STRESZCZENIE

Galling form w procesie tłoczenia to destrukcyjna forma zużycia adhezyjnego, często nazywana „spawaniem zimnym”, przy której narzędzie i przedmiot pracy łączą się na poziomie mikroskopowym z powodu nadmiernej tarcia i ciepła. Zapobieganie temu zjawisku wymaga wielowarstwowego podejścia inżynieryjnego, a nie pojedynczego szybkiego rozwiązania. Trzy główne linie obrony to: optymalizacja projektowania form poprzez zwiększenie luzu między tłokiem a formą w strefach grubienia (takich jak narożniki wykroju), dobór różnorodnych materiałów narzędziowych (np. brązu aluminiowego), aby przerwać powinowactwo chemiczne, oraz nakładanie zaawansowanych powłok takich jak TiCN lub DLC, ale wyłącznie po idealnym wypolerowaniu powierzchni. Dostosowania operacyjne, takie jak stosowanie smarów wysokociśnieniowych (EP) i zmniejszanie prędkości prasy, stanowią ostateczne środki zaradcze.

Fizyka gallingu: dlaczego występuje spawanie zimne

Aby zapobiec zaciekom, należy najpierw zrozumieć, że są one zasadniczo różne od zużycia ściernego. Podczas gdy zużycie ścierne przypomina szlifowanie drewna grubym papierem ściernym, zaciekanie to zjawisko polegające na zużycie adhezyjne dochodzi do niego, gdy ochronne warstwy tlenkowe na powierzchniach metalowych ulegają zniszczeniu pod wpływem ogromnego ciśnienia prasy tłoczącej. W takim przypadku chemicznie aktywny „świeży” metal półfabrykatu wchodzi w bezpośredni kontakt ze stalą narzędziową.

Na poziomie mikroskopowym powierzchnie nigdy nie są idealnie gładkie; składają się z wierzchołków i dolin znanych jako nierówności. Przy wysokim nacisku te nierówności zakleszczają się i generują intensywne, lokalne nagrzanie. Jeśli oba metale wykazują powinowactwo chemiczne — na przykład stal nierdzewna i stal narzędziowa D2, które obie zawierają dużą ilość chromu — mogą wiązać się atomowo. Proces ten jest znany jako przenikanie powierzchniowe lub spawanie na zimno . W miarę dalszego ruchu narzędzia te spawy ulegają ścinaniu, odrywając kawałki materiału z miększej powierzchni i osadzając je na twardszym narzędziu. Osadzone materiały, lub "przytwory", działają następnie jak pługi, powodując katastrofalne zadrapania na kolejnych elementach.

Pierwsza linia obrony: Projekt i geometria matrycy

Najczęstszym błędem przekonaniem w branży jest to, że powłoki mogą rozwiązać każdy problem związany z zużyciem. Ekspertów ostrzegają jednak, że jeśli przyczyną jest uwarunkowanie mechaniczne, nałożenie powłoki jedynie „pokrywa problem”. Głównym mechanizmem odpowiedzialnym za zużycie jest często niewystarczające luź między wykrojnikiem a matrycą , szczególnie w przypadku głęboko tłoczonych elementów.

W procesie tłoczenia głębokiego blacha podlega ściskaniu w płaszczyźnie, gdy wpływa do wnęki matrycy, co powoduje naturalne zgrubienie materiału. Jeśli projekt matrycy nie uwzględnia tego zgrubienia – szczególnie w pionowych ściankach naroży tłoczonych – luz znika. Matryca skutecznie "przyciska" materiał, tworząc ogromne szczyty tarcia, których żadna ilość środka smarnego nie jest w stanie pokonać. Zgodnie z MetalForming Magazine , kluczową czynnością zapobiegawczą jest wytworzenie dodatkowego luzu (często 10–20% grubości materiału) w tych strefach zgrubienia.

W przypadku złożonych serii produkcyjnych, takich jak ramiona sterujące lub podwozia samochodowe, przewidywanie stref zgrubienia wymaga zaawansowanej inżynierii. Właśnie tutaj współpracę ze specjalistycznymi producentami można uznać za strategiczną przewagę. Firmy takie jak Shaoyi Metal Technology wykorzystuje zaawansowaną analizę CAE oraz protokoły certyfikowane zgodnie z IATF 16949, aby uwzględnić te luzu montażowe już na etapie projektowania matryc, zapewniając brak zadziorów podczas seryjnego tłoczenia elementów samochodowych od pierwszego uderzenia.

Innym czynnikiem geometrycznym jest kierunek polerowania toczniarze i konstruktorzy matryc powinni polerować sekcje matryc równoległe zgodnie z kierunkiem ruchu wykrawania lub tłoczenia. Polerowanie poprzeczne pozostawia mikroskopijne bruzdy, które działają jak noże szlifierskie na materiał roboczy, przyspieszając rozbicie warstwy filmu smarnego.

Nauka o materiałach: strategia "różnych metali"

Podczas tłoczenia stali nierdzewnej lub stopów o wysokiej wytrzymałości wybór stali narzędziowej ma kluczowe znaczenie. Powszechnym rodzajem uszkodzenia jest stosowanie stali narzędziowej D2 do tłoczenia stali nierdzewnej. Ponieważ stal D2 zawiera około 12% chromu, a stal nierdzewna również korzysta z chromu w celu odporności na korozję, oba materiały charakteryzują się dużą "kompatybilnością metalograficzną". Mają tendencję do przylegania do siebie.

Rozwiązaniem jest użycie metale różnorodne aby przerwać to powinowactwo chemiczne. W przypadku ciężkich zastosowań narażonych na zaciskanie, materiały brązowe inżynieryjne, w szczególności Brąz aluminium , są często lepsze niż konwencjonalne stali narzędziowe. Chociaż brąz aluminiowy jest miększy niż stal, charakteryzuje się doskonałą smarnością i przewodnością cieplną oraz – co najważniejsze – nie ulega zimnemu spawaniu z podłożami żelazowymi. Zastosowanie wkładów lub bużek z brązu aluminiowego w obszarach o wysokim tarcie może wyeliminować zużycie adhezyjne tam, gdzie twarde materiały zawodzą.

Jeśli wymagana jest odporność stali narzędziowej, rozważ zastosowanie gatunków proszkowych (PM), takich jak CPM 3V lub M4. Oferują one drobniejszy rozkład karbidów niż konwencjonalna stal D2, zapewniając gładniejszą powierzchnię, mniej skłonną do inicjowania cyklu zużycia adhezyjnego.

Zaawansowane obróbki powierzchniowe i powłoki

Gdy mechanika i materiały zostaną zoptymalizowane, powłoki powierzchniowe stanowią ostatnią barierę. Powłoki osadzane metodą osadzania par fizycznego (PVD) są standardem w nowoczesnym tłoczeniu, jednak kluczowe jest dobranie odpowiedniego składu chemicznego.

• TiCN (węglik azotku tytanu): Doskonały powłoka uniwersalna, która oferuje wyższą twardość i mniejsze tarcie niż standardowa powłoka TiN. Jest powszechnie stosowana przy kształtowaniu stali wysokowytrzymałych.
• DLC (węgiel podobny do diamentu): Powłoka DLC cechuje się bardzo niskim współczynnikiem tarcia i jest premium wyborem dla aluminium oraz trudnych zastosowań w kolorowych metalach nieżelaznych. Naśladuje właściwości grafitu, umożliwiając przedmiotowi obrabianemu ślizganie się przy minimalnym oporze.
• Nitryzacja: Azotowanie to proces dyfuzyjny, a nie powłoka; hartuje samą powierzchnię stali narzędziowej. Często stosowane jako podstawowa obróbka przed nałożeniem powłok PVD w celu zapobiegania efektowi "skorupki jajka", gdy twarda powłoka pęka z powodu miękkiego obszaru w podłożu.

Ostrzeżenie krytyczne: Powłoka jest tylko tak dobra, jak przygotowanie podłoża. Powierzchnia narzędzia musi być wypolerowana do lustrzanego wykończenia przedtem powłoka. Wszelkie istniejące rysy lub nierówności zostaną po prostu odtworzone przez powłokę, tworząc twarde, ostre szczyty, które agresywnie będą atakować przedmiot obrabiany.

Kontradystrybucje operacyjne: Smarowanie i konserwacja

Na hali produkcyjnej operatorzy mogą ograniczyć ryzyko zaciskania poprzez rygorystyczne sterowanie procesem. Pierwszą zmienną jest smarowanie . W celu zapobiegania zaciskaniu proste oleje często są niewystarczające. Proces wymaga środków smarnych z dodatkami o ekstremalnym ciśnieniu (EP) (takimi jak siarka lub chlor) lub barier stałych (takich jak grafit lub disiarczek molibdenu). Te dodatki tworzą „warstwę tribochemiczną”, która oddziela metale nawet wtedy, gdy olej ciekły zostaje wyciśnięty przez siłę tłoczenia.

Zarządzanie ciepłem jest drugim czynnikiem operacyjnym. Zaciskanie ma charakter termiczny; wyższe temperatury miękną materiał obrabiany i sprzyjają łączeniu się powierzchni. Jeśli wystąpią objawy zaciskania, spróbuj zmniejszyć prędkość prasy (uderzenia na minutę). To obniża temperaturę procesu i daje smarowi więcej czasu na regenerację między uderzeniami. Rolleri zaleca również stosowanie sekwencji cięcia typu „mostek” podczas operacji tłoczenia, która przemiennie wykonuje uderzenia, aby zapobiec lokalnemu nagrzewaniu i gromadzeniu się materiału.

Wreszcie konserwacja powinna być proaktywna. Nie czekaj, aż pojawi się zacisk. Wprowadź harmonogram przycinania i czyszczenia zaokrągleń matryc, usuwając mikroskopijne nagromadzenia, zanim przekształcą się w szkodliwe nacieki. Ostre narzędzia zmniejszają siłę potrzebną do formowania elementu, co z kolei redukuje tarcie i ciepło, które prowadzą do powstawania zacisków.

Wbudowywanie niezawodności inżynierskiej w proces

Zapobieganie zaciskaniu matryc nie jest kwestią szczęścia; to dziedzina fizyki i inżynierii. Szanując prawa dotyczące tarcia — zapewniając wystarczającą luz dla przepływu materiału, dobierając chemicznie niekompatybilne materiały oraz utrzymując warstwę barierową smaru — producenci mogą niemal całkowicie wyeliminować zimne spawanie. Koszt wstępnego analizowania projektu i użycia wysokiej jakości materiałów jest nikły w porównaniu z przestojem spowodowanym zablokowaną matrycą lub wskaźnikiem odpadów uszkodzonych części. Lecz przyczynę, a nie objawy, a niezawodność produkcji przyjdzie sama собой.

Często zadawane pytania

1. Jak zmniejszyć zaciskanie w matrycach tłoczarskich?

Aby zmniejszyć zjawisko zacierania, należy skupić się na trzech obszarach: mechanice, materiałach i smarowaniu. Po pierwsze, należy zapewnić wystarczającą luz pomiędzy wykrojnikiem a matrycą (dodatkowo 10–20% w strefach grubienia). Po drugie, należy używać różnych metali, takich jak brąz aluminiowy lub powlekane stali spiekane, aby zapobiec zimnemu spawaniu. Po trzecie, należy stosować smary o dużej lepkości z dodatkami ekstremalnego ciśnienia (EP), aby utrzymać warstwę barierową pod obciążeniem.

2. Czy środek przeciwzaczepny zapobiega zaciskaniu?

Tak, środki antyzaciskowe mogą zapobiegać zacieraniu poprzez wprowadzenie stałych środków smarnych (takich jak miedź, grafit lub molibden) pomiędzy powierzchnie. Te substancje stałe tworzą barierę fizyczną, która oddziela współpracujące metale, nawet wtedy, gdy wysokie ciśnienie wyciska ciekłe oleje. Jednak środek antyzaciskowy to lokalne rozwiązanie operacyjne i nie usuwa ono podstawowych wad konstrukcyjnych, takich jak zbyt mały luz.

3. Jaka jest główna przyczyna zacierania?

Główną przyczyną zacierania jest zużycie adhezyjne napędzane tarcie i ciepło. Gdy wysokie ciśnienie niszczy ochronną warstwę tlenkową na powierzchniach metalowych, odsłonięte atomy mogą się łączyć lub "spawać" ze sobą. Zjawisko to występuje najczęściej, gdy narzędzie i przedmiot mają podobny skład chemiczny (np. tłoczenie stali nierdzewnej nieopatrzonym narzędziem stalowym), co prowadzi do wysokiej afinitetu metalurgicznego.