Высокопроизводительные штамповочные материалы и поверхностная инженерия: преодоление пределов срока службы и точности точной штамповки
Введение: Плесень - процесс штамповки "сердечник" грязный и короткая доска
В инженерной практике точной металлической штамповки штамп считается "матерью промышленности". Точность и срок службы набора непрерывных штампов или штампов тонкой штамповки напрямую определяют стоимость, качество и стабильность доставки штампованных деталей. Однако при широком применении высокопрочных материалов (AHSS, титанового сплава, высоколегированного алюминия) и постоянном улучшении скорости биения традиционные инструментальные стали (такие как Cr12MoV, SKD11) и даже обычная высокоскоростная сталь (M2) с трудом соответствовали техническим требованиям износостойкости, ударной вязкости и усталостной стойкости одновременно. Ранний отказ штампа - особенно обрушение пунша, слишком быстрый износ вогнутой штампа, а также адгезия и натяжение штампа - стал самым сложным узким местом по качеству и стоимости в отрасли.
В этой статье высокопроизводительная технология штамповки штампов систематически анализируется по пяти аспектам: микроструктурная инженерия материалов штампа, передовая технология нанесения поверхностного покрытия, процесс термообработки и криогенной обработки, механизм разрушения и модель прогнозирования срока службы, а также интеллектуальный онлайн-мониторинг.
Во-первых, переход между поколениями системы материалов пресс-формы
1,1 От традиционной инструментальной стали до порошковой высокоскоростной стали
Традиционная высокоуглеродистая и высокохромовая холодная рабочая штамповочная сталь (такая как D2, Cr12MoV) обладает хорошей отверждаемостью и прочностью на сжатие, но ее сегрегация карбида эвтектики серьезна, и карбид большого размера становится источником возникновения трещин, что приводит к недостаточной ударной вязкости. При точной штамповке или высокоскоростной штамповке край пуансона подвержен высокой циклической ударной нагрузке, которая подвержена разрушению или разрушению.
Появление порошковой высокоскоростной стали (PM-HSS) перевернуло эту ситуацию с ног на голову. Благодаря распылительному фрезерованию + горячему изостатическому прессованию частицы карбида очищаются до 2 ~ 4 мкм и равномерно распределяются. Типичные марки, такие как ASP 2030, S390, S590, имеют твердость 66 ~ 70 HRC. В то же время прочность на изгиб увеличивается более чем на 30% по сравнению с традиционной высокоскоростной сталью, а трещиностойкость K1C увеличивается на 50%. При штамповке высокопрочных стальных пластин с пределом прочности на растяжение ≥800MPa срок службы пуансона порошковой высокоскоростной стали может достигать в 3 ~ 5 раз больше, чем у обычной высокоскоростной стали.
1,2 Границы применения твердого сплава и металлокерамики
Для крупногабаритных деталей с микроштамповкой (например, клеммы, свинцовые рамы, свинцовые рамы IC) твердый цемент (например, YG15, YG20) широко используется в сверхточных прогрессивных штампах из-за его чрезвычайно высокой прочности на сжатие и износостойкости. Однако твердый цемент имеет плохую ударную вязкость и представляет риск хрупкого разрушения в пуансонах малого диаметра или тонкостенных вогнутых штампах. Металлическая керамика (на основе TiCN + Ni связанная фаза) используется в качестве компромиссного решения как с высокой твердостью (около 90 HRA), так и с лучшей стойкостью к окислению, чем твердый цементированный карбид, которые подходят для тонкого гашения листов из нержавеющей стали.
1,3 Тенденции исследований и разработок новых штампованных сталей
В последние годы безкобальтовая порошковая высокоскоростная сталь и nano-precipitation-enhanced сталь для холодной обработки стали горячей точкой исследований и разработок. Добавляя Nb, V, Ti и другие элементы для образования наноразмерных нитридов углерода, матрица может поддерживать эффект вторичного упрочнения при температуре отпуска, а температура размягчения может быть увеличена до более чем 620 ° C, что значительно снижает твердость поверхности, вызванную теплом трения, генерируемым высокоскоростной штамповкой.
Во-вторых, технология поверхностной инженерии: придание пресс-форме "внешней брони"
2,1 PVD-покрытие: от однослойного до наномногослойного
PVD (Physical Vapor Deposition) в настоящее время является наиболее распространенной технологией покрытия для точной штамповки. Твердость стандартного покрытия TiN составляет около 2300 HV, но коэффициент трения высок; твердость покрытия AlTiN может достигать 3300 HV, а термическая стабильность превосходна; в то время как твердость нанокомпозитного покрытия (например, AlCrN / TiSiN) превышает 3500 HV, а начальная температура сопротивления окислению превышает 900 ° C, демонстрируя отличные антиадгезионные свойства при штамповке оцинкованных листов или алюминиевых сплавов.
Многослойные чередующиеся структуры (например, периодическое покрытие TiN / AlTiN) значительно улучшают трещиностойкость покрытия, отклоняя путь распространения трещины через границу раздела. В непрерывной матрице из автомобильной высокопрочной стали срок службы разрывного пуансона с покрытием AlCrN увеличивается со 100 000 до 350 000 ударов.
2,2 Новые смазочные покрытия и самосмазывающиеся технологии
Для штамповки из алюминия или нержавеющей стали адгезивный износ является основным режимом отказа. Покрытия DLC (алмазоподобные) используются в волочильных или гибочных штампах из-за их сверхнизкого коэффициента трения (0.05-0) и хорошей устойчивости к липкости. Однако покрытия DLC имеют высокое внутреннее напряжение и подходят только для применений, где твердость подложки высока, а толщина покрытия составляет менее 1 мкм.
Последним достижением является технологическое применение композитных мягких покрытий MoS2 / графен. Покрытие сочетается с магнетронным распылением и посттермической обработкой для образования самосмазывающейся трансферной пленки, которая все еще может достигать стабильного формирования в условиях безмасляной смазки.
2,3 Лазерная текстурная обработка поверхности формы
Помимо покрытия, микроскопическая топография поверхности формы также напрямую влияет на трибологическое поведение. Наносекундная / фемтосекундная лазерная обработка может создать упорядоченный массив микроуглублений или пазов на поверхности формы, которые могут действовать как масляные резервуары или "ловушки" для улавливания абразивных частиц. В формах глубокой вытяжки лазерное текстурирование обеспечивает более равномерное распределение смазки, снижая давление пробивки на 10-15% и препятствуя дефектам вытягивания волос.
Термическая обработка и криогенная обработка: раскрытие потенциала материалов
3,1 Вакуумная закалка и сортировка отпуска
Окончательная производительность порошковой высокоскоростной стали зависит от процесса термической обработки. Вакуумная закалка газом высокого давления может избежать поверхностного окисления и обезуглероживания, одновременно уменьшая количество деформации. Разумная закалка (трехкратный отпуск, около 550 ° C каждый раз) побуждает остаточный аустенит полностью трансформироваться, осаждаться и рассеивать вторичные карбиды и получать высокую твердость при снятии напряжения закалки.
3,2 Механизм криогенной обработки
Введение криогенной обработки между закалкой и отпуском (погружение в жидкий азот при -196 ° C или охлаждение на стадии газификации) может снизить содержание остаточного аустенита до менее 1%, при этом способствуя дальнейшему осаждению ультрадисперсных карбидов. Экспериментальные данные показывают, что криогенная обработка может повысить износостойкость порошковой высокоскоростной стали на 20-30% и улучшить стабильность размеров примерно на 40%. Для прецизионных прогрессивных штампов криогенная обработка почти стала стандартным процессом.
IV. Механизм сбоев и модель прогнозирования жизни
4,1 Основные режимы отказа штамповочных штампов
Абразивный износ: вызванный твердыми частицами оксида и карбида на поверхности листового металла, обычно встречается на краю перфорации.
Клейкий износ: возникает при отсутствии эффективных условий смазки, материал переносится на поверхность формы.
Усталостные трещины: циклические усталостные трещины тепловой силы появляются в корне пуансона или в закругленных углах матрицы.
Пластическая деформация: Локальное размягчающее или сжимающее напряжение матрицы превышает предел текучести материала, что приводит к разрушению.
4,2 Прогнозирование срока службы на основе термомеханической связи
Традиционная оценка срока службы штампа основана на опыте или простом подсчете хода. Граница текущих исследований заключается в создании модели сопряжения конечных элементов с износом: контактное давление, скорость скольжения и распределение температуры поверхности штампа во время процесса штамповки имитируются программным обеспечением DEFORM или Simufact, а затем модель износа Archard используется для итеративного расчета глубины износа каждого узла. Модель была разработана в формах для автомобильных панелей, и ошибка прогнозирования ≤±15%.
Более продвинутой является цифровая двойная система оповещения о жизни. Термопары и датчики акустической эмиссии встроены в настоящую форму, в режиме реального времени собираются сигналы температуры и вибрации и вводятся в обученную сеть глубокого обучения для обновления оставшейся жизни в режиме онлайн.
Онлайн-мониторинг износа и интеллектуальное техническое обслуживание
5,1 Технология обнаружения акустической эмиссии и вибрации
Во время высокоскоростного процесса штамповки рост микротрещин пресс-формы или отслаивание покрытий будут стимулировать сигналы высокочастотной акустической эмиссии. Датчики акустической эмиссии могут быть установлены рядом с нижним держателем штампа или пуансоном для определения типа и тяжести износа с помощью характерного частотного анализа. С помощью анализа спектра вибрации (изменения энергии в основных полосах частот) может быть достигнуто раннее предупреждение об износе.
5,2 Онлайн-оценка машинного зрения
Микропромышленная камера используется для съемки пуансона на отходной или пустой ступенчатой станции непрерывного режима. С помощью алгоритмов сегментации изображений и обнаружения краев можно количественно оценить износ краев (с точностью 5 мкм) и сравнить со стандартным шаблоном, можно запустить автоматическое отключение или напоминания об изменении формы.
VI. Заключение: комплексное будущее технологии пресс-форм
Прецизионные штамповочные штампы эволюционируют от простых "инструментов" до сложных систем, интегрирующих материаловедение, поверхностную инженерию, сенсорные технологии и интеллектуальные алгоритмы. Будущие прорывы заключаются в: цифровом двойнике всего процесса - от выбора материалов, термообработки, нанесения покрытия до штамповки, прогнозирования срока службы, данные каждого звена равномерно управляются и возвращаются к дизайну; формы с рабочими характеристиками слоев - благодаря аддитивному производству или технологии местного покрытия одна и та же форма может достичь дифференцированной производительности "высокой износостойкости кромки, высокой вязкости подложки, антиадгезии в круглых углах"; адаптивная смазка с замкнутым контуром - динамически регулировать количество впрыска топлива и тип смазки в соответствии с состоянием износа.
Ожидается, что компании, освоившие технологию полного жизненного цикла пресс-форм, установят непреодолимые технические барьеры на рынках высокого класса, такие как новые энергетические автомобильные электронные разъемы, сердечники микродвигателей и защитные детали из высокопрочной стали.
BQUQ является профессиональным производителем металлической штамповки, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.
