Краткое содержание

Изнашивание матриц при штамповке — это разрушительная форма адгезионного износа, часто называемая «холодной сваркой», при которой инструмент и заготовка соединяются на микроскопическом уровне из-за чрезмерного трения и нагрева. Для предотвращения этого требуется многоуровневый инженерный подход, а не одно быстрое решение. Три основных линии обороны: оптимизация конструкции матрицы путем увеличения зазора между пуансоном и матрицей в зонах утолщения (например, в углах вытяжки), выбор неоднородных материалов для инструмента (например, алюминиевая бронза), чтобы устранить химическое сродство, и нанесение передовых покрытий таких как TiCN или DLC, только после того, как поверхность будет идеально отполирована. Эксплуатационные корректировки, такие как использование смазок под экстремальным давлением (EP) и снижение скорости пресса, служат окончательными контрмерами.

Физика заедания: почему происходит холодная сварка

Чтобы предотвратить заедание матрицы, сначала необходимо понять, что оно принципиально отличается от абразивного износа. Если абразивный износ похож на шлифовку дерева наждачной бумагой, то заедание — это явление адгезионный износ оно возникает, когда защитные оксидные слои на металлических поверхностях разрушаются под огромным давлением штамповального пресса. В этом случае химически активный «свежий» металл заготовки вступает в прямой контакт с инструментальной сталью.

На микроскопическом уровне поверхности никогда не бывают абсолютно гладкими; они состоят из выступов и впадин, известных как асперити. При высоком усилии эти выступы сцепляются друг с другом и создают интенсивный локальный нагрев. Если два металла обладают химическим сродством — например, нержавеющая сталь и инструментальная сталь D2, которые обе содержат большое количество хрома — они могут образовать атомные связи. Этот процесс известен как миграция поверхность-поверхность или холодная сварка . По мере продолжения движения инструмента эти сваренные соединения сдвигаются, вырывая куски материала с более мягкой поверхности и осаждая их на более твёрдом инструменте. Эти отложения, или «задиры», затем действуют как плуги, вызывая катастрофическое бороздование последующих деталей.

Первая линия обороны: конструкция и геометрия штампа

Наиболее распространённым заблуждением в отрасли является то, что покрытия могут устранить любую проблему износа. Однако эксперты отрасли предупреждают, что если первопричина носит механический характер, нанесение покрытия лишь «покрывает проблему». Основной механической причиной зачастую является недостаточная зазор между пуансоном и матрицей , особенно в глубоко вытяжных деталях.

При глубокой вытяжке листовой металл подвергается сжатию в плоскости, поскольку материал движется в полость матрицы, что приводит к естественному утолщению. Если конструкция матрицы не учитывает это утолщение — особенно в вертикальных стенках углов вытяжки — зазор исчезает. Матрица фактически «зажимает» материал, вызывая резкий рост трения, который невозможно компенсировать никаким количеством смазки. Согласно MetalForming Magazine , важной профилактической мерой является создание дополнительного зазора (часто 10–20% от толщины материала) в зонах утолщения.

Для сложных производственных серий, таких как рычаги управления или каркасы автомобилей, прогнозирование зон утолщения требует высокой инженерной подготовки. Именно здесь сотрудничество со специализированными производителями становится стратегическим преимуществом. Такие компании, как Shaoyi Metal Technology используйте передовой анализ CAE и протоколы, сертифицированные по IATF 16949, чтобы внедрить эти допуски в зазоры на этапе проектирования штампов, обеспечивая отсутствие заеданий при высокоскоростной автомобильной штамповке с первого хода.

Другой геометрический фактор — это направление полировки участки штампов должны полироваться параллельный в направлении движения вырубки или вытяжки. Поперечная полировка оставляет микроскопические борозды, которые действуют как абразивные надфили по отношению к заготовке, ускоряя разрушение смазочной пленки.

Материаловедение: стратегия "разнородных металлов"

При штамповке нержавеющей стали или высокопрочных сплавов выбор инструментальной стали имеет решающее значение. Распространённый тип отказа связан с использованием инструментальной стали D2 для штамповки нержавеющей стали. Поскольку сталь D2 содержит около 12% хрома, а нержавеющая сталь также использует хром для коррозионной стойкости, эти два материала обладают высокой "металловедческой совместимостью". Они склонны прилипать друг к другу.

Решение состоит в использовании разнородные металлы для разрушения этого химического сродства. В случае тяжелых условий задиров, материалы инженерной бронзы, в частности Алюминиевая бронза , зачастую превосходят традиционные инструментальные стали. Несмотря на то, что алюминиевая бронза мягче стали, она обладает отличной смазываемостью и теплопроводностью и, что особенно важно, не склонна к холодной сварке с железосодержащими основами. Использование вставок или втулок из алюминиевой бронзы в зонах с высоким трением может полностью устранить адгезионный износ там, где более твердые материалы терпят неудачу.

Если для обеспечения прочности требуется инструментальная сталь, рассмотрите марки порошковой металлургии (PM), такие как CPM 3V или M4. Они обеспечивают более мелкое распределение карбидов по сравнению с обычной сталью D2, что дает более гладкую поверхность, менее склонную к возникновению цикла адгезионного износа.

Передовые методы поверхностной обработки и покрытия

После оптимизации механических характеристик и материалов поверхностные покрытия создают окончательный барьер. Покрытия методом физического парового осаждения (PVD) являются стандартными для современной штамповки, но выбор правильного состава имеет решающее значение.

• TiCN (нитрида карбида титана): Отличное покрытие общего назначения, обладающее повышенной твёрдостью и меньшим коэффициентом трения по сравнению со стандартным TiN. Широко используется при обработке высокопрочных сталей.
• DLC (алмазоподобный углерод): DLC известно своим чрезвычайно низким коэффициентом трения и является премиальным выбором для алюминия и сложных цветных сплавов. Оно имитирует свойства графита, позволяя заготовке скользить с минимальным сопротивлением.
• Нитроцементация: Нитрирование — это процесс диффузии, а не нанесения покрытия: оно упрочняет поверхность самого инструментального сплава. Часто применяется в качестве базовой обработки перед нанесением PVD-покрытий, чтобы предотвратить «эффект яичной скорлупы», при котором твёрдое покрытие трескается из-за мягкого участка основы.

Критическое предупреждение: Качество покрытия определяется качеством подготовки основы. Поверхность инструмента должна быть отполирована до зеркального состояния до этого перед нанесением покрытия. Любые имеющиеся царапины или неровности будут просто воспроизведены покрытием, создавая твёрдые, острые выступы, которые агрессивно воздействуют на заготовку.

Эксплуатационные меры: смазка и техническое обслуживание

На производстве операторы могут снизить риски задиров за счёт строгого контроля процесса. Первый параметр — смазка . Для предотвращения задиров простые масла зачастую недостаточны. Процесс требует смазок с присадками сверхвысокого давления (EP-присадки, такие как сера или хлор) или твёрдых барьеров (например, графит или дисульфид молибдена). Эти присадки образуют «трибологическую плёнку», которая разделяет металлы даже тогда, когда жидкое масло выдавливается под усилием.

Управление теплом — второй технологический параметр. Задиры термически активируются: при повышении температуры заготовка становится мягче и склоннее к образованию соединений. Если появляются задиры, попробуйте уменьшить скорость пресса (ходов в минуту). Это снизит температуру процесса и даст смазке больше времени на восстановление между ударами. Rolleri также рекомендует использовать «мостиковую» последовательность продольной резки при операциях пробивки, чередуя удары, чтобы предотвратить локальное накопление тепла и материала.

Наконец, техническое обслуживание должно быть проактивным. Не стоит ждать появления заедания. Внедрите график шлифовки и очистки радиусов матрицы, удаляя микроскопические наплывы до того, как они превратятся в повреждающие образования. Острые инструменты снижают усилие, необходимое для формовки детали, тем самым уменьшая трение и нагрев, которые вызывают заедание.

Обеспечение надежности процесса на этапе проектирования

Предотвращение заедания матриц — это не вопрос удачи; это дисциплина физики и инженерии. Соблюдая законы трения — обеспечивая достаточный зазор для течения материала, выбирая химически несовместимые материалы и поддерживая защитную пленку смазки — производители могут практически полностью исключить холодную сварку. Затраты на первоначальный анализ конструкции и применение высококачественных материалов ничтожно малы по сравнению с простоем из-за заклинившей матрицы или уровнем брака из-за поцарапанных деталей. Устраняйте причину, а не симптом, и надежность производства последует.

Часто задаваемые вопросы

1. Как уменьшить заедание в штампах?

Чтобы уменьшить задиры, сосредоточьтесь на трех областях: механика, материалы и смазка. Во-первых, обеспечьте достаточный зазор между пуансоном и матрицей (добавьте дополнительно 10–20% в зонах утолщения). Во-вторых, используйте разнородные металлы, такие как алюминиевая бронза или покрытые порошковые стальные сплавы, чтобы предотвратить холодную сварку. В-третьих, применяйте смазочные материалы с высокой вязкостью и добавками экстремального давления (EP), чтобы под нагрузкой сохранялась защитная пленка.

2. Предотвращает ли противозадирная смазка появление задиров?

Да, антифрикционные составы могут предотвращать задиры, вводя твердые смазки (например, медь, графит или дисульфид молибдена) между поверхностями. Эти твердые вещества создают физический барьер, который препятствует контакту сопрягаемых металлов даже при высоком давлении, выдавливающем жидкие масла. Однако применение антифрикционных составов — это локальное операционное решение, которое не устраняет основные конструктивные недостатки, такие как слишком малый зазор.

3. Какова основная причина возникновения задиров?

Основной причиной задиров является адгезионный износ вызванное трением и теплом. Когда высокое давление разрушает защитную оксидную пленку на металлических поверхностях, открытые атомы могут соединяться или «свариваться» между собой. Это чаще всего происходит, когда инструмент и заготовка имеют схожий химический состав (например, штамповка нержавеющей стали необработанным инструментальным стальным сплавом), что приводит к высокой металлургической сродству.