Jak tepelné zpracování ovlivňuje design vstřikovací formy?

Většina produktových inženýrů a kupujících považuje tepelné zpracování za něco, co výrobce forem zajišťuje interně - dílenský proces. V praxi rozhodnutí učiněná ve fázi návrhu a plánování obrábění určují, zda tepelné zpracování vytvoří použitelnou břitovou destičku nebo zkreslenou.

Tepelné zpracování mění u nástrojové oceli tři věci, které jsou důležité pro konstruktéry plastových vstřikovacích forem do autíček a každého, kdo specifikuje přesný vstřikovací nástroj:

Tvrdost:Primární cíl. Žíhaný H13 má tvrdost kolem HRC 18–22. Po kalení a popouštění dosahuje HRC 48–54. Tato tvrdost je to, co tomuto typu nástroje nebo jakémukoli dlouhodobému -nástroji dodává odolnost proti opotřebení a životnost -, ale stojí za rozměrové náklady, které je třeba spravovat.

Vnitřní redistribuce stresu:Obráběcí operace vnášejí do oceli zbytková napětí. Tepelné zpracování -, zejména cyklus kalení - rychle přerozděluje tato napětí, což způsobuje pohyb oceli. Je-li přítomno značné zbytkové napětí, když vložka vstupuje do pece, deformace během kalení může mít rozměr zcela mimo její toleranční pásmo.

Změna hlasitosti:Ocel expanduje, když se během kalení přemění z austenitu na martenzit. Tato objemová expanze není stejnoměrná napříč břitovou destičkou, pokud je geometrie asymetrická, což přispívá k rozdílným rozměrovým změnám.

Studie zveřejněná vInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021) zjistili, že u vložek forem H13 s asymetrickou geometrií a bez předběžného{2}}tepelného{3}}úpravy odlehčení napětí vykazovaly rozměrové odchylky po kalení až o 0,15 mm na kritických plochách - zhruba třikrát až pětkrát vyšší než u symetricky obrobených vložek, které prošly náležitým uvolněním napětí. U formy s rozměrovými tolerancemi panelu karoserie ±0,05 mm činí posun vytvrzení o 0,15 mm post{9}}nepoužitelnou vložku.

Prostřednictvím kalení - Kalení a temperování

Průchozí kalení je standardním tepelným zpracováním pro H13 a podobné nástrojové oceli pro práci za tepla-. Vložka se zahřeje na austenitizační teplotu (přibližně 1 020–1 040 stupňů pro H13), udržuje se, aby se umožnila úplná transformace, a poté se-zchladí ve vakuové peci. Po kalení je břitová destička dvakrát popuštěna na 560–600 stupňů, aby se dosáhlo cílové tvrdosti a uvolnilo se kalicí napětí.

Toto je proces, který dosahuje vysoké tvrdosti potřebné pro dlouhou životnost-plastové vstřikovací formy pro autíčka, vstřikovací formy na ozubení motoru nebo podobného náročného nástroje. Vyvolává také nejvýraznější rozměrové změny jakéhokoli procesu tepelného zpracování, a proto návrh pro průchozí kalení vyžaduje nejpečlivější plánování.

Pro formu na hračky s 1 500000+ výstřely je vhodnou specifikací H13 až kalená na HRC 50–52 - a sekvence obrábění musí zohledňovat rozměrovou změnu, ke které během kalení dojde.

Nitridační - povrchové kalení s minimálním zkreslením

Nitridace difunduje dusík do povrchové vrstvy oceli při teplotách pod bodem transformace (typicky 480–530 stupňů), čímž vznikne vrstva tvrdého pouzdra o tloušťce 0,1–0,3 mm bez fázové transformace v celém objemu. Protože ocel neprochází fázovou změnou, pohyb rozměrů během nitridace je minimální -, typicky menší než 0,01–0,02 mm u kritických rozměrů.

Nitridaci lze aplikovat na před-kalené oceli (P20 nebo již -kalené H13) jako doplňkovou povrchovou úpravu nebo jako primární metodu kalení u takové formy běžící bez-abrazivního ABS nebo PP, kde není vyžadováno průběžné kalení, ale je požadováno určité zlepšení povrchové tvrdosti.

Pro plastové vstřikovací formy pro autíčka s programem 500 000–1 000 000 výstřelů v neplněném ABS je nitridace plynem na základní oceli P20 nákladově{6}}efektivním přístupem, který prodlužuje životnost povrchu o 50–80 % ve srovnání s neošetřeným P20 - se zanedbatelným rizikem tepelného zpracování, aby došlo k přestavbě a bez nutnosti přestavby.

PVD a povrchové nátěry

Povlaky s fyzikálním napařováním (PVD), jako je TiN (nitrid titanu) a TiAlN, nanášejí na povrch formy 2–8 µm tvrdý povlak při teplotách substrátu 200–400 stupňů. Rozměrová změna je zanedbatelná, povlak zvyšuje odolnost proti opotřebení a snižuje tření a lze jej aplikovat na plně dokončenou, leštěnou vložku bez jakýchkoli rozměrových následků.

PVD povlaky jsou zvláště užitečné pro povrchy dutin nástrojů hraček, kde základní ocel (P20 nebo lehce tvrzená H13) poskytuje dostatečnou objemovou pevnost, ale povrch by mohl těžit z dodatečné ochrany proti opotřebení. U vstřikovacích forem pro motorové ozubené kolo-plněné pryskyřicemi ze skla, TiN nebo TiAlN PVD na H13 při HRC 52 poskytuje nejlepší dostupnou odolnost proti opotřebení bez rizika deformace při dodatečném tepelném zpracování.

Žíhání pro úlevu od stresu

Odlehčení pnutí je přípravný krok, který snižuje zbytková napětí z hrubovacího obrábění před tím, než břitová destička přistoupí k kalení. Vložka se zahřeje na přibližně 600–650 stupňů (pod transformační teplotu), udržuje se dostatečně dlouho a pomalu-ochlazuje.

Odlehčení pnutí není volitelné u břitových destiček s výrazným úběrem materiálu při hrubovacím obrábění. Vynechání je jedinou nejčastější příčinou nadměrného zkreslení během zhášení. Investice - obvykle 150–400 USD za sadu vložek plus 8–12 hodin pece a doba chlazení - je malá ve srovnání s náklady na sešrotování zdeformované vložky, která neodstranila-namáhání.

Před-kalené oceli - Úplné vytvrzení

Pro programy vstřikování plastů do autíček při středních objemech a pro jakékoli krátkodobé-nástroje nebo prototypové nástroje umožňují před-kalené oceli (P20 u HRC 30–36, NAK80 u HRC 40–43) obejít celý krok-kalení. Vložka je přímo opracována na konečné rozměry a je připravena k montáži bez jakékoli sekvence tepelného zpracování.

Tím se zcela eliminuje riziko deformace a výrazně se zkracuje doba potřebná k výrobě nářadí pro autíčka. Kompromisem-je nižší tvrdost a kratší životnost forem pro náročné aplikace -, ale pro formy na autíčka s nevyplněným ABS nebo PP až 500 000 ran je P20 často zcela dostačující a výhoda z hlediska času a nákladů je skutečně cenná.

Pořadí, ve kterém se provádějí obráběcí operace vzhledem k tepelnému zpracování, určuje konečný rozměrový výsledek. Průmyslová-standardní sekvence pro průchozí-tvrzenou vložku do formy pro autíčka je:

Krok 1 - Hrubé obrábění:Odstraňte většinu materiálu z žíhaného ocelového bloku na 1–3 mm konečného tvaru. Zavádí se významné zbytkové napětí.

Krok 2 - Žíhání pro uvolnění napětí:Zahřejte na 600–650 stupňů, podržte, pomalu ochlaďte. To snižuje zbytkové napětí z hrubovacího obrábění bez změny fáze nebo tvrdosti oceli.

Krok 3 - Polo{1}}dokončení obrábění:Obrobte v rámci přídavku na dokončení - obvykle 0,10–0,20 mm na přesných plochách. Tím se nastaví rozměry před-kalením.

Krok 4 - Přes kalení (vakuum):Tento typ vložky nástroje zde naruší -, jak se očekává a plánuje.

Krok 5 - měření CMM:Kalená břitová destička se měří, aby se kvantifikovaly skutečné rozměry po-kalení vs. jmenovité. Údaje o odchylce říkají strojníkovi na konečnou úpravu, kolik materiálu má na každém povrchu odstranit.

Krok 6 - Dokončete obrábění:Tvrdé frézování, broušení nebo EDM přináší všechny kritické rozměry do konečné tolerance. U přesných prvků, jako jsou profily zubů ozubených kol ve vstřikovací formě motorových ozubených kol, nebo přesné nacvakávací-funkce ve vstřikovací formě pro myš, je standardním přístupem drát EDM po kalení -, není ovlivněn tvrdostí oceli a běžně dosahuje ±0,005–0,010 mm.

Krok 7 - Leštění:U kosmetických povrchů ve vstřikovací formě pro myš nebo vstřikovací formu na autíčka následuje leštění po všech obráběcích operacích.

Vynechání kroku odlehčení pnutí nebo měření souřadnicového měřicího stroje po kalení zvyšuje riziko deformace vložky formy a odstraňuje informace potřebné k přesnému plánování finální úpravy.

Autíčko Plastová vstřikovací forma

Plastová vstřikovací forma pro autíčka s ABS nebo PP na 500 000–2 000 000 výstřelů má dva životaschopné přístupy tepelného zpracování v závislosti na cílové životnosti:

P20 s nitridací plynem:Opracujte vložku formy na hračky na konečné rozměry v P20, poté nitrid plynu. Minimální zkreslení (pod 0,02 mm). Povrchová tvrdost v nitridovaném pouzdře je ekvivalentní HRC 58–68 pro tenkou povrchovou vrstvu. Tento přístup je nákladově-efektivní a praktický pro takové programy forem, které se zaměřují na 500 000–1 000 000 výstřelů s-neabrazivními materiály.

H13 přes kalené:Pro plastové vstřikovací formy do autíček, které cílí na 1 500000+ výstřelů nebo běží při zvýšených teplotách formy s vyššími cykly, poskytuje H13 průchozí kalení na HRC 50–52 vynikající objemovou tvrdost a odolnost proti únavě. Musí být dodržena celá výše popsaná sekvence obrábění.

Vstřikovací forma motoru

Motorová vstřikovací forma pro přesné aplikace téměř všeobecně vyžaduje průběžné kalení. Tolerance profilu zubu (±0,02–0,05 mm) a požadavky na opotřebení u technických pryskyřic plněných sklem- vyžadují plně vytvrzenou dutinu při HRC 50–54.

Přesná sekvence obrábění je pro vstřikovací formu motorových ozubených kol kritická: profil zubu je před kalením nahrubo-obroben, břitová destička je kalená, měřena na souřadnicovém měřicím stroji a konečného profilu zubu je dosaženo profilovým broušením nebo EDM dokončováním na bocích zubů. Elektroerozivní obrábění drátu po kalení je standardním dokončovacím procesem pro vstřikovací formy motorových ozubených kol -, které dosahuje potřebné rozměrové přesnosti, aniž by bylo ovlivněno tvrdostí oceli.

Vstřikovací forma na myš

U vstřikovacích forem pro myš s použitím NAK80 (před-tvrzené HRC 40–43) není nutné žádné průběžné vytvrzování. Vložka je opracována na konečné rozměry a leštěna přímo, bez rizika deformace v důsledku tepelného zpracování. Tam, kde je H13 specifikován pro vyšší-objemovou vstřikovací formu pro myš, platí standardní sekvence -, ale dosažení vysokého zrcadlového lesku vyžaduje delší dobu leštění a dovednost na tvrzené H13 ve srovnání s NAK80.

International Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021): Břitové destičky obrobené s úplným hrubováním → odstranění pnutí → polo-dokončení → kalení → konečná úprava vykazovaly po-rozměrové odchylce po kalení průměrnou hodnotu 0,032 mm, ve srovnání s 0,118 mm u břitových destiček bez kroku uvolnění pnutí - 73% snížení, které lze připsat pouze žíhání pro odlehčení pnutí.

Nosit(2020): Nitridované povrchy formy P20 vykazovaly míru opotřebení o 68 % nižší než neošetřená P20 při simulovaném kontaktu s ABS vstřikováním -, což prokazuje významné prodloužení životnosti, kterého lze dosáhnout nitridací hračkářského nástroje bez úplného vytvrzení.

SPE (2022): Vakuové tepelné zpracování produkovalo v průměru o 42 % menší zkreslení ve srovnání s kalením olejem u ekvivalentních vložek H13 -, což potvrzuje rozměrovou kvalitu vakuového zpracování.

Technologie povrchů a nátěrů(2021): H13 s povlakem TiN PVD-vykázal o 71 % nižší míru opotřebení než nepotažený H13 pod sklem-vyplněným kontaktem PA66, což potvrzuje dodatečnou ochranu, kterou povlak poskytuje na dutině vstřikovací formy motorového ozubeného kola s brusnou pryskyřicí.
 

Výrobce hraček v Číně vyráběl novou řadu autíček ABS. Program se skládal ze šesti forem: dvě skořepiny karoserie pro nástrojové nástroje, dvě nástroje pro podvozky a dvě formy na malé součásti. Cílová produkce byla 800 000 kompletních sad ročně během čtyř let - přibližně 3 200 000 výstřelů na nástroj pro autíčka v celém programu.

Počáteční odhady nákladů s použitím P20 bez tepelného zpracování pro všech šest forem ukázaly, že vložky dutin ve dvou skořepinových nástrojích pro plastové vstřikovací formy pro autíčka by vyžadovaly výměnu při přibližně 600 000 výstřelech -, což znamená tři sady náhradních dílů na formy pro autíčka v průběhu čtyř-letého programu. Celkové náklady na výměnu břitové destičky u všech těchto nástrojů pro skořepiny těla formy: 24 000 USD.

Společnost Sunhingstones doporučila alternativní přístup pro dvě plastové vstřikovací formy na skořepinu karoserie: vložky dutin a jádra H13, vytvrzené na HRC 50–52 pomocí vakuového tepelného zpracování, po úplném hrubém → odstranění napětí → polo-dokončení → vytvrzení → měření CMM → pořadí dokončení. Čtyři menší formy si zachovaly P20 s plynovou nitridací.

Cena břitové destičky H13 pro dva nástroje s tělesem břitové destičky byla 3 400 USD nad ekvivalentem P20. Předpokládaný interval renovace se prodloužil z 600 000 na 1 500,000+ snímků -, čímž byla eliminována výměna břitových destiček během čtyř-letého programu pro tyto nástroje.

Čistá úspora: přibližně 8 200 USD za ušetřenou výměnu břitové destičky mínus 3 400 USD dodatečné investice do nástrojů =Čistá úspora 4 800 $v průběhu čtyřletého-programu a navíc se zabránilo prostojům ve výrobě.

Po-kvalifikační rozměrová kontrola vložek forem pro výrobu hraček H13 potvrdila všechny kritické rozměry v rozmezí ±0,015 mm od jmenovité hodnoty po celé sekvenci - s tolerancí tisku ±0,05 mm.

Deformace tepelným zpracováním v plastové vstřikovací formě pro autíčka, motorové vstřikovací formě nebo jakémkoli přesném vstřikovacím nástroji je předvídatelná a zvládnutelná, když je pro ně navržena od začátku. Výrobci forem, kteří to zvládají dobře, jsou ti, kteří to zohledňují v sekvenci obrábění: ponechání správných přídavků, včetně odstranění pnutí, specifikace vakuového kalení a měření před dokončením. Ti, kteří to považují za dodatečný nápad, jsou ti, kteří skončí s drahým přepracováním - nebo sešrotovanou přílohou.

Ve společnosti Sunhingstones je plánování tepelného zpracování součástí našeho standardního konstrukčního procesu pro každou tuto formu, vstřikovací formu s myší Shell a vstřikovací formu pro motorové ozubené kolo. Před zahájením jakéhokoli řezání dokumentujeme specifikaci oceli, cílovou tvrdost, sekvenci obrábění a dokončovací přístup -, takže výsledek po tepelném zpracování je kontrolovaným výsledkem, nikoli překvapením.

Kontaktujte nyní

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

Uddeholm.Tepelné zpracování nástrojové oceli. Technická publikace, 2021.https://www.uddeholm.com/

Totten, GEPříručka tepelného zpracování oceli, 2. vydání. CRC Press, 2006.https://www.routledge.com