Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Материалы и инструменты для процесса формования из листа металла
Главная страницаКарта сайтаe-mail

08.11.2012
Материалы и инструменты для процесса формования из листа металла

1. Материал и микроструктура поверхности

1.1. Материал

Наиболее приемлемыми материалами для процессов формования из листа являются нелегированные и легированные стали, легкие сплавы, а также алюминий, медь, титан и их сплавы. Легированные стали включают: стали, легированные фосфором, стали, подвергнутые специальной термообработке для увеличения твердости, хромистые ферритовые стали, хромоникелевые аустенитные стали и микролегированные стали с высоким пределом прочности на разрыв. Для снижения толщины листа металла и, соответственно, веса заготовок используют новые сорта стали холодной и горячей прокатки, такие как двухфазная сталь, пластическая сталь (НПП-сталь) и многофазная сталь.
   Поскольку нелегированные или слаболегированные стали подвержены коррозии, то листы из такого материала покрывают защитным слоем из полимера или другого металла, наносимым электрогальваническим способом или способом горячего погружения. В качестве металлического покрытия чаще всего используют цинк и его сплавы. Цинк и цинк-никелевые покрытия наносят гальваническим способом, пропуская электрический ток через соответствующие растворы солей соляной или серной кислоты. Цинк, цинк-железные и цинк-алюминиевые покрытия наносят методом горячей гальванизации. Для достижения наибольшего смазочного эффекта листы металла иногда фосфатируют. Если фосфатирование производится гальваническим методом, то такой материал называют предварительно фосфатированным.
   В строительной промышленности и производстве строительных материалов обычно используют стали с широкими кристаллическими ячейками, получаемые методом горячей гальванизации, а для повышения коррозионной стойкости подвергаемые дополнительному хромированию, тогда как в автомобильной промышленности используют непассивированные стали с тонкой кристаллической структурой приповерхностного слоя.
   Все большее распространение получают покрытия, формируемые методом обмотки лентой. Такие покрытия не только обладают декоративными свойствами, но и защищают от коррозии. В качестве материалов для таких покрытий используются акрилаты, эпоксиды и полиэфиры. Сначала они применялись в строительной промышленности, например для отделки фасадов, а в последнее время — в автомобильной промышленности. Полимерные пленки, содержащие цинковые порошкообразные красители, улучшают свариваемость, и для обеспечения успешной сварки достаточно пленки толщиной в несколько микрон. Очень часто материалы с нанесенными покрытиями формуются лучше, чем материалы без покрытия. Однако во многих случаях формование становится невозможным не из-за слоя под покрытием, а из-за отшелушивания или растрескивания самого покрытия.

1.2. Микроструктура поверхности

Микроструктура листа стали, полученного методом глубокого выдавливания, оказывает большое влияние на процессы трения во время формования. Необходимо, чтобы достаточное количество смазочного материала было перенесено в зону вытягивания и оставалось там, несмотря на нагрузки и движения штампа относительно заготовки. Кроме того, поверхность должна обладать способностью к восстановлению повреждений, образующихся в результате износа. Чтобы выполнить эти условия, поверхность листа металла специально делают зернистой за счет снятия поверхностного слоя или отжига во время прокатки, в результате чего структура поверхности ролика передается листу металла. Микроструктура поверхности ролика создается различными способами. Одним из них является дробеструйная обработка — обработка поверхности стали высокоскоростным потоком металлической дроби. Структурирование производят и методом электроразрядной шлифовки, осуществляемой за счет разряда между отрицательным электродом — шлифовальным кругом и положительным — заготовкой, отделенными небольшим промежутком. Этими методами создается неравномерная, беспорядочно уплотненная, стохастическая структура поверхности. Для создания определенной и регулярной структуры, получившей название детерминированной, могут применяться также такие методы, как структурирование пучком электронов (ЕВТ), гальваническое осаждение твердых металлов (точное структурирование, Pretex), лазерное структурирование (Lasertex). Структурирование пучком электронов (ЕВТ) осуществляется в вакууме, когда медленно вращающийся ролик подвергается воздействию пучком электронов, пульсирующим через перфорированный трафарет. Высокоэнергетическое воздействие приводит к локальному плавлению металла. На поверхности металла образуются кратеры диаметром около 100 мкм с приподнятыми краями. Если эти кратеры перекрываются, то создается беспорядочная или псевдостохастическая структура. При лазерном структурировании луч лазера в инертном газе фокусируется на поверхность ролика под углом. В этом случае локальное плавление металла также приводит к образованию кратеров с приподнятыми краями.
   Целью этих методов является создание такой поверхности листа металла, на которой было бы максимально возможное количество «карманов» для удержания смазочных материалов. В результате контактного напряжения во время прессования поверхность частично выравнивается, и «лунки» изолируются друг от друга. Доля объема изолированных пустот, образующих гидростатические «карманы» со смазочным маслом, разделяющими заготовку и штамп, является важным фактором в процессе выдавливания из листа металла.
   Для характеристики топографии поверхности листа металла применяют различные методы. Органолептические методы позволяют провести качественную оценку поверхности листа металла. Отражение от металла, а также тонкие царапины видны невооруженным глазом, но произвести их количественную оценку крайне затруднительно. Можно ожидать одинаковых результатов при формовании из листов с сопоставимыми типами поверхности. Количественная оценка процессов необходима для более точного анализа, в частности, если сравниваются различные методы создания зернистой поверхности. Чаще всего применяют контактный метод сканирования поверхности, при котором топография поверхности регистрируется иглой с алмазным наконечником в виде линии. Создаваемый сигнал обычно фильтруется в соответствии со стандартными методиками для уменьшения геоме¬трических отклонений, вызываемых волнистостью, искажением или короблением исследуемой заготовки. Локально регистрируется также и высота участка. Кроме этого, при описании всей топограммы оценивают такие показатели, как средняя шероховатость Ra, глубина шероховатости Rc и число пиков Рc. Если поверхность измеряется по числу нескольких параллельных линий, то может быть нарисована трехмерная топограмма. В дополнение к механическим методам используются также оптические системы, сканирующие поверхность (например, лазерные сканеры). Двухмерное сканирование контактной поверхности — удобный способ оценки топограмм поверхностей со стохастической структурой, который является стандартной методикой, а трехмерное сканирование применяется для оценки поверхностей с детерминированной структурой. Это позволяет зарегистрировать количество и расположение «карманов» со смазочным материалом, что дает возможность предсказать поведение листа металла во время формования.

2. Инструменты, применяемые при формовании из листа металла

Трение, износ, а также качество обрабатываемой детали в большой степени зависят от свойств материала, из которого изготовлен инструмент, структуры поверхности и взаимодействие со смазочным материалом. Скорость формования и структура поверхности являются очень важными факторами при создании гидродинамических и гидростатических условий трения. Специальные конструкции инструмента, в частности использование покрытий, облегчают обжатие в местах, где имеется смазочный материал. Когда используются твердые слои, нанесенные ФОП (физическое осаждение паров) или ХОП (химическое осаждение паров), обычные функции смазочного материала передаются этим слоям. Это особенно важно для смазочных материалов с противозадирными свойствами. В настоящее время при производстве инструментов для формования из листа металла, занимающих большой объем, в основном используется серый чугун марки GG 25. Чугун марки GG 25 с отвержденной поверхностью, обогащенной хромом и молибденом, а также марок GGG 60 или GGG 70 применяется в производстве большого количества инструментов. Кроме отверждения поверхности, для создания высоконапряженных поверхностей применяется азотирование. Для специальных целей применяются методы нанесения прочного хромового покрытия, которые, однако, требуют достаточно твердой основы, чтобы обеспечить создание надлежащего адгезионного слоя. Для работы в условиях высокого давления (значительная толщина пластины, высоконапряженная сталь, высокое отношение выдавливания) необходимо, чтобы инструменты из чугуна имели вставки из инструментальной стали с упрочненными поверхностными слоями (например, материалы 1,2379 или 1,2601, подвергнутые отверждению и азотированию или нанесению твердого прочного покрытия).
   Инструменты с упрочненными поверхностными слоями не могут использоваться в производстве деталей для кузовов автомобилей, так как они приведут к образованию видимых неровностей на поверхности материала. В связи с этим для получения высококачественных поверхностей используются только моноблоковые имнструменты. Как в случае стали, так и при выдавливании наружных деталей из алюминия используются моноблоковые инструменты из серого чугуна. Чтобы избежать адгезии, предпочитают применять ровные поверхности со смазочным слоем > 2 мкм. Небольшие инструменты имеют хромированное гальваническое покрытие или покрытие PVD (нитриды хрома и титана). При работе с алюминием слои PVD (физическое отложение паров) предпочтительны по сравнению со слоями CVD (химическое отложение паров).
На рис. 1 показана оптимальная зона  шероховатости Rz для выдавливания с кромками с покрытием TiC—TiN. Дальнейшая оптимизация для образования смазочного слоя осуществляется за счет образования граничных слоев оксидов (TiON— ТiO2).

 

Зависимость коэффициента трения от шероховатости поверхности

Формирование специальной топографии поверхности очень важно для прочных твердых слоев с зернистой поверхностью. Оптимальные степени шероховатости могут быть достигнуты с использованием технологии CVD. Высокие удельные нагрузки на поверхность, сверхтвердые прочные поверхности (шероховатость Rz< 0,1 мкм) приводят к образованию нежелательных и неидеальных пленок смазочного материала. С другой стороны, низкий коэффициент трения достигается при образовании на поверхности металла со степенями шероховатости от 0,5 до 1,5 мкм тонкой когерентной пленки смазочного материала (например, 1-2 г/м2 предварительной смазки без точечного нанесения смазочного материала). На рис. 2 показаны наиболее важные методы обработки поверхности инструментов, используемых при операциях формования, систематизированных в соответствии с устойчивостью к износу и составом базовых металлов.

Методы обработки поверхности инструментов, используемых при операциях формования



Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com