Riešenie opotrebenia foriem: Kľúčové mechanizmy opotrebenia pri tvárnení

ZKRATKA

Mechanizmy opotrebenia v prípravkoch na tvárnenie sú hlavne spôsobené intenzívnym trením a tlakom medzi nástrojom a plechom. Dva základné typy sú abrazívne opotrebenie , spôsobené tvrdými časticami, ktoré rýpajú povrch formy, a adhézne opotrebovanie (zarastanie) , ktoré vzniká prenosom materiálu a mikrosvarením medzi povrchmi. Pri moderných povlakových oceľoch dominuje mechanizmus kompaktizácie tvrdých úlomkov povlaku, ktoré sa odlomia z plechu a hromadia sa na nástroji, čím sa zrýchľuje degradácia a skracuje životnosť formy.

Základné mechanizmy: Abrazívne vs. adhézne opotrebenie

Pochopenie životnosti a výkonu tvárnicových nástrojov začína rozpoznaním dvoch hlavných mechanizmov opotrebovania, ktoré sa vyskytujú na rozhraní nástroja a polotovaru: abrazívneho a adhézneho opotrebenia. Hoci sa často vyskytujú súčasne, spôsobujú ich odlišné fyzikálne procesy. Opotrebenie nástrojov a foriem je priamym dôsledkom trenia vznikajúceho pri posuvnom kontakte medzi plechom a povrchom nástroja, čo vedie k strate materiálu alebo jeho posunutiu.

Abrazívne opotrebovanie je mechanické poškodzenie povrchu spôsobené tvrdými časticami, ktoré sú pritlačované k povrchu a pohybujú sa pozdĺž neho. Tieto častice môžu mať viacero zdrojov, vrátane tvrdých fáz v mikroštruktúre plechu, oxidov na povrchu alebo, najmä, zlomených úlomkov z tvrdých povlakov, ako je vrstva Al-Si na oceliach pre tvárnenie za horúca. Tieto častice pôsobia ako rezné nástroje, ktoré vyhrňujú drážky a rýpy do mäkšieho materiálu nástroja. Odolnosť nástrojovej ocele proti abrazívnemu opotrebovaniu je úzko spojená s jej tvrdosťou a objemom tvrdých karbidov v jej mikroštruktúre.

Adhézne opotrebovanie je naopak zložitejším javom, ktorý zahŕňa prenos materiálu medzi dvoma kontaktujúcimi povrchmi. V dôsledku obrovského tlaku a tepla vznikajúceho počas tvárnenia môžu mikroskopické nerovnosti (vrcholy) na povrchu matrice a plechu vytvoriť lokálne mikro-zvary. Keď sa povrchy ďalej posúvajú, tieto zvary prasknú, odtrhnú malé úlomky z menej pevného povrchu (často nástroja) a prenesú ich na druhý povrch. Tento proces sa môže vyvinúť do závažnej formy známej ako zaškratovania , pri ktorej sa prenesený materiál hromadí na matrici, čo vedie k výraznému poškodeniu povrchu, zvýšeniu trenia a zlej kvalite výrobkov.

Tieto dva mechanizmy sú často prepletené. Drsný povrch vzniknutý počiatočným adhézijnym opotrebovaním môže zachytávať viac abrazívnych častíc, čím sa zrýchľuje abrazívne opotrebovanie. Naopak, drážky spôsobené abrazívnym opotrebovaním môžu vytvárať miesta nukleácie pre hromadenie nečistôt, čo spúšťa adhézne opotrebovanie. Účinná správa životnosti matrice vyžaduje stratégie, ktoré riešia oba tieto základné režimy porúch.

Aby sme objasnili ich rozdiely, zvážme nasledujúce porovnanie:

Kľúčová úloha povlakov plechu a zhutnenie odpadu

Zatiaľ čo tradičné modely sa zameriavajú na abrazívne a adhézne opotrebovanie, u súčasných materiálov, ako je AlSi-povlakovaná vysokopevnostná oceľ (AHSS), dominuje jemnejší mechanizmus. Výskum, ako napríklad podrobná štúdia publikovaná v MDPI Mazadlá denník , odhaľuje, že hlavným mechanizmom opotrebovania je často zhutnenie voľných opotrebovaných častíc z povlaku plechu. Toto posunulo pochopenie opotrebovania od jednoduchej interakcie nástrojovej ocele k zložitejšiemu tribologickému systému zahŕňajúcemu tretie telo – samotné častice povlaku.

AlSi povlak aplikovaný na oceli pre tvrdé tvarovanie je navrhnutý tak, aby zamedzoval vzniku okujíc a dekarbonizácii pri vysokých teplotách. Počas procesu ohrevu sa tento povlak však mení na tvrdé a krehké intermetalické fázy. S hodnotami tvrdosti medzi 7 až 14 GPa sú tieto intermetalické vrstvy výrazne tvrdšie než dokonca kalená nástrojová oceľ (zvyčajne okolo 6–7 GPa). Počas procesu lisovania dochádza k praskaniu tohto krehkého povlaku z dvoch hlavných príčin: intenzívneho trenia pri posúvaní voči formám a výrazného plastického deformovania základnej ocelej matrice. Toto praskanie vytvára jemný, abrazívny „prach“ tvrdých častíc povlaku.

Tento odpad je zachytený na rozhraní nástroja a obrobku. Pri vysokom tlaku a teplote počas klenutia sú tieto voľné častice vtlačené do akýchkoľvek mikroskopických nerovností na povrchu formy, ako sú rezné stopy alebo počiatočné brúsne drážky. So zvyšujúcim sa počtom cyklov sa tento odpad hromadí a stáva sa zhutnenou, glazúrou podobnou vrstvou, ktorá je mechanicky ukotvená do nástroja. Tento proces je obzvlášť výrazný v oblastiach vysokého tlaku, ako je kresliaci polomer, kde sú trenie aj deformácia materiálu na najvyššej úrovni.

Morfológia tohto opotrebenia sa líši podľa miesta. Na kresliacich polomeroch sa môže prejaviť ako „hrubá migrácia materiálu“, pričom vytvára hrubé, kompaktné vrstvy, ktoré môžu zmeniť geometriu matrice. Na rovnejších plochách s nižším tlakom sa môže objaviť ako „riedka migrácia materiálu“, pričom vytvára matné okraje alebo škvrny. Tento mechanizmus naznačuje, že opotrebenie je často skôr mechanickým a topologickým problémom než čisto chemickým. Počiatočná úprava povrchu nástroja je rozhodujúca, pretože aj malé nedokonalosti môžu slúžiť ako kotviace body pre hromadenie nečistôt. Preto je prevencia *iniciácie* poškodenia povrchu kľúčovou stratégiou na zmierňovanie tejto agresívnej formy opotrebenia.

Kľúčové faktory, ktoré urýchľujú opotrebenie matrice

Opotrebovanie nástrojov je viacvrstvový problém, ktorý sa zhoršuje kombináciou mechanických, materiálových a procesných faktorov. Prechod na vyššie pevnostné materiály, ako je AHSS, zosilnil vplyv týchto premenných, čo robí riadenie procesu dôležitejším ako kedykoľvek predtým. Porozumenie týmto faktorom je prvým krokom k vývoju účinných stratégií na ich elimináciu.

Kontaktný tlak a vlastnosti materiálu sú pravdepodobne najvýznamnejšími faktormi. Tvárnenie AHSS vyžaduje výrazne vyššie sily ako mäkké ocele, čo úmerne zvyšuje kontaktný tlak na nástroji. Navyše tvrdosť niektorých tried AHSS sa môže približovať tvrdosti nástrojovej ocele samotnej, čo vytvára takmer rovnakú tvrdosť a zvyšuje abrazívne opotrebovanie. Znížená hrúbka plechu, ktorá sa pri AHSS často používa na úsporu hmotnosti, tiež zvyšuje tendenciu k vráskam, čo si vyžaduje vyššie sily upínania predlžka na potlačenie, čím sa ďalej zvyšuje miestny tlak a opotrebovanie.

Tušovanie zohráva kľúčovú úlohu pri oddelení povrchov matrice a polotovaru. Nedostatočné alebo nevhodné mazanie nevytvorí ochrannú vrstvu, čo vedie na priamy kontakt kovu s kovom. To výrazne zvyšuje trenie, generuje nadmerné teplo a je hlavnou príčinou adhézneho opotrebenia a zadrhávania. Vysoké tlaky a teploty spojené s tváraním AHSS často vyžadujú mazivá vysokého výkonu s prísadami pre extrémne zaťaženie (EP).

Návrh matrice a povrchová úprava sú tiež kritické. Nesprávna medzera medzi puncem a maticou môže zvýšiť rezné sily a opotrebenie. Napríklad podľa AHSS Guidelines odporúčaná medzera pre oceľ DP590 môže byť 15 %, oproti 10 % pre tradičný oceľ HSLA. Zlá povrchová úprava nástroja poskytuje mikroskopické výstupky a priehlbiny, ktoré pôsobia ako miesta nukleácie pre zhutňovanie nečistôt a zadrhávanie. Odporúča sa leštiť nástroje na veľmi hladký povrch (napr. Ra < 0,2 μm) pred a po povlakovej úprave, aby sa znížili tieto kotviace body.

Nasledujúca tabuľka zhrňuje tieto kľúčové faktory a ich vplyv:

Stratégie zmierňovania: Zlepšenie životnosti dies

Predlžovanie životnosti tvárnic vyžaduje komplexný prístup, ktorý kombinuje pokročilé materiály, sofistikované povrchové úpravy a optimalizované riadenie procesov. Jednoduché spoľahnutie sa na tradičné metódy je často nedostatočné pri práci s modernými oceľami vysoké pevnosti.

Hlavnou stratégiou je výber Pokročilé nástrojové ocele . Zatiaľ čo konvenčné nástrojové ocele ako D2 boli desaťročia pracovnými koňmi, často dosahujú svoje limity pri AHSS. Ocele pre nástroje z práškovej metalurgie (PM) predstavujú významné vylepšenie. Vyrobené z atomizovaného kovového prášku majú PM ocele omnoho jemnejšiu a rovnomernejšiu mikroštruktúru s rovnomerne rozptýlenými karbidmi. To vedie k lepšiemu pomeru húževnatosti a odolnosti voči opotrebovaniu v porovnaní s konvenčne vyrábanými oceľami. Štúdia prípadu zdôraznená Poznatky o AHSS bolo preukázané, že výmena D2 za odolnejšiu nástrojovú oceľ PM na tvárnenie ramena riadenia zvýšila životnosť nástroja z približne 5 000–7 000 cyklov na 40 000–50 000 cyklov. Dosiahnutie takejto úrovne výkonu často vyžaduje spoluprácu so špecialistami. Napríklad spoločnosti ako Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. sa zameriavajú na výrobu vlastných hydraulických lisovacích diel pre automobilový priemysel, pričom využívajú pokročilé materiály a procesy na maximalizáciu životnosti nástrojov pre výrobcov originálnych zariadení (OEM) a dodávateľov prvej úrovne.

Povrchové úpravy a povlaky poskytujú ďalší výkonný stupeň ochrany. Cieľom je vytvoriť tvrdý, nízkotrecí povrch, ktorý odoláva abrazívnemu aj adhéznemu opotrebovaniu. Bežnou najlepšou praxou je duplexné ošetrenie: najprv proces ako iontové nitridovanie ztvrdne podklad z nástrojovej ocele, čím poskytne pevný základ a zabráni deformácii pod povlakom. Potom sa aplikuje povlak metódou fyzikálnej depozície z plynnej fázy (PVD). PVD povlaky ako dusitan titaničitý (TiN), dusitan hliníko-titaničitý (TiAlN) alebo dusitan chrómový (CrN) vytvoria extrémne tvrdú, mazkavú a opotrebovanej odolnú bariéru. PVD sa často uprednostňuje pred chemickou depozíciou z plynnej fázy (CVD), pretože ide o proces pri nižšej teplote, čo eliminuje riziko deformácie alebo zmäkčenia kalenej matrice.

A nakoniec, Optimalizácia procesu a konštrukcie je rozhodujúca. Patrí sem zabezpečenie správnych medzier medzi dierovačom a matricou, udržiavanie vysoce leštenej povrchu nástroja a implementácia spoľahlivého plánu mazania. Praktický kontrolný zoznam údržby a nastavenia matrice by mal zahŕňať:

• Pravidelne kontrolovať kritické polomery a okraje na prvé známky opotrebovania alebo hromadenia materiálu.
• Monitorovanie vzorov opotrebovania na identifikáciu možných problémov s vyrovnaním alebo rozdelením tlaku.
• Zabezpečenie presného zarovnania lisovania a lisovania, aby sa zabránilo nerovnomernému zaťaženiu.
• Udržanie systému mazania s cieľom zabezpečiť konzistentné a primerané použitie.
• Odstraňujem všetky počiatočné známky podráždenia, než sa môžu rozšíriť a spôsobiť významné škody.

Integráciou týchto pokročilých materiálov, povrchov a postupových stratégií môžu výrobcovia účinne bojovať proti primárnym mechanismom opotrebovania v lisovacích listoch a výrazne zlepšiť životnosť nástroja, kvalitu dielov a celkovú účinnosť výroby.

Často kladené otázky