Цвёрдасць, зносаўстойлівасць і тэрмічная стомленасць: асноўныя дэтэрмінанты даўгавечнасці ліцця пад ціскам
Кампрамісы механічных уласцівасцей: цвёрдасць супраць трываласці пры ліцці пад ціскам з высокім цыклам
Выбар матэрыялаў для формаў для ліцця пад ціскам заключаецца ў тым, каб знайсці тую лепшую кропку паміж цвёрдасцю і трываласцю, над якой інжынеры пастаянна змагаюцца. Калі справа даходзіць да цвёрдасці, вымеранай па шкале Роквелла C (HRC), мы бачылі даныя ASM International яшчэ ў 2023 годзе, якія паказваюць, што больш высокія ўзроўні цвёрдасці могуць знізіць абразіўны знос смол, напоўненых шклом, прыкладна на 40%. Але падштурхніце рэчы занадта моцна да 55 HRC, і гэтыя тонкія дэталі ў форме пачнуць трэскацца пад нагрузкай. З іншага боку, у той час як больш трывалыя матэрыялы не разбураюцца падчас гэтых інтэнсіўных цыклаў ціску, яны, як правіла, хутчэй зношваюцца пры працы з грубымі пластмасамі, такімі як нейлон. Вось дзе інструментальныя сталі, такія як H13, сапраўды блішчаць. Гэтыя сталі трапляюць у зону Златовласкі прыкладна ад 48 да 52 HRC, што азначае, што яны вытрымліваюць сотні тысяч цыклаў пры вытворчасці аўтамабіляў без паломак. Аўтамабільная прамысловасць у значнай ступені абапіраецца на гэты баланс, таму што ніхто не хоча, каб іх вытворчая лінія спынялася з-за паломкі формы.
Механізмы тэрмічнага расколіны ад усталасці пры паўторных цыклах награвання/астуджэння
Хуткія ваганні тэмпературы ад 80°C да 260°C выклікаюць цеплавое напружанне, якое перавышае 700 МПа на паверхнях формы (Таварыства інжынераў па пластмасах, 2024 г.), распаўсюджваючы мікратрэшчыны праз тры фазы:
- Акісленне паверхні ад раскладання палімера
- Дыферэнцыяльнае пашырэнне паміж асноўным і павярхоўным пластамі
- Канцэнтрацыя напружання на вострых кутах
Гэтыя сукупныя пашкоджанні выяўляюцца ў выглядзе «крэкінгу ад вар'яцтва» пасля ~100 тысяч цыклаў пры апрацоўцы сталі P20 ABS. Формы з больш высокай цеплаправоднасцю, такія як берыліевая медзь, зніжаюць цеплавыя градыенты на 35%, затрымліваючы з'яўленне расколін.
Арыенціры прадукцыйнасці канкрэтнага матэрыялу для даўгавечнасці ліцця пад ціскам
Інструментальная сталь (P20, H13, S7): дыяпазоны працягласці жыцця ў залежнасці ад аб'ёму нанясення і тыпу смалы
Пры ліцці пад ціскам у вялікіх аб'ёмах інструментальныя сталі з'яўляюцца выбарам, таму што яны супрацьстаяць зносу з цягам часу. Возьмем, напрыклад, сталь H13, яна можа вытрымаць ад паўмільёна да мільёна вытворчых цыклаў пры працы з цвёрдымі матэрыяламі, такімі як нейлон, напоўнены шклом. Але ўсё мяняецца пры пастаянным уздзеянні цяпла, пры якім прадукцыйнасць H13 значна зніжаецца прыкладна пасля 250 тысяч цыклаў. Для менш патрабавальных работ сталь P20 забяспечвае добрае суадносіны кошту і якасці, вытрымліваючы ад 250 да 500 тысяч цыклаў з больш мяккімі пластмасамі, такімі як поліпрапілен. Калі ўдаратрываласць мае вялікае значэнне, сталь S7 вылучаецца, трымаючыся разам значна больш за 300 тысяч цыклаў нават пры працы з больш цвёрдымі смоламі тэхнічнага ўзроўню. Розніца ў тым, наколькі хутка гэтыя сталі праводзяць цяпло, таксама мае вялікае значэнне. H13 пры 24,6 Вт на метр па шкале Кельвіна астывае павольней, чым P20, які мае лепшыя цеплавыя ўласцівасці пры 29,5 Вт/мК. Гэта ўплывае на хуткасць паўторнага выкарыстання прэс-формаў у напружаных вытворчых умовах, дзе кожная секунда на рахунку.
Нетрадыцыйныя варыянты: алюміній і берылій-медзь у малых і сярэдніх аб'ёмах для ліццёвых формаў
Пры стварэнні прататыпаў або запуску вытворчасці менш за 100 000 цыклаў алюмініевыя формы скарачаюць час чакання прыкладна на 60% і зніжаюць выдаткі прыкладна на 45% у параўнанні са сталёвымі варыянтамі. Праблема звязана з адносна мяккай прыродай алюмінія з цвёрдасцю па Віккерсу ад 60 да 100 HV. Гэта азначае, што ён звычайна доўжыцца ўсяго ад 50 да 100 тысяч цыклаў пры працы са звычайнымі пластмасамі, такімі як поліэтылен. Берыліевая медзь запаўняе прастору паміж гэтымі крайнасцямі. Ён праводзіць цяпло з магутнасцю каля 105 Вт на метр па шкале Кельвіна, што ў тры разы лепш, чым звычайная інструментальная сталь, што робіць працэсы фармавання такіх рэчаў, як электронныя корпусы з АБС або полікарбаната, на 10-15% хутчэйшымі. Для вытворцаў медыцынскіх прыбораў, якія выпускаюць сярэднія партыі, берыліевая медзь можа вытрымаць больш за 150 тысяч цыклаў, перш чым спатрэбіцца замена. Але сачыце за хлараванымі смоламі, бо яны, як правіла, выклікаюць расколіны ў матэрыяле з часам.
Хімічныя і экалагічныя фактары, якія паскараюць дэградацыю ліцця пад ціскам
Карозія ад галогенсодержащих смол (напрыклад, ПВХ, FR-PC) і змякчэнне з дапамогай нержавеючай формы або матэрыялаў з пакрыццём
Працуючы з галогенированными смоламі, мы выяўляем, што яны схільныя вылучаць агрэсіўныя рэчывы падчас апрацоўкі. Хлор вылучаецца з матэрыялаў ПВХ, а бром - з вогнеахоўнага полікарбанату (FR-PC). Гэтыя хімічныя рэчывы паскараюць працэс электрахімічнага разбурэння звычайных інструментальных сталей, якія выкарыстоўваюцца ў прамысловасці. Што будзе далей? Пачынаюць з'яўляцца ямкі і эрозія паверхні, што ў канчатковым выніку ўплывае на дакладнасць памераў пасля прыкладна 50 тысяч вытворчых цыклаў. Для барацьбы з гэтай праблемай многія крамы звяртаюцца да варыянтаў з нержавеючай сталі, напрыклад 420SS, з-за ахоўнага пласта аксіду хрому. Іншы падыход прадугледжвае нанясенне такіх пакрыццяў, як нітрыд тытана або нікель-ПТФЭ, абодва з якіх зніжаюць рэакцыйную здольнасць паверхні прыкладна на 85%. Правільная канструкцыя вентыляцыйнага адтуліны таксама мае значэнне, паколькі яна прадухіляе трапленне агрэсіўных газаў унутр формаў. Сітуацыя становіцца яшчэ горшай, калі мы маем справу са шклянымі напоўненымі злучэннямі, дзе ізаляцыя і карозія дзейнічаюць разам разбуральна. Аднак лідэры галіны ўбачылі ўражлівыя вынікі - некаторыя паведамляюць, што тэрмін службы інструмента павялічыўся ў тры разы пры пераходзе на сталі H13 з пакрыццём для буйнамаштабных партый вытворчасці FR-PC, якія працуюць больш за 200 тысяч стрэлаў.
Баланс даўгавечнасці з практычнымі абмежаваннямі ў канструкцыі ліцця пад ціскам
Дамагчыся таго, каб формы для ліцця пад ціскам праслужылі даўжэй, азначае зрабіць некалькі жорсткіх патрабаванняў супраць таго, што на самой справе магчыма ў вытворчасці. Возьмем, напрыклад, сталь H13. Ён выдатна супрацьстаіць зносу падчас серыйнай вытворчасці, але давайце паглядзім праўдзе ў вочы - ніхто не хоча выкладваць больш за 100 тысяч долараў за складаную форму, калі яны збіраюцца зрабіць толькі некалькі сотняў дэталяў. А гэтыя доўгія чаканні? Ад васьмі да дванаццаці тыдняў - гэта назаўсёды, калі вы спрабуеце вывесці прататыпы. Форма дэталі таксама мае значэнне. Калі ёсць хітрыя элементы, такія як падрэзы або драбнюткія дэталі, нам патрэбна спецыяльная сталь, устойлівая да карозіі. Яны каштуюць ад 30% да 50% даражэй звычайных марак сталі. Дызайнеры таксама павінны сачыць за занадта вузкімі характарыстыкамі. Дэталі, для якіх патрэбныя допускі ніжэй ±0,05 мм, проста зношваюцца формы хутчэй без якіх-небудзь рэальных пераваг. Даследаванні паказваюць, што гэтыя строгія спецыфікацыі могуць павялічыць выдаткі на інструменты на 25%, не робячы нічога для рэальнай прадукцыйнасці. Сутнасць? Атрыманне добрай каштоўнасці ад трывалых прэс-формаў пачынаецца з пачатку размовы дызайнераў і вытворцаў. Яны павінны супаставіць матэрыялы з тым, колькі дэталяў будзе зроблена, які тып смалы выкарыстоўваецца і што канкрэтна павінна выконваць частка. Гэта дапамагае ствараць формы, якія вытрымліваюць штодзённае выкарыстанне, не марнуючы грошы і не расцягваючы тэрміны за межы разумнага.
