Вирішення зносу прес-форм: основні механізми зносу при штампуванні

Коротко

Механізми зносу в штампах головним чином обумовлені сильним тертям і тиском між інструментом і листовим металом. Два основні типи — це абразивний знос , спричинений твердими частинками, що подряпують поверхню матриці, та адгезійне зношування (задирки) , який виникає внаслідок перенесення матеріалу та мікрозварювання між поверхнями. Для сучасних покритих сталей домінуючим механізмом є ущільнення твердих залишків покриття, які відриваються від заготовки та накопичуються на інструменті, прискорюючи деградацію та скорочуючи термін служби матриці.

Основні механізми: абразивний проти адгезійного зносу

Розуміння довговічності та продуктивності штампувальних матриць починається з визнання двох основних механізмів зносу, що виникають на межі інструменту та заготовки: абразивного та адгезійного зносу. Хоча вони часто виникають одночасно, ці механізми зумовлені різними фізичними процесами. Знос інструменту та матриць є прямим наслідком тертя, що виникає під час ковзного контакту між листовим металом і поверхнею інструменту, що призводить до втрати або переміщення матеріалу.

Абразивний знос — це механічне руйнування поверхні, спричинене твердими частинками, які впливають на неї та рухаються по ній. Ці частинки можуть мати кілька джерел походження, зокрема тверді фази в мікроструктурі листового металу, оксиди на поверхні або, найважливіше, уламки твердих покриттів, наприклад шару Al-Si на сталях для пресового загартування. Ці частинки діють як різальні інструменти, вириваючи борозни та подряпини в більш м’якому матеріалі матриці. Опір інструментальної сталі абразивному зносу тісно пов’язаний з її твердістю та об’ємом твердих карбідів у її мікроструктурі.

Адгезійний знос, навпаки, є складнішим явищем, що передбачає перенесення матеріалу між двома контактуючими поверхнями. Під впливом величезного тиску та тепла, які виникають під час штампування, мікроскопічні нерівності (вершини) на поверхнях матриці та листового металу можуть утворювати локалізовані мікрозварювання. Коли поверхні продовжують ковзати одна по одній, ці зварні точки руйнуються, вириваючи маленькі уламки з більш слабкої поверхні (часто інструменту) та переносячи їх на іншу. Цей процес може посилюватися до тяжкої форми, відомої як заїдання , де перенесений матеріал накопичується на матриці, призводячи до значних пошкоджень поверхні, збільшення тертя та поганої якості деталей.

Ці два механізми часто переплітаються. Шорстка поверхня, утворена первинним адгезійним зношуванням, може затримувати більше абразивних частинок, прискорюючи абразивне зношування. Навпаки, борозни від абразивного зношування можуть створювати центри зародкоутворення для накопичення забруднень, що ініціює адгезійне зношування. Ефективне управління терміном служби матриці вимагає стратегій, спрямованих на усунення обох цих основних видів відмов.

Щоб уточнити їхні відмінності, розгляньте таке порівняння:

Ключова роль покриттів листового матеріалу та ущільнення продуктів зносу

Хоча традиційні моделі зосереджені на абразивному та адгезійному зносі, більш складний механізм домінує при штампуванні сучасних матеріалів, таких як листові сталі підвищеної міцності з покриттям AlSi (AHSS). Дослідження, наприклад детальне дослідження, опубліковане в MDPI Змащувальні матеріали щоденник , показує, що основним механізмом зносу часто є ущільнення розсипаного матеріалу зносу з покриття листа. Це змінює розуміння зносу — від простої взаємодії інструмент-сталь до складнішої трибологічної системи, що включає третє тіло — сам матеріал покриття.

Покриття AlSi, нанесене на сталі для пресового загартування, призначене для запобігання утворенню окалини та декарбонізації при високих температурах. Проте під час процесу нагрівання це покриття перетворюється на тверді та крихкі інтерметалічні фази. З твердістю у діапазоні від 7 до 14 ГПа, ці інтерметалічні шари значно твердіші, ніж навіть загартована інструментальна сталь (зазвичай близько 6–7 ГПа). Під час процесу штампування це крихке покриття руйнується через дві основні причини: сильне ковзне тертя щодо матриці та значну пластичну деформацію основного сталевого шару. Це руйнування створює тонкий абразивний «пил» із частинок твердого покриття.

Цей сміття затрапляється на межі інструменту та заготовки. Під високим тиском і температурою циклу штампування ці розрізнені частинки пресуються в будь-які мікроскопічні нерівності на поверхні матриці, наприклад, сліди обробки або початкові борозни від абразивного зносу. Зі збільшенням кількості циклів це сміття накопичується й ущільнюється у щільний шар, схожий на глазур, який механічно закріплюється на інструменті. Цей процес особливо виражений у зонах високого тиску, таких як радіус витяжки, де тертя та деформація матеріалу досягають піку.

Морфологія цього одягу варіюється залежно від місця. При малюванні радіусів, це може проявлятися як "грубовий перехід матеріалу", утворюючи товсті, компактні шари, які можуть змінювати геометрію шпалери. На плоскіших поверхнях з меншим тиском вона може з'являтися як 'рідкий перехід матеріалу', створюючи тупі крапки або плями. Цей механізм означає, що знос часто є більш механічною та топологічною проблемою, ніж чисто хімічною. Первинна поверхня інструменту має першочергове значення, оскільки навіть незначні недоліки можуть бути якорними точками для накопичення сміття. Тому запобігання "початку" пошкодження поверхні є ключовою стратегією для пом'якшення цієї агресивної форми зносу.

Основні фактори, які прискорюють зношення

Винос фарбування - це багатогранна проблема, що прискорюється комбінацією механічних, матеріальних та процесних факторів. Перехід на більш міцні матеріали, такі як AHSS, посилив вплив цих змінних, що робить контроль процесу більш критичним, ніж будь-коли. Розуміння цих факторів є першим кроком до розробки ефективних стратегій зменшення впливу.

Контактний тиск і властивості матеріалу є, мабуть, найважливішими чинниками. Формування AHSS вимагає значно більшої сили, ніж у м'яких сталевих, що пропорційно збільшує контактний тиск на матрицю. Крім того, твердість деяких сортів AHSS може наближатися до самої сталі інструмента, створюючи майже однакову твердість, яка посилює абразівне зношення. Зменшена товщина листя, часто використовується з AHSS для економії ваги, також збільшує схильність до зморшок, що вимагає більш високих сил для пригнічення, що ще більше підвищує місцеве тиск і знос.

Змащення відіграє ключову роль у розділенні поверхонь матриці та заготовки. Недостатнє або неправильне змащення не створює захисну плівку, що призводить до прямого металевого контакту. Це значно збільшує тертя, викликає надмірне виділення тепла і є основною причиною адгезійного зносу та заїдання. Високі тиски та температури, що виникають під час формування AHSS, часто вимагають високоефективних мастил із присадками екстремального тиску (EP).

Конструкція матриці та стан поверхні також є критичними. Неправильний зазор між пуансоном і матрицею може збільшити зусилля різання та знос. Наприклад, згідно з AHSS Guidelines , рекомендований зазор для сталі DP590 може становити 15%, порівняно з 10% для традиційної сталі HSLA. Поганий стан поверхні інструменту створює мікроскопічні виступи та западини, які виступають центрами зародкоутворення для ущільнення забруднень і заїдання. Рекомендовано полірувати інструменти до дуже гладкого стану (наприклад, Ra < 0,2 мкм) до та після нанесення покриття, щоб зменшити ці точки закріплення.

Нижче наведено таблицю, що узагальнює ці ключові фактори та їхній вплив:

Стратегії пом'якшення: підвищення довговічності матриць

Продовження терміну служби штампувальних матриць вимагає комплексного підходу, який поєднує передові матеріали, складні обробки поверхні та оптимізовані процеси керування. Просто покладатися на традиційні методи часто недостатньо при роботі з сучасними високоміцними сталями.

Основна стратегія — це вибір Передових інструментальних сталей . Хоча звичайні інструментальні сталі, такі як D2, десятиліттями були надійними помічниками, вони часто досягають своїх меж із ВМС. Сталі для інструментів, виготовлені методом порошкової металургії (ПМ), є значним покращенням. Отримані з атомізованого металевого порошку, ПМ-сталі мають значно дрібнішу та одноріднішу мікроструктуру з рівномірно розподіленими карбідами. Це забезпечує краще поєднання міцності й стійкості до зносу порівняно зі звичайними сталями. Про це свідчить наведений дослідний приклад AHSS Insights показано, що заміна D2 на більш міцну інструментальну сталеву марку PM для формування важеля підвіски збільшила термін служби інструменту з приблизно 5 000–7 000 циклів до 40 000–50 000 циклів. Досягнення такого рівня продуктивності часто вимагає співпраці зі спеціалістами. Наприклад, компанії, такі як Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. спеціалізуються на створенні спеціальних штампувальних матриць для автомобілебудування, використовуючи передові матеріали та процеси для максимально можливого подовження терміну служби інструментів для OEM-виробників і постачальників першого рівня.

Поверхневі обробки та покриття забезпечують ще один потужний рівень захисту. Мета полягає в створенні твердої, малотертяжкої поверхні, яка чинить опір як абразивному, так і адгезійному зносу. Поширеною найкращою практикою є дуплексна обробка: спочатку процес, такий як іонне нітрування, зміцнює основу з інструментальної сталі, забезпечуючи міцну основу, що запобігає деформації під покриттям. Потім наноситься покриття методом фізичного осадження з парової фази (PVD). PVD-покриття, такі як нітрид титану (TiN), титан-алюмінієвий нітрид (TiAlN) або хромовий нітрид (CrN), утворюють надзвичайно тверду, мастильну та зносостійку бар'єрну шар. PVD часто віддають перевагу перед хімічним осадженням з парової фази (CVD), оскільки це процес при нижчій температурі, що усуває ризик деформації або пом'якшення загартованого інструменту.

Нарешті, Оптимізація процесу та конструкції є важливою. Це включає забезпечення правильних зазорів між пуансоном і матрицею, підтримання високополірованої поверхні інструменту та реалізацію надійного плану мащення. Практичний контрольний список для технічного обслуговування та налаштування матриці повинен включати:

• Регулярно перевіряйте критичні радіуси та краї на наявність перших ознак зносу або накопичення матеріалу.
• Контролюйте характер зносу, щоб виявити потенційні проблеми з вирівнюванням або розподілом тиску.
• Забезпечте точне вирівнювання преса та матриці, щоб запобігти нерівномірному навантаженню.
• Підтримуйте систему мащення у робочому стані для забезпечення стабільного та достатнього нанесення мастила.
• Поліруйте будь-які початкові ознаки заїдання, перш ніж вони поширяться й спричинять значні пошкодження.

Поєднуючи ці передові матеріали, поверхневі та технологічні підходи, виробники можуть ефективно протидіяти основним механізмам зносу штампувальних матриць і значно підвищити довговічність інструменту, якість деталей та загальну ефективність виробництва.

Поширені запитання