Ako tepelné spracovanie ovplyvňuje dizajn vstrekovacej formy?

Väčšina produktových inžinierov a kupujúcich považuje tepelné spracovanie za niečo, čo výrobca foriem rieši interne - dielenským procesom. V praxi rozhodnutia urobené vo fáze návrhu a plánovania obrábania určujú, či tepelné spracovanie vytvorí použiteľnú alebo zdeformovanú doštičku.

Tepelné spracovanie mení na nástrojovej oceli tri veci, ktoré sú dôležité pre dizajnérov plastových vstrekovacích foriem a každého, kto špecifikuje presný vstrekovací nástroj:

Tvrdosť:Primárny cieľ. Žíhaný H13 má tvrdosť okolo HRC 18–22. Po kalení a popúšťaní dosahuje HRC 48–54. Táto tvrdosť je to, čo dáva tomuto typu nástroja alebo akémukoľvek dlhodobému -náradiu odolnosť proti opotrebovaniu a životnosť -, ale vyžaduje si rozmerové náklady, ktoré je potrebné riadiť.

Vnútorná redistribúcia stresu:Operácie obrábania vnášajú do ocele zvyškové napätia. Tepelné spracovanie -, najmä cyklus ochladzovania - rýchlo prerozdeľuje tieto napätia, čo spôsobuje pohyb ocele. Ak je prítomné značné zvyškové napätie, keď vložka vstupuje do pece, deformácia počas kalenia môže mať rozmer úplne mimo jej tolerančného pásma.

Zmena hlasitosti:Oceľ expanduje, keď sa počas kalenia premení z austenitu na martenzit. Táto objemová expanzia nie je rovnomerná naprieč vložkou, ak je geometria asymetrická, čo prispieva k rozdielnej zmene rozmerov.

Štúdia publikovaná vInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021) zistili, že vložky formy H13 s asymetrickou geometriou a bez predbežného{2}}tepelného{3}}úpravy odľahčenia napätia vykazovali rozmerové odchýlky po kalení až o 0,15 mm na kritických plochách - zhruba tri až päťkrát väčšie ako symetricky opracované vložky, ktoré prešli náležitým uvoľnením napätia. V prípade formy s rozmerovými toleranciami panela karosérie ±0,05 mm sa vložka v dôsledku posunutia post{9}}vytvrdenia o 0,15 mm stáva nepoužiteľná.

Cez kalenie - Kalenie a temperovanie

Proces kalenia je štandardným tepelným spracovaním pre ocele H13 a podobné-nástrojové ocele na prácu za tepla. Vložka sa zahreje na austenitizačnú teplotu (približne 1 020 – 1 040 stupňov pre H13), udržiava sa, aby sa umožnila úplná transformácia, a potom sa ochladzuje plynom- vo vákuovej peci. Po kalení sa doštička dvakrát popúšťa pri 560–600 stupňoch, aby sa dosiahla cieľová tvrdosť a uvoľnili sa tlaky z kalenia.

Toto je proces, ktorým sa dosahuje vysoká tvrdosť potrebná pre-dlhú životnosť plastovej vstrekovacej formy do autíčka, vstrekovacej formy na motorček alebo podobného náročného nástroja. Spôsobuje tiež najvýznamnejšie zmeny rozmerov akéhokoľvek procesu tepelného spracovania, a preto si navrhovanie pre priebežné kalenie vyžaduje čo najstarostlivejšie plánovanie.

Pre hračkársku formu určenú na 1 500 000+ výstrelov je vhodnou špecifikáciou H13 až kalená na HRC 50–52 - a postupnosť obrábania musí brať do úvahy zmenu rozmerov, ku ktorej dôjde počas kalenia.

Nitridačné - povrchové tvrdenie s minimálnym skreslením

Nitridácia difunduje dusík do povrchovej vrstvy ocele pri teplotách pod bodom transformácie (zvyčajne 480 – 530 stupňov), čím sa vytvorí vrstva tvrdého puzdra s hrúbkou 0,1 – 0,3 mm bez fázovej transformácie v objeme. Pretože oceľ neprechádza fázovou zmenou, pohyb rozmerov počas nitridácie je minimálny - zvyčajne menší ako 0,01–0,02 mm na kritických rozmeroch.

Nitridáciu možno aplikovať na pred-kalené ocele (P20 alebo už -kalené H13) ako doplnkovú povrchovú úpravu alebo ako primárnu metódu kalenia pre takú formu s neabrazívnym ABS alebo PP, kde sa nevyžaduje priebežné kalenie, ale vyžaduje sa určité zlepšenie tvrdosti povrchu.

Pre vstrekovaciu formu do autíčka s programom 500 000 – 1 000 000 výstrelov z neplneného ABS je nitridácia plynu na základnej oceli P20 nákladovo{6}}efektívnym prístupom, ktorý predlžuje životnosť povrchu o 50 – 80 % v porovnaní s neošetreným P20 - so zanedbateľným tepelným spracovaním a rizikom opätovného skreslenia.

PVD a povrchové nátery

Povlaky na fyzikálne naparovanie (PVD), ako je TiN (nitrid titánu) a TiAlN, nanášajú na povrch formy 2–8 µm tvrdý povlak pri teplotách substrátu 200–400 stupňov. Zmena rozmerov je zanedbateľná, povlak zvyšuje odolnosť proti opotrebeniu a znižuje trenie a možno ho aplikovať na úplne dokončenú, leštenú doštičku bez akýchkoľvek rozmerových následkov.

PVD povlaky sú obzvlášť užitočné pre povrchy dutín nástroja na hračky, kde základná oceľ (P20 alebo mierne tvrdená H13) poskytuje primeranú objemovú pevnosť, ale povrch by mohol mať prospech z dodatočnej ochrany proti opotrebovaniu. Pre vstrekovacie formy motorových ozubených kolies-naplnené živicami, TiN alebo TiAlN PVD na H13 pri HRC 52 poskytuje najlepšiu dostupnú odolnosť proti opotrebovaniu bez rizika deformácie dodatočného tepelného spracovania.

Žíhanie na zmiernenie stresu

Uvoľnenie napätia je prípravný krok, ktorý znižuje zvyškové napätia z hrubého obrábania pred tým, ako doštička pristúpi k kaleniu. Vložka sa zahreje na približne 600–650 stupňov (pod transformačnú teplotu), udržiava sa dostatočne dlho a pomaly-ochladzuje.

Odľahčenie napätia nie je voliteľné pre doštičky nástrojov s výrazným úberom materiálu počas hrubého obrábania. Preskočenie je jedinou najčastejšou príčinou nadmerného skreslenia počas zhášania. Investícia - zvyčajne 150 – 400 USD za súpravu vložiek plus 8 – 12 hodín pece a času chladenia - je malá v porovnaní s nákladmi na zošrotovanie zdeformovanej vložky, ktorá sa neodstránila-.

Pred-kalené ocele - Úplne sa vyhýbajte kaleniu

V prípade programov vstrekovania plastov do autíčka pri miernom objeme a pre akékoľvek krátkodobé{0}}nástroje alebo prototypové nástroje umožňujú pred-kalené ocele (P20 pri HRC 30–36, NAK80 pri HRC 40–43) obísť celý krok-kalenia. Vložka je priamo opracovaná na konečné rozmery a je pripravená na montáž bez akejkoľvek sekvencie tepelného spracovania.

Tým sa úplne eliminuje riziko deformácie a výrazne sa skracuje doba prípravy náradia pre autíčka. Kompromisom-je nižšia tvrdosť a kratšia životnosť formy pri náročných aplikáciách -, ale pre formy na autíčka s neplneným ABS alebo PP až do 500 000 výstrelov je P20 často úplne postačujúce a výhoda z hľadiska času a nákladov je skutočne cenná.

Konečný rozmerový výsledok určuje poradie, v ktorom sa obrábacie operácie vykonávajú vo vzťahu k tepelnému spracovaniu. Priemyselná-štandardná sekvencia pre cez-tvrdenú vložku dutiny formy pre autíčko je:

Krok 1 - Hrubé opracovanie:Odstráňte väčšinu materiálu z žíhaného oceľového bloku do 1–3 mm od konečnej formy. Zavádza sa značné zvyškové napätie.

Krok 2 - Žíhanie na zmiernenie stresu:Zahrejte na 600–650 stupňov, podržte, pomaly ochladzujte. Tým sa znižuje zvyškové napätie z hrubého obrábania bez zmeny fázy alebo tvrdosti ocele.

Krok 3 - Polo{1}}dokončenie obrábania:Obrábajte s presnosťou na povrchovú úpravu - zvyčajne 0,10 – 0,20 mm na presných plochách. Tým sa nastavia rozmery pred-kalenia.

Krok 4 - Cez kalenie (vákuum):Tento typ vložky nástroja tu bude deformovať -, čo sa očakáva a plánuje.

Krok 5 - Meranie CMM:Kalená doštička sa meria, aby sa kvantifikovali skutočné rozmery po-kalení v porovnaní s nominálnymi rozmermi. Údaje o odchýlke hovoria konečnému strojníkovi presne, koľko materiálu má odstrániť na každom povrchu.

Krok 6 - Dokončite obrábanie:Tvrdé frézovanie, brúsenie alebo EDM prináša všetky kritické rozmery do konečnej tolerancie. V prípade presných prvkov, ako sú profily zubov ozubených kolies vo vstrekovacej forme motorového ozubeného kolesa, alebo presné zaklapávacie-funkcie vo vstrekovacej forme s škrupinou myši, je štandardným prístupom drôtová EDM po kalení -, nie je ovplyvnená tvrdosťou ocele a bežne dosahuje ±0,005–0,010 mm.

Krok 7 - Leštenie:V prípade kozmetických povrchov vo vstrekovacej forme na myš alebo vo forme na vstrekovanie plastov do auta nasleduje leštenie po všetkých obrábacích operáciách.

Preskočenie kroku uvoľnenia napätia alebo merania CMM po kalení zvyšuje riziko deformácie vložky formy a odstraňuje informácie potrebné na presné plánovanie finálnej úpravy.

Plastová vstrekovacia forma na autíčko

Plastová vstrekovacia forma do autíčka s ABS alebo PP na 500 000 – 2 000 000 výstrelov má dva realizovateľné prístupy tepelného spracovania v závislosti od cieľa životnosti:

P20 s nitridáciou plynom:Opracte vložku formy na hračky na konečné rozmery v P20, potom nitrid plynu. Minimálne skreslenie (pod 0,02 mm). Povrchová tvrdosť v nitridovanom puzdre je ekvivalentná HRC 58–68 pre tenkú povrchovú vrstvu. Tento prístup je nákladovo-efektívny a praktický pre programy takýchto foriem zameraných na 500 000 až 1 000 000 výstrelov s-neabrazívnymi materiálmi.

H13 cez tvrdené:Pre plastovú vstrekovaciu formu do autíčka zameranú na 1 500 000+ výstrelov alebo bežiaci pri zvýšených teplotách formy s vyššou frekvenciou cyklu, H13 až na HRC 50–52 poskytuje vynikajúcu objemovú tvrdosť a odolnosť proti únave. Musí sa dodržať celá postupnosť obrábania opísaná vyššie.

Vstrekovacia forma motora

Vstrekovacia forma motorových ozubených kolies pre presné aplikácie takmer všeobecne vyžaduje vytvrdzovanie. Tolerancie profilu zubov (±0,02–0,05 mm) a požiadavky na opotrebovanie zo sklenených-technických živíc si vyžadujú úplne vytvrdenú dutinu pri HRC 50–54.

Presná postupnosť obrábania je pre vstrekovaciu formu motorových ozubených kolies kritická: profil zuba je pred kalením nahrubo-zrezaný, doštička je kalená, meraná na CMM a konečný profil zuba je dosiahnutý brúsením profilu alebo EDM dokončovaním na bokoch zubov. Drôtové EDM po kalení je štandardným dokončovacím procesom pre vstrekovacie formy motorových ozubených kolies -, ktoré dosahuje potrebnú rozmerovú presnosť bez ovplyvnenia tvrdosťou ocele.

Vstrekovacia forma na myš

V prípade vstrekovacej formy na myši s použitím NAK80 (pred-tvrdená HRC 40–43) nie je potrebné žiadne vytvrdzovanie. Vložka je opracovaná na konečné rozmery a leštená priamo, bez rizika deformácie v dôsledku tepelného spracovania. Tam, kde je H13 špecifikovaný pre vyššie-objemovú vstrekovaciu formu na myš, platí štandardná postupnosť -, ale dosiahnutie vysokého zrkadlového povrchu si vyžaduje dodatočný čas leštenia a zručnosť na tvrdenom H13 v porovnaní s NAK80.

International Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021): Doštičky opracované s úplným zdrsnením → uvoľnenie napätia → polo-dokončenie → kalenie → konečná úprava vykazovali po-rozmerovej odchýlke po kalení v priemere 0,032 mm v porovnaní s 0,118 mm pre doštičky bez kroku uvoľnenia napätia - 73 % zníženie, ktoré možno pripísať výlučne žíhaniu na odľahčenie napätia.

Opotrebenie(2020): Nitridované povrchy foriem P20 vykazovali mieru opotrebovania o 68 % nižšiu ako neošetrené P20 pri simulovanom kontakte vstrekovaním ABS -, čo dokazuje významné predĺženie životnosti dosiahnuteľné nitridáciou hračkárskeho nástroja bez úplného vytvrdnutia.

SPE (2022): Vákuové tepelné spracovanie spôsobilo v priemere o 42 % menšie skreslenie v porovnaní s ochladzovaním oleja pre ekvivalentné vložky H13 -, čo potvrdzuje výhodu vákuovej kvality v oblasti rozmerov.

Technológia povrchov a náterov(2021): H13 s povlakom TiN PVD-vykázal o 71 % nižšiu mieru opotrebenia ako nepotiahnutý H13 pod kontaktom PA66 vyplneným sklom-, čo potvrdzuje dodatočnú ochranu, ktorú povlak poskytuje na dutine vstrekovacej formy motorového ozubeného kolesa s brúsnou živicou.
 

Výrobca hračiek v Číne vyrábal nový rad ABS hračiek. Program pozostával zo šiestich foriem: dvoch nástrojov na karosériu, dvoch nástrojov na podvozky a dvoch foriem na malé komponenty. Cieľová produkcia bola 800 000 kompletných súprav ročne počas štyroch rokov - približne 3 200 000 výstrelov na jedno autíčko v rámci programu.

Počiatočné odhady nákladov s použitím P20 bez tepelného spracovania pre všetkých šesť foriem ukázali, že vložky dutín v dvoch karosériách nástrojov na vstrekovanie plastov do autíčka by si vyžadovali výmenu pri približne 600 000 výstreloch -, čo znamená tri náhradné sady na formy na autíčka počas štvorročného-programu. Celkové náklady na výmenu vložky vo všetkých týchto nástrojoch na karosériu formy: 24 000 USD.

Spoločnosť Sunhingstones odporučila alternatívny prístup pre dve plastové vstrekovacie formy na karosériu pre autíčka: vložky dutín a jadra H13, vytvrdené na HRC 50–52 pomocou vákuového tepelného spracovania, po úplnom zdrsnení → uvoľnenie napätia → polo-dokončenie → vytvrdenie → meranie CMM → poradie dokončenia. Štyri menšie formy si zachovali P20 s plynovou nitridáciou.

Príplatok za vložku H13 za dva nástroje s telesom doštičky bol 3 400 USD nad ekvivalentom P20. Predpokladaný interval renovácie sa predĺžil zo 600 000 na 1 500,000+ záberov -, čím sa eliminovala výmena vložiek v rámci štvorročného{11}}programu pre tieto nástroje.

Čistá úspora: približne 8 200 USD v ušetrenej výmene doštičky mínus 3 400 USD dodatočná investícia do nástrojov =Čistá úspora 4 800 USDpočas štvorročného-programu a navyše sa vyhli prestojom vo výrobe.

Po-kvalifikačnej kontrole rozmerov vložiek do formy na výrobu hračiek H13 sa potvrdili všetky kritické rozmery v rozmedzí ±0,015 mm od nominálnych hodnôt po celej sekvencii - v rámci tolerancie tlače ±0,05 mm.

Deformácia tepelným spracovaním v plastovej vstrekovacej forme pre autíčko, motorovej vstrekovacej forme alebo akomkoľvek precíznom vstrekovacom nástroji je predvídateľná a zvládnuteľná, keď je od začiatku určená. Výrobcovia foriem, ktorí to zvládajú dobre, sú tí, ktorí to zohľadňujú v postupnosti obrábania: ponechanie správnych prídavkov vrátane uvoľnenia napätia, špecifikácie vákuového kalenia a merania pred dokončením. Tí, ktorí to považujú za dodatočný nápad, sú tí, ktorí skončia s drahým prepracovaním - alebo zošrotovanou prílohou.

V Sunhingstones je plánovanie tepelného spracovania súčasťou nášho štandardného inžinierskeho procesu pre každú túto formu, projekt vstrekovacej formy s myšou škrupinou a vstrekovacej formy pre motorové ozubené kolesá. Pred začatím akéhokoľvek rezania dokumentujeme špecifikáciu ocele, cieľovú tvrdosť, postupnosť obrábania a konečnú úpravu -, takže výsledok po tepelnom spracovaní je kontrolovaným výsledkom, nie prekvapením.

Kontaktujte teraz

Roberts, GA a kol.Nástrojové ocele, 5. vydanie. ASM International, 1998.https://www.asminternational.org/

Uddeholm.Tepelné spracovanie nástrojovej ocele. Technická publikácia, 2021.https://www.uddeholm.com/

Totten, GEPríručka tepelného spracovania ocele, 2. vydanie. CRC Press, 2006.https://www.routledge.com