Xử lý nhiệt ảnh hưởng đến thiết kế khuôn ép như thế nào?

Hầu hết các kỹ sư sản phẩm và người mua đều nghĩ đến việc xử lý nhiệt như một công việc mà nhà sản xuất khuôn mẫu xử lý nội bộ - một quy trình xưởng. Trong thực tế, các quyết định được đưa ra trong giai đoạn thiết kế và lập kế hoạch gia công sẽ xác định liệu việc xử lý nhiệt tạo ra hạt dao có thể sử dụng được hay hạt dao bị biến dạng.

Xử lý nhiệt làm thay đổi ba điều trong thép công cụ quan trọng đối với các nhà thiết kế Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi và bất kỳ ai chỉ định một công cụ ép phun chính xác:

độ cứng:Mục tiêu hàng đầu. Anneal H13 có độ cứng khoảng HRC 18–22. Sau khi trải qua quá trình làm cứng và ủ, nó đạt HRC 48–54. Độ cứng này mang lại cho loại công cụ này hoặc bất kỳ công cụ-dài hạn nào khả năng chống mài mòn và tuổi thọ sử dụng - nhưng nó đi kèm với chi phí về kích thước phải được quản lý.

Phân phối lại ứng suất bên trong:Hoạt động gia công tạo ra ứng suất dư vào thép. Xử lý nhiệt - đặc biệt là chu trình tôi - phân phối lại các ứng suất này một cách nhanh chóng, làm cho thép chuyển động. Nếu xuất hiện ứng suất dư đáng kể khi vật liệu chèn đi vào lò, thì sự biến dạng trong quá trình tôi có thể hoàn toàn nằm ngoài dải dung sai của nó.

Thay đổi âm lượng:Thép nở ra khi nó biến đổi từ austenite thành martensite trong quá trình làm nguội. Sự giãn nở thể tích này không đồng đều trên toàn bộ phần chèn nếu hình học không đối xứng, góp phần gây ra sự thay đổi kích thước vi sai.

Một nghiên cứu được công bố trênTạp chí quốc tế về công nghệ sản xuất tiên tiến(2021) đã phát hiện ra rằng các hạt dao khuôn H13 có hình học bất đối xứng và không có khả năng giảm ứng suất-nhiệt- trước khi xử lý cho thấy sự thay đổi kích thước sau khi đông cứng lên tới 0,15 mm trên các mặt tới hạn - cao hơn khoảng ba đến năm lần so với các hạt dao được gia công đối xứng đã trải qua quá trình giảm ứng suất thích hợp. Đối với khuôn có dung sai kích thước của tấm thân là ±0,05mm, sự dịch chuyển độ cứng-của trụ 0,15mm khiến cho miếng chèn không thể sử dụng được.

Thông qua việc làm cứng - Làm nguội và tôi luyện

Thông qua quá trình làm cứng là quá trình xử lý nhiệt tiêu chuẩn cho H13 và các loại thép công cụ gia công nóng-tương tự. Phần đệm được nung nóng đến nhiệt độ austenit hóa (khoảng 1.020–1.040 độ đối với H13), được giữ để cho phép biến đổi hoàn toàn, sau đó được làm nguội bằng khí-trong lò chân không. Sau khi tôi, phần đệm được tôi luyện hai lần ở nhiệt độ 560–600 độ để đạt được độ cứng mục tiêu và giảm ứng suất tôi.

Đây là quy trình đạt được độ cứng cao cần thiết cho-Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi, Khuôn ép nhựa bánh răng động cơ hoặc công cụ đòi hỏi khắt khe tương tự. Nó cũng tạo ra những thay đổi kích thước đáng kể nhất so với bất kỳ quy trình xử lý nhiệt nào, đó là lý do tại sao việc thiết kế cho quá trình đông cứng đòi hỏi phải lập kế hoạch cẩn thận nhất.

Đối với khuôn đồ chơi nhắm mục tiêu 1.500,000+ lần bắn, H13 được làm cứng đến HRC 50–52 là thông số kỹ thuật phù hợp - và trình tự gia công phải tính đến sự thay đổi kích thước sẽ xảy ra trong quá trình làm cứng.

Thấm nitơ - Làm cứng bề mặt với độ biến dạng tối thiểu

Thấm nitơ khuếch tán nitơ vào lớp bề mặt của thép ở nhiệt độ dưới điểm biến đổi (thường là 480–530 độ), tạo ra lớp vỏ cứng dày 0,1–0,3mm mà không bị biến đổi pha trong khối. Do thép không trải qua quá trình thay đổi pha nên chuyển động kích thước trong quá trình thấm nitơ là tối thiểu - thường nhỏ hơn 0,01–0,02mm trên các kích thước tới hạn.

Thấm nitơ có thể được áp dụng cho các loại thép đã được làm cứng trước-(P20 hoặc đã được làm cứng bằng H13) như một phương pháp xử lý bề mặt bổ sung hoặc làm phương pháp làm cứng chính cho một khuôn chạy bằng nhựa ABS hoặc PP không-mài mòn, trong đó không cần phải làm cứng thông qua nhưng cần cải thiện độ cứng bề mặt.

Đối với Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi trong chương trình 500.000–1.000.000 lần chụp bằng nhựa ABS không độn, thấm nitơ khí trên thép nền P20 là một phương pháp-hiệu quả về mặt chi phí giúp kéo dài tuổi thọ bề mặt thêm 50–80% so với P20 - chưa được xử lý với rủi ro biến dạng không đáng kể và không cần phải xây dựng lại trình tự gia công xung quanh mức cho phép xử lý nhiệt.

PVD và lớp phủ bề mặt

Các lớp phủ lắng đọng hơi vật lý (PVD) như TiN (titan nitride) và TiAlN áp dụng lớp phủ cứng 2–8µm cho bề mặt khuôn ở nhiệt độ nền 200–400 độ. Sự thay đổi kích thước là không đáng kể, lớp phủ tăng thêm khả năng chống mài mòn và giảm ma sát, đồng thời nó có thể được áp dụng cho một hạt dao được hoàn thiện hoàn chỉnh, được đánh bóng mà không gây ra bất kỳ hậu quả nào về kích thước.

Lớp phủ PVD đặc biệt hữu ích cho các bề mặt khoang dụng cụ đồ chơi trong đó thép cơ bản (P20 hoặc H13 cứng nhẹ) cung cấp đủ độ bền nhưng bề mặt có thể được hưởng lợi từ khả năng chống mài mòn bổ sung. Đối với nhựa chạy bằng kính chạy bằng khuôn ép bánh răng động cơ-, TiN hoặc TiAlN PVD trên H13 ở HRC 52 mang lại khả năng chống mài mòn tốt nhất hiện có mà không có nguy cơ biến dạng khi xử lý nhiệt bổ sung.

Ủ căng thẳng

Giảm ứng suất là bước chuẩn bị giúp giảm ứng suất dư từ quá trình gia công thô trước khi hạt dao tiến tới quá trình đông cứng. Bộ phận chèn được làm nóng đến khoảng 600–650 độ (dưới nhiệt độ biến đổi), được giữ trong thời gian vừa đủ và làm nguội-chậm.

Giảm ứng suất không phải là tùy chọn đối với các hạt dao dao có khả năng loại bỏ vật liệu đáng kể trong quá trình gia công thô. Bỏ qua nó là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra biến dạng quá mức trong quá trình làm nguội. Khoản đầu tư - thường là $150–$400 cho mỗi bộ hạt dao, cộng với 8–12 giờ nung và thời gian làm nguội - là rất nhỏ so với chi phí loại bỏ hạt dao bị méo mà không giảm được áp lực-.

Trước-Thép đã được làm cứng - Tránh làm cứng hoàn toàn

Đối với các chương trình Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi với khối lượng vừa phải và đối với mọi công cụ-chạy ngắn hoặc nguyên mẫu, thép đã được tôi cứng trước- (P20 ở HRC 30–36, NAK80 ở HRC 40–43) cho phép bỏ qua toàn bộ-bước đông cứng. Mảnh ghép được gia công trực tiếp theo kích thước cuối cùng và sẵn sàng để lắp ráp mà không cần bất kỳ trình tự xử lý nhiệt nào.

Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ biến dạng và giảm đáng kể thời gian sản xuất công cụ ô tô đồ chơi. Sự đánh đổi-là độ cứng thấp hơn và tuổi thọ khuôn ngắn hơn đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe - nhưng đối với khuôn ô tô đồ chơi chạy ABS hoặc PP không chứa nhựa lên tới 500.000 lần chụp, P20 thường hoàn toàn phù hợp và lợi thế về thời gian cũng như chi phí thực sự có giá trị.

Trình tự thực hiện các hoạt động gia công liên quan đến xử lý nhiệt sẽ xác định kết quả chiều cuối cùng. Trình tự-tiêu chuẩn ngành cho việc chèn khoang khuôn ô tô đồ chơi đã được làm cứng hoàn toàn- là:

Bước 1 - Gia công thô:Loại bỏ phần lớn vật liệu khỏi khối thép đã ủ đến dạng cuối cùng trong khoảng 1–3 mm. Ứng suất dư đáng kể được đưa vào.

Bước 2 - Ủ giảm căng thẳng:Đun nóng đến 600–650 độ, giữ, làm nguội chậm. Điều này làm giảm ứng suất dư từ gia công thô mà không làm thay đổi pha thép hoặc độ cứng.

Bước 3 - Gia công bán tinh:Gia công trong phạm vi cho phép gia công tinh - thường là 0,10–0,20mm trên các bề mặt chính xác. Điều này đặt các kích thước-làm cứng trước.

Bước 4 - Thông qua quá trình đông cứng (chân không):Kiểu chèn công cụ này sẽ làm sai lệch ở đây - điều được mong đợi và lên kế hoạch.

Bước 5 - đo CMM:Phần chèn đã được tăng cứng được đo để định lượng kích thước-tăng cường sau thực tế so với kích thước danh nghĩa. Dữ liệu sai lệch cho thợ máy hoàn thiện biết chính xác lượng vật liệu cần loại bỏ trên mỗi bề mặt.

Bước 6 - Hoàn tất gia công:Phay cứng, mài hoặc EDM đưa tất cả các kích thước quan trọng đến dung sai cuối cùng. Đối với các tính năng chính xác chẳng hạn như cấu hình răng bánh răng trong Khuôn ép bánh răng động cơ hoặc các tính năng lắp khớp-chính xác trong Khuôn ép vỏ chuột, dây EDM sau khi đông cứng là phương pháp tiêu chuẩn - nó không bị ảnh hưởng bởi độ cứng của thép và thường xuyên đạt được ±0,005–0,010mm.

Bước 7 - Đánh bóng:Đối với các bề mặt thẩm mỹ trong Khuôn ép vỏ chuột hoặc Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi, việc đánh bóng tuân theo tất cả các thao tác gia công.

Việc bỏ qua bước giảm ứng suất hoặc đo CMM sau khi đông cứng sẽ làm tăng nguy cơ biến dạng trong phần chèn khuôn và loại bỏ thông tin cần thiết để lập kế hoạch hoàn thiện cuối cùng một cách chính xác.

Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi

Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi chạy ABS hoặc PP ở tốc độ 500.000–2.000.000 bức ảnh có hai phương pháp xử lý nhiệt khả thi tùy thuộc vào mục tiêu vòng đời sản xuất:

P20 với quá trình thấm nitơ khí:Gia công chi tiết khuôn đồ chơi theo kích thước cuối cùng ở P20, sau đó tạo khí nitrua. Độ méo tối thiểu (dưới 0,02mm). Độ cứng bề mặt trong trường hợp nitrided tương đương với HRC 58–68 đối với lớp bề mặt mỏng. Cách tiếp cận này có hiệu quả về mặt chi phí và thiết thực đối với các chương trình khuôn như vậy nhắm mục tiêu 500.000–1.000.000 bức ảnh bằng vật liệu không{13} mài mòn.

H13 đã cứng lại:Đối với Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi nhắm mục tiêu 1.500,000+ lần bắn hoặc chạy ở nhiệt độ khuôn cao với tốc độ chu kỳ cao hơn, H13 được làm cứng đến HRC 50–52 mang lại độ cứng khối và khả năng chống mỏi vượt trội. Phải tuân theo trình tự gia công đầy đủ được mô tả ở trên.

Khuôn ép bánh răng động cơ

Khuôn ép bánh răng động cơ dành cho các ứng dụng chính xác hầu như đều yêu cầu phải qua quá trình đông cứng. Dung sai biên dạng răng (±0,02–0,05 mm) và yêu cầu về độ mài mòn của nhựa kỹ thuật chứa đầy thủy tinh- đều yêu cầu khoang được làm cứng hoàn toàn ở HRC 50–54.

Trình tự gia công chính xác rất quan trọng đối với Khuôn ép bánh răng động cơ: biên dạng răng được cắt thô-trước khi đông cứng, hạt dao được làm cứng, được đo trên CMM và biên dạng răng cuối cùng đạt được bằng cách mài biên dạng hoặc gia công tinh EDM trên các sườn răng. Dây EDM sau khi đông cứng là quy trình hoàn thiện tiêu chuẩn cho Khuôn ép bánh răng động cơ - nó đạt được độ chính xác về kích thước cần thiết mà không bị ảnh hưởng bởi độ cứng của thép.

Khuôn ép vỏ chuột

Đối với Khuôn ép vỏ chuột sử dụng NAK80 (HRC 40–43 đã được làm cứng trước{1}}), không cần phải làm cứng hoàn toàn. Mảnh dao được gia công theo kích thước cuối cùng và được đánh bóng trực tiếp, không có nguy cơ biến dạng do xử lý nhiệt. Trong trường hợp H13 được chỉ định cho Khuôn ép vỏ chuột có khối lượng-cao hơn, trình tự tiêu chuẩn sẽ áp dụng - nhưng để đạt được độ hoàn thiện gương cao đòi hỏi phải có thêm thời gian và kỹ năng đánh bóng trên H13 đã được tôi cứng so với NAK80.

Tạp chí quốc tế về công nghệ sản xuất tiên tiến(2021): Các hạt dao được gia công với toàn bộ phần thô → giảm ứng suất → bán-hoàn thiện → cứng → hoàn thiện cho thấy sau quá trình gia công{2}}độ lệch kích thước sau khi tôi cứng là 0,032mm, so với 0,118mm đối với các hạt dao không có bước giảm ứng suất - mức giảm 73% chỉ nhờ vào quá trình ủ giảm ứng suất.

Mặc(2020): Bề mặt khuôn P20 được thấm nitơ cho thấy tỷ lệ mài mòn thấp hơn 68% so với P20 chưa được xử lý dưới phần tiếp xúc ép phun ABS mô phỏng - cho thấy có thể kéo dài tuổi thọ đáng kể bằng cách thấm nitơ một công cụ đồ chơi mà không cần đông cứng hoàn toàn.

SPE (2022): Xử lý nhiệt chân không tạo ra độ biến dạng trung bình ít hơn 42% so với tôi bằng dầu đối với hạt dao H13 tương đương -, xác nhận lợi thế về chất lượng kích thước của xử lý chân không.

Công nghệ bề mặt và lớp phủ(2021): H13 được phủ TiN PVD-có tỷ lệ mài mòn thấp hơn 71% so với H13 không tráng phủ dưới lớp tiếp xúc PA66 chứa đầy kính-, xác nhận khả năng bảo vệ bổ sung mà lớp phủ cung cấp cho khoang Khuôn ép bánh răng động cơ chạy nhựa mài mòn.
 

Một nhà sản xuất đồ chơi ở Trung Quốc đang sản xuất một dòng xe đồ chơi ABS mới. Chương trình bao gồm sáu khuôn: hai khuôn vỏ công cụ, hai công cụ khung và hai khuôn thành phần nhỏ. Mục tiêu sản xuất là 800.000 bộ hoàn chỉnh mỗi năm trong vòng 4 năm - khoảng 3.200.000 bức ảnh cho mỗi công cụ ô tô đồ chơi trong toàn bộ chương trình.

Ước tính chi phí ban đầu khi sử dụng P20 mà không xử lý nhiệt cho cả sáu khuôn cho thấy rằng các miếng đệm trong hai vỏ thân dụng cụ Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi sẽ cần thay thế với khoảng 600.000 lần chụp - nghĩa là ba bộ thay thế cho mỗi khuôn ô tô đồ chơi trong suốt chương trình bốn{4}}năm. Tổng chi phí thay thế hạt dao trên tất cả các dụng cụ vỏ thân khuôn này: 24.000 USD.

Sunhingstones đã đề xuất một phương pháp thay thế cho các dụng cụ Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi hai thân: khoang H13 và hạt dao lõi, được làm cứng đến HRC 50–52 bằng cách sử dụng xử lý nhiệt chân không, sau quá trình xử lý nhiệt chân không thô → giảm ứng suất → hoàn thiện bán- → làm cứng → đo CMM → trình tự hoàn thiện. Bốn khuôn nhỏ hơn giữ lại P20 bằng phương pháp thấm nitơ bằng khí.

Chi phí cao hơn cho hạt dao H13 cho hai công cụ vỏ thân hạt dao là 3.400 USD trên mức tương đương P20. Khoảng thời gian tân trang dự kiến ​​được kéo dài từ 600.000 lên 1.500,000+ lần chụp - loại bỏ việc thay thế hạt dao trong chương trình{11}}năm 4 dành cho những công cụ này.

Tiết kiệm ròng: khoảng $8.200 khi tránh thay thế hạt dao trừ đi $3.400 khoản đầu tư bổ sung vào dụng cụ =Tiết kiệm ròng $4,800trong suốt chương trình bốn năm{0}}, đồng thời tránh được thời gian ngừng sản xuất.

Sau{0}}kiểm tra kích thước sau khi đủ tiêu chuẩn của các chi tiết chèn khuôn sản xuất đồ chơi H13 đã xác nhận tất cả các kích thước quan trọng trong phạm vi ±0,015 mm so với danh nghĩa sau chuỗi đầy đủ - trong dung sai in ±0,05 mm.

Sự biến dạng xử lý nhiệt trong Khuôn ép nhựa ô tô đồ chơi, Khuôn ép bánh răng động cơ hoặc bất kỳ dụng cụ phun chính xác nào đều có thể dự đoán và quản lý được khi nó được thiết kế ngay từ đầu. Những người chế tạo khuôn xử lý tốt nó là những người tính đến nó trong trình tự gia công: đưa ra các mức cho phép phù hợp, bao gồm giảm ứng suất, xác định độ cứng chân không và đo lường trước khi hoàn thiện. Những người coi nó như một sự suy nghĩ lại là những người cuối cùng phải làm lại đắt tiền - hoặc một phần chèn bị loại bỏ.

Tại Sunhingstones, lập kế hoạch xử lý nhiệt là một phần trong quy trình kỹ thuật tiêu chuẩn của chúng tôi cho mọi loại khuôn, khuôn ép vỏ chuột và khuôn ép bánh răng động cơ này. Chúng tôi ghi lại thông số kỹ thuật của thép, mục tiêu độ cứng, trình tự gia công và phương pháp hoàn thiện trước khi bắt đầu cắt bất kỳ - nào nên kết quả sau khi xử lý nhiệt là kết quả được kiểm soát, không có gì đáng ngạc nhiên.

Liên hệ ngay

Roberts, GA và cộng sự.Thép công cụ, Phiên bản thứ 5. ASM Quốc tế, 1998.https://www.asminternational.org/

Uddeholm.Xử lý nhiệt thép công cụ. Ấn phẩm Kỹ thuật, 2021.https://www.uddeholm.com/

Totten, GESổ tay xử lý nhiệt thép, Tái bản lần thứ 2. Nhà xuất bản CRC, 2006.https://www.routledge.com