracht worden naar het andere oppervlak. Dit proces kan escaleren tot een ernstige vorm die bekend staat als galling , waarbij het overgebrachte materiaal zich ophoopt op de matrijs, wat leidt tot aanzienlijke oppervladeschade, verhoogde wrijving en slechte onderdelenkwaliteit.

Deze twee mechanismen zijn vaak met elkaar verweven. Het ruwe oppervlak dat ontstaat door initiële adhesieve slijtage kan meer slijtende deeltjes vasthouden, waardoor de abrasieve slijtage versneld wordt. Omgekeerd kunnen groeven van abrasieve slijtage nucleatieplaatsen vormen waarbij vuil zich ophoopt, waardoor adhesieve slijtage op gang komt. Een effectief beheer van de levensduur van matrijzen vereist strategieën die beide fundamentele faalomstandigheden aanpakken.

Om hun verschillen te verduidelijken, overweeg de volgende vergelijking:

De cruciale rol van plaatcoatings en het verdichten van slijtageafval

Terwijl traditionele modellen zich richten op abrasieve en adhesieve slijtage, is er een genuanceerd mechanisme dat overheerst bij het stansen van moderne materialen zoals AlSi-gecoatse Advanced High-Strength Steels (AHSS). Onderzoek, zoals een gedetailleerde studie gepubliceerd in MDPI's Smeerstoffen notitieboek , onthult dat het primaire slijtmechanisme vaak het is verdichting van los slijtageafval afkomstig van de coating van de plaat. Dit verandert het begrip van slijtage van een eenvoudige wisselwerking tussen gereedschap en staal naar een complexer tribologisch systeem met een derde lichaam—het coatingafval zelf.

De op persverhardende staalsoorten aangebrachte AlSi-coating is bedoeld om verhitting en ontkooling bij hoge temperaturen te voorkomen. Tijdens het verwarmingsproces verandert deze coating echter in harde en brosse intermetallische fasen. Met hardheidswaarden tussen de 7 en 14 GPa zijn deze intermetallische lagen aanzienlijk harder dan zelfs gehard gereedschapsstaal (meestal rond de 6-7 GPa). Tijdens het stansproces barst deze brosse coating onder invloed van twee hoofdoorzaken: intense glijwrijving tegen de matrijs en de sterke plastische vervorming van de onderliggende staalsubstraat. Deze barstvorming veroorzaakt een fijn, schurend ‘stof’ van harde coatingdeeltjes.

Dit afval komt vast te zitten op de interface tussen gereedschap en werkstuk. Onder de hoge druk en temperatuur van de stanscyclus worden deze losse deeltjes in elk microscopisch oneffen oppervlak van de matrijs gedrukt, zoals machinaal bewerkte sporen of initiële slijtagegroeven. Naarmate er meer cycli plaatsvinden, hoopt dit afval zich op en wordt het samengeperst tot een dichte, glazuurachtige laag die mechanisch verankerd raakt aan het gereedschap. Dit proces is met name ernstig in gebieden met hoge druk, zoals de trekstraal, waar zowel wrijving als materiaalvervorming op hun maximum zijn.

De morfologie van deze slijtage varieert per locatie. Op trekstralen kan deze zich manifesteren als 'grote materiaaloverdracht', waarbij dikke, compacte lagen ontstaan die de geometrie van de matrijs kunnen veranderen. Op vlakkere oppervlakken met minder druk kan het verschijnen als 'slechte materiaaloverdracht', waardoor dofgelekte randen of vlekken ontstaan. Dit mechanisme impliceert dat slijtage vaak meer een mechanisch en topologisch probleem is dan een puur chemisch probleem. De initiële oppervlakteafwerking van de tool is van cruciaal belang, omdat zelfs kleine oneffenheden kunnen fungeren als verankerpunten waarbij vuil begint te accumuleren. Daarom is het voorkómen van *initiatie* van oppervladeschade een belangrijke strategie om deze agressieve vorm van slijtage te beperken.

Belangrijke factoren die matrijsslijtage versnellen

Vermoeiing van matrijzen is een veelzijdig probleem dat wordt versneld door een combinatie van mechanische, materiaal- en procesgerelateerde factoren. De overgang naar hogere sterktematerialen zoals AHSS heeft het effect van deze variabelen versterkt, waardoor procescontrole belangrijker dan ooit is geworden. Het begrijpen van deze factoren is de eerste stap om doeltreffende oplossingsstrategieën te ontwikkelen.

Contactdruk en materiaaleigenschappen zijn vermoedelijk de belangrijkste drijfveren. Het vormgeven van AHSS vereist aanzienlijk hogere krachten dan zacht staal, wat proportioneel leidt tot een hogere contactdruk op de matrijs. Bovendien kan de hardheid van sommige AHSS-kwaliteiten in de buurt komen van die van het gereedschapsstaal zelf, waardoor een bijna gelijke hardheidsverhouding ontstaat die slijtage door schuring verergert. De verminderde plaatdikte die vaak wordt gebruikt bij AHSS om gewicht te besparen, verhoogt ook de neiging tot plooivorming, wat hogere blanckettingkrachten vereist om te onderdrukken, waardoor de lokale druk en slijtage verder toenemen.

Lubricatie speelt een cruciale rol bij het scheiden van de matrijs- en werkstukoppervlakken. Onvoldoende of ongeschikte smering zorgt er niet voor dat een beschermende film wordt gevormd, waardoor direct metaal-op-metaal contact ontstaat. Dit verhoogt de wrijving sterk, genereert overmatige warmte en is een belangrijke oorzaak van adhesieve slijtage en galling. De hoge drukken en temperaturen die bij de vorming van AHSS komen kijken, vereisen vaak hoogwaardige smeermiddelen met extreme-druk (EP) additieven.

Matrijzontwerp en oppervlakteafwerking zijn eveneens kritisch. Onjuiste stans-naar-matrijsafstand kan de snijkrachten en slijtage verhogen. Zo is volgens de AHSS Guidelines de aanbevolen speling voor DP590-staal bijvoorbeeld 15%, vergeleken met 10% voor traditioneel HSLA-staal. Een slechte oppervlakteafwerking van de tool levert microscopische pieken en dalen op die dienen als nucleatieplaatsen voor compactering van vuil en galling. Het polijsten van gereedschappen tot een zeer gladde afwerking (bijv. Ra < 0,2 μm) vóór en na coating is een aanbevolen praktijk om deze verankeringpunten te verminderen.

De volgende tabel vat deze belangrijke factoren en hun invloed samen:

Voorkomende maatregelen: verbetering van de levensduur van de matrijs

Het verlengen van de levensduur van stansmatrijzen vereist een holistische aanpak die geavanceerde materialen, geavanceerde oppervlaktebehandelingen en geoptimaliseerde procescontroles combineert. Alleen vertrouwen op traditionele methoden is vaak onvoldoende bij het werken met moderne hoogwaardige staalsoorten.

Een primaire strategie is de selectie van Geavanceerde gereedschapsstaalsoorten . Hoewel conventionele gereedschapsstaalsoorten zoals D2 al tientallen jaren als werkpaarden fungeren, komen ze vaak aan hun grenzen bij AHSS. Poedermetaal (PM) gereedschapsstaalsoorten vormen een aanzienlijke verbetering. Geproduceerd uit geatomiseerd metaalpoeder, hebben PM-staalsoorten een veel fijnere en homogeenere microstructuur met gelijkmatig verdeelde carbiden. Dit resulteert in een superieure combinatie van taaiheid en slijtvastheid in vergelijking met conventioneel geproduceerde staalsoorten. Een door {TARGET_LANG} benadrukte casestudy toonde aan dat AHSS Inzichten bleek dat het overstappen van D2 naar een hardere PM-gereedschapsstaalsoort voor het vormgeven van een dwarsdrasmaat de levensduur van de mal verhoogde van ongeveer 5.000–7.000 cycli naar 40.000–50.000 cycli. Het behalen van dit prestatieniveau vereist vaak samenwerking met specialisten. Bedrijven zoals Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. richten zich bijvoorbeeld op het ontwikkelen van op maat gemaakte autostempelmatrijzen, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde materialen en processen om de levensduur van matrijzen te maximaliseren voor OEM's en leveranciers van niveau 1.

Oppervlaktebehandelingen en coatings vormen een extra krachtige verdedigingslijn. Het doel is een harde, weinig slijtende oppervlakte te creëren die bestand is tegen zowel abrasieve als adhesieve slijtage. Een veelgebruikte beste praktijk is een duplexbehandeling: eerst wordt een proces zoals ionennitriding toegepast om het gereedschapsstaal-substraat te harden en zo een sterke basis te bieden, waardoor vervorming onder de coating wordt voorkomen. Vervolgens wordt een PVD-coating (Physical Vapor Deposition) aangebracht. PVD-coatings zoals titaniumnitride (TiN), titaniumaluminiumnitride (TiAlN) of chroomnitride (CrN) vormen een uiterst harde, glijdende en slijtvaste barrière. PVD wordt vaak verkozen boven CVD (Chemical Vapor Deposition), omdat het een lager-temperatuurproces is dat het risico op vervorming of verzwakking van het warmtebehandelde matrijsstaal vermijdt.

Tot slot, Proces- en ontwerpoptimalisatie is cruciaal. Dit omvat het waarborgen van de juiste speling tussen stans en matrijs, het behoud van een hoogglans gepolijst gereedschapsoppervlak en het implementeren van een degelijk smeervermogenplan. Een praktische checklist voor matrijsonderhoud en -instelling zou moeten bevatten:

• Regelmatig controleren van kritieke stralen en randen op eerste tekenen van slijtage of materiaalafzetting.
• Het monitoren van slijtagepatronen om mogelijke problemen met uitlijning of drukverdeling te identificeren.
• Zorgen voor een nauwkeurige uitlijning van pers en matrijs om oneven belasting te voorkomen.
• Het onderhoud van het smeringsysteem om een constante en voldoende aanbrenging te garanderen.
• Eventuele eerste tekenen van galling polijsten voordat deze kunnen toenemen en ernstige schade veroorzaken.

Door deze geavanceerde materialen-, oppervlakte- en processtrategieën te integreren, kunnen fabrikanten de primaire slijtageverschijnselen bij stansmatrijzen effectief bestrijden en zo de levensduur van gereedschappen, de kwaliteit van onderdelen en de algehele productie-efficiëntie aanzienlijk verbeteren.

Veelgestelde Vragen