Решение проблемы износа матриц: основные механизмы износа в штампах для листовой штамповки

Краткое содержание

Износ механизмов в штампах в первую очередь обусловлен сильным трением и давлением между инструментом и листовым металлом. Два основных типа — износ абразивного типа абразивный износ, вызванный царапинами от твердых частиц по поверхности матрицы, и адгезионный износ (задир) , возникающий в результате переноса материала и микросваривания между поверхностями. В современных покрытых сталях доминирующим механизмом является уплотнение твердых остатков покрытия, которые отслаиваются от листа и накапливаются на инструменте, ускоряя его разрушение и сокращая срок службы штампа.

Основные механизмы: абразивный и адгезионный износ

Понимание долговечности и производительности штампов начинается с распознавания двух основных механизмов износа, происходящих на границе раздела инструмент-заготовка: абразивного и адгезионного износа. Хотя они часто возникают одновременно, их причиной являются различные физические процессы. Износ инструмента и матриц является прямым следствием трения, возникающего при скользящем контакте между листовым металлом и поверхностью инструмента, что приводит к потере или смещению материала.

Абразивный износ — это механическое разрушение поверхности, вызванное воздействием твёрдых частиц, которые прижимаются к ней и перемещаются по ней. Эти частицы могут поступать из различных источников, включая твёрдые фазы в микроструктуре листового металла, оксиды на поверхности или, что наиболее существенно, осколки, образовавшиеся при разрушении твёрдых покрытий, например, слоя Al-Si на сталях для прессового упрочнения. Такие частицы действуют как режущие инструменты, выдавливая борозды и царапины на более мягком материале матрицы. Сопротивление инструментальной стали абразивному износу тесно связано с её твёрдостью и объёмом твёрдых карбидов в её микроструктуре.

Адгезионный износ, напротив, представляет собой более сложное явление, связанное с переносом материала между двумя контактирующими поверхностями. Под воздействием огромного давления и тепла, возникающих при штамповке, микроскопические неровности (выступы) на поверхностях матрицы и листового металла могут образовывать локализованные микросварные соединения. По мере продолжения скольжения поверхностей эти соединения разрушаются, отрывая мелкие фрагменты с более слабой поверхности (часто инструмента) и перенося их на другую. Этот процесс может перерасти в тяжелую форму, известную как заедания , при которой перенесённый материал накапливается на матрице, вызывая значительные повреждения поверхности, увеличение трения и ухудшение качества деталей.

Эти два механизма часто переплетаются. Шероховатая поверхность, образовавшаяся в результате первоначального адгезионного износа, может удерживать больше абразивных частиц, ускоряя абразивный износ. И наоборот, борозды от абразивного износа могут создавать центры зарождения для накопления частиц debris, инициируя адгезионный износ. Эффективное управление сроком службы матрицы требует стратегий, направленных на устранение обоих этих основных видов отказов.

Чтобы уточнить их различия, рассмотрим следующее сравнение:

Ключевая роль покрытий листового материала и уплотнения продуктов износа

В то время как традиционные модели сосредоточены на абразивном и адгезионном износе, доминирующим механизмом при штамповке современных материалов, таких как высокопрочные сталей с покрытием AlSi (AHSS), является более сложный механизм. Исследования, такие как подробное исследование, опубликованное в MDPI Смазочные материалы журнала , показывает, что основным механизмом износа зачастую является уплотнение свободных продуктов износа с покрытия листа. Это изменяет понимание износа — от простого взаимодействия между инструментальной сталью к более сложной трибологической системе, включающей третий компонент — сами продукты износа покрытия.

Покрытие AlSi, наносимое на прессовые закалённые стали, предназначено для предотвращения окалины и обезуглероживания при высоких температурах. Однако в процессе нагрева это покрытие превращается в твёрдые и хрупкие интерметаллические фазы. Значения твёрдости этих интерметаллических слоёв составляют от 7 до 14 ГПа, что значительно выше, чем у закалённой инструментальной стали (обычно около 6–7 ГПа). В процессе штамповки это хрупкое покрытие растрескивается по двум основным причинам: сильному скольжению и трению о матрицу, а также значительной пластической деформации стального основания. Это приводит к образованию мелкой абразивной «пыли» из частиц твёрдого покрытия.

Этот мусор попадает в зону контакта инструмента с заготовкой. Под высоким давлением и температурой цикла штамповки эти свободные частицы вдавливаются в любые микроскопические неровности поверхности матрицы, такие как следы обработки или начальные абразивные бороздки. По мере увеличения числа циклов этот мусор накапливается и уплотняется в плотный, глазурованный слой, который механически закрепляется на инструменте. Этот процесс особенно выражен в зонах высокого давления, таких как радиус вытяжки, где трение и деформация материала достигают максимума.

Морфология этого износа варьируется в зависимости от местоположения. На радиусах вытяжки он может проявляться как «массивный перенос материала», образуя толстые, плотные слои, которые могут изменять геометрию штампа. На более плоских поверхностях с меньшим давлением он может появляться как «редкий перенос материала», создавая тусклые края или пятна. Этот механизм означает, что износ зачастую является скорее механической и топологической проблемой, чем чисто химической. Исходная отделка поверхности инструмента имеет первостепенное значение, поскольку даже незначительные дефекты могут служить точками закрепления для скопления загрязнений. Следовательно, предотвращение *возникновения* повреждения поверхности является ключевой стратегией для снижения этого агрессивного вида износа.

Ключевые факторы, ускоряющие износ штампов

Износ штампов является многофакторной проблемой, усугубляемой сочетанием механических, материаловедческих и технологических факторов. Переход на более высокопрочные материалы, такие как AHSS, усилил влияние этих переменных, что делает контроль процесса более важным, чем когда-либо. Понимание этих факторов — первый шаг к разработке эффективных стратегий снижения износа.

Контактное давление и свойства материала являются, пожалуй, наиболее значимыми причинами. Формовка AHSS требует значительно больших усилий по сравнению с низкоуглеродистыми сталями, что пропорционально увеличивает контактное давление на штамп. Кроме того, твердость некоторых марок AHSS может приближаться к твердости инструментальной стали, создавая почти равное по твердости сопряжение, которое усиливает абразивный износ. Уменьшенная толщина листа, часто используемая в AHSS для снижения веса, также повышает склонность к образованию складок, что требует более высоких усилий прижима заготовки для их подавления, дополнительно увеличивая местное давление и износ.

Смазка играет важную роль в разделении поверхностей матрицы и заготовки. Недостаточная или неправильная смазка не создает защитную пленку, что приводит к прямому металлическому контакту. Это резко увеличивает трение, вызывает чрезмерный нагрев и является основной причиной адгезионного износа и заедания. Высокие давления и температуры, возникающие при формовке AHSS, часто требуют применения смазочных материалов повышенной эффективности с добавками экстремального давления (EP).

Конструкция матрицы и состояние поверхности также имеют решающее значение. Неправильный зазор между пуансоном и матрицей может увеличить усилия резки и износ. Например, согласно Руководствам по AHSS , рекомендуемый зазор для стали DP590 может составлять 15%, в то время как для традиционной стали HSLA — 10%. Плохая отделка поверхности инструмента создает микроскопические выступы и впадины, которые служат центрами зарождения уплотнения частиц и заедания. Рекомендуемой практикой является полировка инструментов до очень гладкой поверхности (например, Ra < 0,2 мкм) до и после нанесения покрытия, с целью уменьшить количество таких точек закрепления.

В следующей таблице приведены основные факторы и их влияние:

Стратегии смягчения: повышение долговечности матриц

Для увеличения срока службы штампов требуется комплексный подход, сочетающий передовые материалы, сложные методы поверхностной обработки и оптимизированный контроль процессов. Простого использования традиционных методов зачастую недостаточно при работе с современными высокопрочными сталями.

Основной стратегией является выбор Передовые инструментальные стали . Хотя традиционные инструментальные стали, такие как D2, десятилетиями были основными материалами, они зачастую достигают своих пределов при использовании с АНПС. Инструментальные стали, произведённые методом порошковой металлургии (ПМ), представляют собой значительное усовершенствование. Изготовленные из атомизированного металлического порошка, ПМ-стали обладают значительно более мелкой и однородной микроструктурой с равномерно распределёнными карбидами. Это обеспечивает превосходное сочетание вязкости и износостойкости по сравнению со сталями традиционного производства. Одно из исследований, отмеченное AHSS Insights показали, что переход от D2 к более прочной инструментальной стали марки PM для формовки рычага управления увеличил срок службы инструмента с приблизительно 5 000–7 000 циклов до 40 000–50 000 циклов. Достижение такого уровня производительности зачастую требует сотрудничества со специалистами. Например, такие компании, как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. занимаются созданием специальных штампов для автомобильной промышленности, используя передовые материалы и процессы для максимального увеличения срока службы инструментов для автопроизводителей и поставщиков первого уровня.

Обработка поверхности и нанесение покрытий обеспечить еще одну мощную линию обороны. Цель состоит в том, чтобы создать твердую поверхность с низким уровнем трения, которая будет устойчива как к абразивному, так и к клеевому износу. Общепринятой лучшей практикой является двойная обработка: во-первых, такой процесс, как нитрирование ионов, затвердевает стальную подложку инструмента, чтобы обеспечить прочную основу, предотвращая ее деформацию под покрытием. Затем наносится покрытие физического отложения пара (PVD). Покрытия PVD, такие как нитрид титана (TiN), нитрид титана алюминия (TiAlN) или нитрид хрома (CrN), создают чрезвычайно твердый, смазливый и износостойкий барьер. ПВД часто предпочтительнее химического отложения паров (CVD), потому что это процесс с более низкой температурой, избегая риска искажения или смягчения теплообрабатываемой штампы.

И наконец, Оптимизация процессов и проектирования - Это очень важно. Это включает в себя обеспечение правильного просвета от прокола до матрицы, поддержание высокополированной поверхности инструмента и реализацию надежного плана смазки. Практический контрольный список для технического обслуживания и установки шлифовальной станции должен включать:

• Регулярно проверять критические радиусы и края на первые признаки износа или накопления материала.
• Мониторинг моделей износа для выявления потенциальных проблем с выравниванием или распределением давления.
• Обеспечение точной настройки прессы и штамповки для предотвращения неравномерной нагрузки.
• Поддержание системы смазки для обеспечения последовательного и адекватного применения.
• Удаление любых первоначальных признаков раздражения, прежде чем они могут вырасти и нанести значительный ущерб.

Интегрируя эти передовые материалы, поверхности и методы производства, производители могут эффективно бороться с основными механизмами износа в штамповках и значительно улучшить долговечность инструмента, качество деталей и общую эффективность производства.

Часто задаваемые вопросы