Materiali per stampi ad alte prestazioni e ingegneria delle superfici: superare i limiti di durata e precisione dello stampaggio di precisione
Introduzione: Stampo - Stampaggio processo "core" bordo sporco e corto
Nella pratica ingegneristica dello stampaggio di precisione dei metalli, lo stampo è considerato la "madre dell'industria". L'accuratezza e la durata di una serie di stampi continui o di stampi fini determinano direttamente il costo, la qualità e la stabilità di consegna delle parti stampate. Tuttavia, con l'ampia applicazione di materiali ad alta resistenza (AHSS, lega di titanio, alluminio ad alto contenuto di silicio) e il continuo miglioramento della velocità di battitura, gli acciai per utensili tradizionali (come Cr12MoV, SKD11) e persino l'acciaio ordinario ad alta velocità (M2) sono stati difficili da soddisfare i requisiti ingegneristici di resistenza all'usura, tenacità e resistenza alla fatica allo stesso tempo. Il fallimento precoce dello stampo - in particolare il crollo del punzone, l'usura dello stampo concavo troppo veloce e l'adesione e la trazione dello stampo di disegno - è diventato il collo di bottiglia di qualità e costo più difficile nel settore.
In questo documento, la tecnologia degli stampi ad alte prestazioni viene sistematicamente analizzata da cinque aspetti: ingegneria della microstruttura dei materiali degli stampi, tecnologia avanzata di rivestimento superficiale, trattamento termico e processo di trattamento criogenico, meccanismo di guasto e modello di previsione della vita e monitoraggio online intelligente.
In primo luogo, la transizione intergenerazionale del sistema del materiale dello stampo
1,1 Dall'acciaio per utensili tradizionale all'acciaio ad alta velocità in polvere
Il tradizionale acciaio per stampi a freddo ad alto tenore di carbonio e ad alto tenore di cromo (come D2, Cr12MoV) ha una buona temprabilità e resistenza alla compressione, ma la sua segregazione eutettica del carburo è grave e il carburo grande diventa la fonte di inizio della crepa, con conseguente tenacità insufficiente. Nella timbratura di precisione o nella timbratura ad alta velocità, il bordo del punzone è soggetto a un elevato carico di impatto ciclico, che è soggetto a collasso o frattura.
L'aspetto dell'acciaio ad alta velocità in polvere (PM-HSS) ha capovolto questa situazione. Attraverso la fresatura ad atomizzazione + il processo di pressatura isostatica a caldo, le particelle di carburo vengono raffinate a 2 ~ 4 μm e distribuite uniformemente. I gradi tipici come ASP 2030, S390, S590 hanno una durezza di 66 ~ 70 HRC. Allo stesso tempo, la resistenza alla flessione è aumentata di oltre il 30% rispetto all'acciaio ad alta velocità tradizionale e la tenacità alla frattura K1C è aumentata del 50%. Quando si stampano piastre di acciaio ad alta resistenza con una resistenza alla trazione di ≥800MPa, la durata del punzone dell'acciaio ad alta velocità in polvere può raggiungere 3 ~ 5 volte quella dell'acciaio ad alta velocità ordinario.
1,2 Confini di applicazione del carburo cementato e del cermet
Per le parti microstampate ad alto volume (ad esempio terminali, telai di piombo, telai di piombo IC), il carburo cementato (ad esempio YG15, YG20) è ampiamente utilizzato negli stampi progressivi di ultra precisione grazie alla sua resistenza alla compressione e all'usura estremamente elevate. Tuttavia, il carburo cementato ha una scarsa tenacità e presenta un rischio di frattura fragile in punzoni di piccolo diametro o stampi concavi a parete sottile. Le ceramiche metalliche (a base di TiCN + fase legata al Ni) sono utilizzate come soluzione di compromesso, con elevata durezza (circa 90 HRA) e migliore resistenza all'ossidazione rispetto al carburo cementato, che sono adatti per la tranciatura fine di fogli di acciaio inossidabile.
1,3 Tendenze di ricerca e sviluppo di nuovi acciai per stampi
Negli ultimi anni, l'acciaio ad alta velocità in polvere senza cobalto e nano-precipitation-enhanced l'acciaio per stampi a freddo sono diventati un punto caldo di ricerca e sviluppo. Aggiungendo Nb, V, Ti e altri elementi per formare nitruri di carbonio su scala nanometrica, lo stampo può mantenere l'effetto di indurimento secondario alla temperatura di rinvenimento e la temperatura di rammollimento può essere aumentata a oltre 620 ° C, il che allevia significativamente la diminuzione della durezza superficiale causata dal calore di attrito generato dallo stampaggio ad alta velocità.
In secondo luogo, la tecnologia di ingegneria di superficie: dare lo stampo "armatura esterna"
2,1 Rivestimento PVD: da singolo strato a nano-multistrato
PVD (Physical Vapor Deposition) è attualmente la tecnologia di rivestimento più diffusa per stampi di precisione. La durezza del rivestimento TiN standard è di circa 2300 HV, ma il coefficiente di attrito è elevato; la durezza del rivestimento AlTiN può raggiungere 3300 HV e la stabilità termica è eccellente; mentre la durezza del rivestimento nano-composito (come AlCrN / TiSiN) supera 3500 HV e la temperatura iniziale di resistenza all'ossidazione supera 900 ° C, mostrando eccellenti proprietà anti-adesione durante lo stampaggio di fogli galvanizzati o leghe di alluminio.
Strutture alternate multistrato (ad esempio rivestimento periodico TiN / AlTiN) migliorano significativamente la tenacità alla frattura del rivestimento deviando il percorso di propagazione della cricca attraverso l'interfaccia. Nello stampo continuo dell'acciaio ad alta resistenza per autoveicoli, il punzone a trazione con rivestimento AlCrN aumenta la sua durata da 100.000 colpi a 350.000 colpi.
2,2 Nuovi rivestimenti lubrificanti e tecnologie autolubrificanti
Per lo stampaggio di alluminio o acciaio inossidabile, l'usura adesiva è la principale modalità di guasto. I rivestimenti DLC (tipo diamante) vengono utilizzati negli stampi di trafilatura o piegatura grazie al loro bassissimo coefficiente di attrito (0.05-0) e alla buona resistenza alla virata. Tuttavia, i rivestimenti DLC hanno un elevato stress interno e sono adatti solo per applicazioni in cui la durezza del substrato è elevata e lo spessore del rivestimento è inferiore a 1 μm.
L'ultimo sviluppo è l'applicazione tecnologica dei rivestimenti morbidi compositi MoS2 / graphene. Il rivestimento è combinato con lo sputtering magnetron e il trattamento post-termico per formare un film di trasferimento autolubrificante, che può ancora ottenere una formazione stabile in condizioni di lubrificazione senza olio.
2,3 Lavorazione della struttura laser della superficie dello stampo
Oltre al rivestimento, anche la topografia microscopica della superficie dello stampo influisce direttamente sul comportamento tribologico. L'elaborazione laser a nanosecondi / femtosecondi può creare una serie ordinata di micro-buche o scanalature sulla superficie dello stampo, che possono fungere da serbatoi di olio o "trappole" per intrappolare particelle abrasive. Negli stampi per imbutitura profonda, la testurizzazione laser consente una distribuzione più uniforme del lubrificante, riducendo la pressione di punzonatura dal 10% al 15% e inibendo i difetti di trazione dei capelli.
Trattamento termico e trattamento criogenico: liberare il potenziale dei materiali
3,1 Tempra sotto vuoto e tempera di classificazione
Le prestazioni finali dell'acciaio ad alta velocità in polvere dipendono dal processo di trattamento termico. La tempra a gas ad alta pressione sotto vuoto può evitare l'ossidazione superficiale e la decarburazione, riducendo al contempo la quantità di deformazione. La tempra di classificazione ragionevole (tre volte la tempra, circa 550 ° C ogni volta) induce l'austenite residua a trasformarsi completamente, precipitare e disperdere i carburi secondari e ottenere un'elevata durezza rilasciando lo stress di tempra.
3,2 Il meccanismo del trattamento criogenico
L'introduzione del trattamento criogenico tra la tempra e il rinvenimento (immersione in azoto liquido a -196 ° C o raffreddamento nella fase di gassificazione) può ridurre il contenuto di austenite residua a meno dell '1%, promuovendo al contempo l'ulteriore precipitazione di carburi ultrafini. I dati sperimentali mostrano che il trattamento criogenico può aumentare la resistenza all'usura dell'acciaio ad alta velocità in polvere dal 20% al 30% e migliorare la stabilità dimensionale di circa il 40%. Per gli stampi progressivi di precisione, il trattamento criogenico è diventato quasi un processo standard.
IV. Meccanismo di guasto e modello di previsione della vita
4,1 Principali modalità di guasto degli stampi
Usura abrasiva: causata da particelle dure di ossido e carburo sulla superficie della lamiera, comunemente presenti sul bordo del punzone.
Usura adesiva: si verifica in assenza di condizioni di lubrificazione efficaci, il materiale viene trasferito sulla superficie dello stampo.
Cracking da fatica: le cricche da fatica cicliche a forza termica appaiono alla radice del punzone o agli angoli arrotondati dello stampo.
Deformazione plastica: lo sforzo di rammollimento o di compressione locale dello stampo supera il carico di snervamento del materiale, con conseguente collasso.
4,2 Previsione della vita basata sull'accoppiamento termo-meccanico
La valutazione tradizionale della vita dello stampo si basa sull'esperienza o sul semplice conteggio della corsa. L'attuale frontiera della ricerca è stabilire un modello di accoppiamento elemento finito-usura: la pressione di contatto, la velocità di scorrimento e la distribuzione della temperatura della superficie dello stampo durante il processo di stampaggio sono simulate dal software DEFORM o Simufact, quindi il modello di usura Archard viene utilizzato per calcolare iterativamente la profondità di usura di ciascun nodo. Il modello è stato progettato in stampi per pannelli automobilistici e l'errore di previsione è ≤±15%.
Più avanzato è il sistema di allarme vita digitale a doppio comando. Le termocoppie e i sensori di emissione acustica sono incorporati nello stampo reale, i segnali di temperatura e vibrazione in tempo reale vengono raccolti e inseriti nella rete di apprendimento profondo addestrata per aggiornare la vita rimanente online.
Monitoraggio online dell'usura e manutenzione intelligente
5,1 Emissione acustica e tecnologia di rilevamento delle vibrazioni
Durante il processo di stampaggio ad alta velocità, la crescita di micro-crepe dello stampo o il peeling dei rivestimenti stimolerà i segnali di emissione acustica ad alta frequenza. I sensori di emissione acustica possono essere installati vicino al supporto dello stampo inferiore o al punzone per determinare il tipo e la gravità dell'usura attraverso l'analisi della frequenza caratteristica. Con l'analisi dello spettro di vibrazione (cambiamenti di energia nelle bande di frequenza principali), è possibile ottenere un allarme precoce dell'usura.
5,2 Valutazione online della visione artificiale
La telecamera micro-industriale viene impiegata per riprendere l'estremità del punzone alla stazione di gradino di scarico o vuota della modalità continua. Utilizzando algoritmi di segmentazione dell'immagine e rilevamento dei bordi, la quantità di usura dei bordi può essere valutata quantitativamente (con una precisione di 5 μm) e confrontata con il modello standard, è possibile attivare promemoria di spegnimento automatico o cambio stampo.
VI. Conclusione: Il futuro integrato della tecnologia degli stampi
Gli stampi di precisione si stanno evolvendo da semplici "strumenti" a sistemi complessi che integrano scienza dei materiali, ingegneria delle superfici, tecnologia di rilevamento e algoritmi intelligenti. Le future scoperte risiedono in: il gemello digitale dell'intero processo - dalla selezione del materiale, al trattamento termico, al rivestimento al servizio di stampaggio, alla previsione della durata, i dati di ogni collegamento vengono gestiti e riportati uniformemente al design; stampi a prestazioni di strato - attraverso la produzione additiva o la tecnologia di rivestimento locale, lo stesso stampo può raggiungere "elevata resistenza all'usura del bordo, elevata tenacità del substrato, anti-adesione dell'angolo tondo" prestazioni differenziate; lubrificazione adattiva a circuito chiuso - regola dinamicamente la quantità di iniezione di carburante e il tipo di lubrificante in base allo stato di usura.
È prevedibile che le aziende che hanno padroneggiato la tecnologia del ciclo di vita completo degli stampi stabiliranno barriere tecniche insormontabili nei mercati di fascia alta come i connettori elettronici automobilistici di nuova energia, i nuclei dei micromotori e le parti di sicurezza in acciaio ad alta resistenza.
BQUQ è un produttore di stampaggio di metalli professionale, ti preghiamo di inviarci disegni e la nostra azienda ti citerà entro 12 ore.
