Коротко

Витирання матриць при штампуванні — це руйнівна форма адгезійного зносу, яку часто називають «холодним зварюванням», коли інструмент і заготовка з’єднуються на мікроскопічному рівні через надмірне тертя та нагрівання. Для запобігання потрібен багаторівневий інженерний підхід, а не одне просте рішення. Три основні лінії захисту такі: оптимізація конструкції матриці шляхом збільшення зазору між пуансоном і матрицею в зонах утворення складок (наприклад, кутах витяжки), вибір різнорідних матеріалів інструменту (наприклад, алюмінієва бронза), щоб усунути хімічну спорідненість, і нанесення сучасних покриттів таких як TiCN або DLC, лише після того, як поверхня буде ідеально відполірована. Експлуатаційні корективи, наприклад, використання мастил підвищеної тискової дії (EP) та зниження швидкості преса, є остаточними контрзаходами.

Фізика витирання: чому відбувається холодне зварювання

Щоб запобігти заїданню матриці, спочатку слід зрозуміти, що це явище принципово відрізняється від абразивного зносу. Якщо абразивний знос нагадує шліфування деревини дрібним папером, то заїдання — це явище адгезійний знос воно виникає, коли захисні оксидні шари на металевих поверхнях руйнуються під впливом величезного тиску штампувального преса. У такому разі хімічно активний «свіжий» метал заготовки потрапляє у безпосередній контакт із інструментальною сталью.

На мікроскопічному рівні поверхні ніколи не бувають абсолютно гладкими; вони складаються з виступів і заглиблень, відомих як нерівності. Під високим навантаженням ці нерівності зачіпляються одна за одну й утворюють сильний локалізований нагрів. Якщо два метали мають хімічну спорідненість — наприклад, нержавіюча сталь і інструментальна сталь D2, які обидві містять значну кількість хрому — вони можуть утворити атомні зв’язки. Цей процес відомий як міграція поверхня-до-поверхні або холодне зварювання . Під час руху інструмента ці зварені зв'язки зрізуються, вириваючи шматки матеріалу з м'якшої поверхні та осаджуючи їх на твердіший інструмент. Ці осадження, або "затири", потім діють як лемеші плуга, спричиняючи катастрофічне подряпування на наступних деталях.

Перша лінія захисту: конструкція та геометрія матриці

Найпоширенішим заблужденням у галузі є те, що покриття можуть вирішити будь-яку проблему зносу. Однак експерти попереджають, що якщо основна причина має механічний характер, нанесення покриття лише «замазує проблему». Основним механічним винуварцем часто є недостатній зазор між пуансоном і матрицею , особливо у глибоковитягнутих деталях.

При глибокому витягуванні листовий метал піддається стисканню в площині, коли він рухається в порожнину матриці, що призводить до природного ущільнення матеріалу. Якщо конструкція матриці не враховує це ущільнення — особливо у вертикальних стінках кутів витягування — зазор зникає. Матриця ефективно «пережимає» матеріал, створюючи значні піки тертя, які неможливо подолати будь-якою кількістю мастила. Згідно з MetalForming Magazine , важливим профілактичним заходом є обробка додаткового зазору (часто 10–20% товщини матеріалу) у цих зонах ущільнення.

Для складних серійних виробництв, таких як важелі підвіски або рами автомобілів, передбачення цих зон ущільнення вимагає складної інженерної роботи. Саме тут співпраця зі спеціалізованими виробниками стає стратегічною перевагою. Компанії, такі як Shaoyi Metal Technology використовуйте передовий аналіз CAE та протоколи, сертифіковані за IATF 16949, щоб закласти ці допуски у зазорі на етапі проектування матриць, забезпечуючи відсутність задирків під час масового штампування автомобільних деталей уже з першого ходу.

Іншим геометричним чинником є напрямок полірування майстри з виготовлення інструментів та матриць мають полірувати секції матриць паралельний у напрямку руху при пробиванні або витягуванні. Поперечне полірування залишає мікроскопічні борозни, які діють як абразивні надфілі, пошкоджуючи заготовку та прискорюючи руйнування плівки мастила.

Матеріалознавство: стратегія «різнорідних металів»

При штампуванні нержавіючої сталі або високоміцних сплавів вибір інструментальної сталі має критичне значення. Поширений тип відмови — використання інструментальної сталі D2 для штампування нержавіючої сталі. Оскільки D2 містить близько 12% хрому, а нержавіюча сталь також використовує хром для корозійної стійкості, ці два матеріали мають високу «металургічну сумісність». Вони схильні до прилипання один до одного.

Рішення полягає у використанні різнорідні метали щоб порушити цю хімічну спорідненість. Для важких умов експлуатації з сильним задиранням, матеріали інженерної бронзи, зокрема Алюмінієва бронза , часто перевершують традиційні інструментальні сталі. Хоча алюмінієва бронза м'якша за сталь, вона має чудову змащувальність і теплопровідність і, що найважливіше, не схильна до холодного зварювання з ферозними основами. Використання вставок або втулок з алюмінієвої бронзи в зонах з великим тертям може повністю усунути адгезійний знос там, де більш тверді матеріали зазнають невдачі.

Якщо для забезпечення міцності потрібна інструментальна сталь, розгляньте сорти порошкової металургії (PM), наприклад CPM 3V або M4. Вони мають більш дрібну розподіленість карбідів, ніж традиційна сталь D2, забезпечуючи гладшу поверхню, яка менше схильна до початку циклу адгезійного зносу.

Сучасні обробки поверхні та покриття

Після оптимізації механіки та матеріалів, покриття поверхні створюють останній бар'єр. Покриття методом фізичного осадження з парової фази (PVD) є стандартом для сучасного штампування, але вибір правильного складу має вирішальне значення.

• TiCN (карбонітрид титану): Чудове універсальне покриття, яке забезпечує вищу твердість і менший коефіцієнт тертя порівняно зі стандартним TiN. Широко використовується для обробки високоміцних сталей.
• DLC (алмазоподібне вуглець): Відоме надзвичайно низьким коефіцієнтом тертя, DLC є преміальним варіантом для алюмінію та важких кольорових металів. Воно імітує властивості графіту, дозволяючи заготовці легко ковзати з мінімальним опором.
• Нітридування: Це процес дифузії, а не покриття; нітрування загартовує саму поверхню інструментальної сталі. Нерідко використовується як базова обробка перед нанесенням PVD-покриттів, щоб запобігти «ефекту шкаралупи», коли тверде покриття тріскається через м’яку зону підкладки.

Критичне попередження: Покриття настільки якісне, наскільки добре підготовлена підкладка. Поверхня інструмента має бути відполірована до дзеркального стану перед перед нанесенням покриття. Усі наявні подряпини чи нерівності будуть просто відтворені покриттям, утворюючи тверді гострі виступи, які агресивно впливатимуть на заготовку.

Експлуатаційні заходи: змащування та технічне обслуговування

На виробничій дільниці оператори можуть зменшити ризики задирування шляхом дотримання суворого контролю процесу. Перший фактор — це змащення . Для запобігання задируванню прості мастила часто є недостатніми. Процес потребує мастил із присадками надзвичайного тиску (EP) (такими як сірка або хлор) або твердих бар'єрів (наприклад, графіту чи дисульфіду молібдену). Ці присадки утворюють «трибологічну плівку», яка розділяє метали навіть тоді, коли рідке масло витісняється під дією зусиль.

Керування теплом — другий експлуатаційний фактор. Задирування має термічну природу; підвищені температури роблять заготовку м'якшою та сприяють зварюванню матеріалів. Якщо з'являється задирування, спробуйте знизити швидкість преса (удари на хвилину). Це зменшить температуру процесу та дасть мастилу більше часу на відновлення між ударами. Rolleri також пропонує використовувати послідовність розрізання типу «міст» під час операцій пробивання, чергуючи удари, щоб запобігти локальному накопиченню тепла та матеріалу.

Нарешті, планове технічне обслуговування має бути проактивним. Не чекайте, поки з’явиться заїдка. Впровадьте графік заточування та очищення радіусів матриць, видаляючи мікроскопічні налипи до того, як вони перетворяться на руйнівні утворення. Гострі інструменти зменшують зусилля, необхідне для формування деталі, тим самим зменшуючи тертя та нагрівання, що спричиняють заїдання.

Забезпечення надійності процесу на рівні проектування

Запобігання заїданню матриць — це не питання удачі; це дисципліна фізики та інженерії. Дотримуючись законів тертя — забезпечуючи достатній зазор для течії матеріалу, вибираючи хімічно несумісні матеріали та підтримуючи плівку змащення — виробники можуть практично повністю уникнути холодного зварювання. Витрати на попередній аналіз конструкції та якісні матеріали незначні порівняно з простоями через заклинену матрицю або кількістю бракованих деталей. Усувайте причину, а не наслідок, і надійність виробництва буде забезпечена.

Поширені запитання

1. Як зменшити заїдання в штампувальних матрицях?

Щоб зменшити заїдання, зосередьтеся на трьох аспектах: механіка, матеріали та мащення. По-перше, забезпечте достатній зазор між пуансоном і матрицею (додайте 10–20 % додаткового зазору в зонах утовщення). По-друге, використовуйте різнорідні метали, такі як алюмінієва бронза або покриті порошкові сталі, щоб запобігти холодному зварюванню. По-третє, застосовуйте високов'язкі мастила з присадками екстремального тиску (EP), щоб зберігати плівку-бар'єр під навантаженням.

2. Чи запобігає антипригарний засіб заклинюванню?

Так, антизатискні склади можуть запобігти заїданню, вводячи тверді мастильні матеріали (наприклад, мідь, графіт або молібден) між поверхнями. Ці тверді речовини створюють фізичний бар'єр, який утримує спряжені метали окремо, навіть коли великий тиск витісняє рідкі оливи. Однак антизатискний засіб — це локальне експлуатаційне рішення, яке не усуває основні конструктивні недоліки, такі як надто малий зазор.

3. Яка основна причина заїдання?

Основною причиною заїдання є адгезійний знос спричинене тертям і теплом. Коли високий тиск руйнує захисну оксидну плівку на металевих поверхнях, відкриті атоми можуть з'єднуватися або «зварюватися» між собою. Це найчастіше трапляється, коли інструмент і заготовка мають подібний хімічний склад (наприклад, штампування нержавіючої сталі необробленим інструментальним сталлю), що призводить до високої металургійної спорідненості.