Чому вибір сталі – це-довгострокове рішення, а не деталі закупівлі
Коли інженери думають про aПрес-форма для лиття двигуна, увага зазвичай приділяється геометрії порожнини, схемі охолодження та стратегії вентиляції. Вибір сталі може здатися деталлю, яку потрібно передати виробнику форм. На практиці вибір сталі визначає п’ять речей, які мають значення в усій виробничій програмі:
Термін служби прес-форми -, скільки циклів виконує інструмент, перш ніж знос або втома змушують його відновлювати
Стабільність розмірів під циклічним навантаженням - чи профіль зуба зберігає свою форму під час мільйонів ударів
Стійкість обробки поверхні -, як довго полірована або текстурована поверхня залишається в специфікації
Інтервал технічного обслуговування та вартість - як часто інструмент потребує догляду та скільки коштує кожне втручання
Сумісність із формованим пластиком - незалежно від того, чи стійка сталь до корозії чи хімічного впливу смоли чи її добавок
Прийняття правильного рішення на етапі проектування є одним із найбільш-рентабельних профілактичних кроків. Дослідження 2020 року, опубліковане вЖурнал технології обробки матеріаліввиявили, що невідповідність вибору сталі для прес-форм - головним чином -специфікаціям твердості для абразивних смол - спричинила приблизно 28% незапланованих витрат на інструменти в опитуваній групі з 85 програм виробництва прес-форм. Особливо для прецизійних зубчастих інструментів, де допуски на розміри зубів шестерень є жорсткими, а абразивні матеріали є звичайними, наслідки не-зазначеної сталі є прямими та вимірними.
Основні категорії сталевих форм і для чого вони найкращі
P20 / 718 - Попередньо-загартований, хороша оброблюваність, середній термін служби
P20 — це одна з найпоширеніших сталей для форм у всьому світі, яка постачається попередньо -загартованою приблизно за HRC 30–36. Форму можна обробити безпосередньо до остаточних розмірів без подальшого етапу загартування, що скорочує час виконання та вартість обробки.
Де P20 добре працює:
Інструменти від- до- середнього обсягу, що працюють із не-абразивними термопластами (ABS, PP, PE, нейлон без наповнювача)
Інструмент для прототипів і мостів, де швидка доставка важливіша за максимальний термін служби форми
Великі структурні базові компоненти форми, де твердість не є основною вимогою
Якщо P20 не працює:
Будь-якийПрес-форма для лиття двигуназастосування скло-наповнені або мінеральні-наповнені смоли - твердість недостатня, і зношування починається негайно
Програми великого-обсягу, націлені на 800000+ циклів - Інструменти P20 потребують оновлення задовго до цього моменту
Застосування, що потребують полірованої дзеркальної поверхні - Твердість P20 обмежує досяжний ступінь полірування
Для цього типу форми, що виробляє прецизійні компоненти з PA66 GF30 або подібних наповнених інженерних смол, P20 є просто неправильним матеріалом. Це дасть хороші початкові-зразки, але поступово погіршуватиметься під час виробництва.
H13 - Піддається термічній-обробці, висока твердість, тривалий термін служби
H13 — галузевий стандарт для-форм для лиття під тиском із великими обсягами. Це гаряча-інструментальна сталь, яка піддається грубій-обробці в стані відпалу, а потім -загартована до HRC 48–54 перед остаточною обробкою. H13 — це правильна базова специфікація для будь-якої абразивної інженерної смоли, що обробляє прес-форму для будь-яких компонентів шестерні, при обсязі виробництва понад 500 000 ударів.
Сильні сторони H13:
Висока твердість після-обробки - протистоїть зношуванню скловолокном, мінеральними наповнювачами та подібними абразивними частинками
Відмінна в’язкість для класу твердості - протистоїть втомному розтріскуванню на тонких геометричних деталях, таких як коріння зубів шестерні
Хороша стійкість до термічної втоми - витримує багаторазове нагрівання та охолодження без розтріскування поверхні
Ресурс прес-форми 1000,000+ знімків за правильного обслуговування; часто 2000,000+ для добре-підтримуваного інструменту з високою-твердістю
Обмеження:
Вимагає термічної обробкипісля грубої механічної обробки, додавши 2–4 тижні до часу виконання
Викривлення розмірів під час термічної обробки необхідно передбачити в послідовності обробки
Важче обробляти в затверділому стані - завершальні операції з використанням EDM і шліфування
За своєю суттю не стійкий до-корозії - потребує захисту поверхні у вологому зберіганні
H13 при HRC 50–52 є стандартною специфікацією для інжекційних форм моторних передач, на яких працюють інженерні смоли. Твердість протистоїть зношенню на боках зубів шестерні, де точність розмірів безпосередньо визначає якість сітки, а міцність протистоїть розтріскуванням на тонких ділянках між зубами.
S136 / 420SS - нержавіюча сталь, стійка до корозії-
S136 та подібна нержавіюча сталь для форм (марка 420-, модифікована для використання у формі) забезпечують корозійну стійкість, якої не вистачає стандартній інструментальній сталі. Їх можна термічно обробити до HRC 50–52, поєднуючи корисну твердість із стійкістю до іржі.
Кращі програми:
Обробка ПВХ - газ HCl, що виділяється під час формування, швидко роз’їдає стандартні сталі
Частини, що контактують із- медичними та харчовими продуктами, потребують стерильної поверхні форми
Прозорі оптичні частини, що потребують дзеркального полірування, без окислення поверхні
Вологе робоче середовище, де стандарт H13 вимагає постійної захисної обробки
Для стандартної прес-форми з нейлону або POM, S136, як правило, завищено-з точки зору корозії та збільшує вартість без відповідної вигоди. Це стане правильним вибором, якщо смола є корозійною або робоче середовище дуже вологе.
NAK80 / 2738 - Попередньо-загартована, дзеркальна-полірована
NAK80 – це інструментальна сталь зі сплаву нікелю-алюмінію-міді, що постачається попередньо-загартованою за HRC 40–43. Його відмінною властивістю є здатність до полірування - він досягає дзеркального покриття класу A1 (Ra 0,02 мкм або нижче) легше, ніж P20, без необхідності наскрізного загартування.
Кращі програми:
Корпуси побутової електроніки з косметичною поверхнею преміум-класу (програми для лиття під тиском оболонки миші)
Косметична упаковка та предмети розкоші, де блиск поверхні є основним фактором специфікації
Будь-яка деталь, де обробка поверхні A-потрібно стабільно підтримуватися протягом мільйонів циклів
Форми для лиття під тиском оболонки миші для продукту преміум-класу часто вказують NAK80 для косметичних вставок для порожнин: твердість (HRC 40–43) відповідає не-абразивному АБС-пластику, здатність до полірування краща, ніж у P20, і не потрібна стадія термообробки. Для програм великого-обсягу понад 800 000 знімків H13 пропонує довший термін служби, але вимагає більш кваліфікованої роботи з полірування для досягнення такої самої якості поверхні.
8407 / SKD61 - Преміальний еквівалент H13
8407 (позначення Uddeholm) і SKD61 (японський промисловий стандарт) є еквівалентами класу преміум-стандарту H13, виробляються з вищою чистотою сталі (менша кількість не-металевих включень), кращою в’язкістю при високій твердості та стабільнішою реакцією на термічну обробку на великих поперечних-перерізах.
Для вимогливої прес-форми для лиття під тиском двигуна з цільовим терміном служби понад 2 000 000 ударів або для зубчастої форми з дуже тонкими деталями, які вимагають найкращої доступної міцності при високій твердості, 8407 або SKD61 є відповідним оновленням стандарту H13.
Підбираємо сталь відповідно до вашої програми
Прес-форма для лиття двигуна
Такий інструмент для обробки нейлону зі скло-наповнювачем або PBT з мінеральним-наповнювачем має особливі вимоги, які безпосередньо перетворюються на вимоги до сталі.
Армування скловолокном у таких матеріалах, як PA66 GF30, має високу абразивність - воно поступово руйнує поверхні порожнин, особливо на бокових сторонах зубів шестерні, де точність розмірів визначає якість сітки. Прес-форма для лиття під тиском моторних зубчастих передач із розмірними допусками ±0,02–0,05 мм на профілі зуба не витримує прогресуючого зносу, який зміщує ці розміри після 200 000 циклів.
Правильна специфікація зубчастого інструменту, наповненого абразивними смолами:
Порожнинні та серцеві вставки: H13 при HRC 50–52 мінімум; 8407/SKD61, де робочий ресурс перевищує 2 000 000 пострілів
Обробка поверхні: покриття TiN PVD на поверхнях порожнини зуба для максимального захисту від зношування в -скло-додатках
Основа прес-форми: P20 або еквівалент - основа не має таких же вимог до зносу, як вставки з порожнинами
Вказівка P20 для інжекційної форми двигуна шестерні, яка працює з наповненими інженерними смолами, є задокументованим режимом відмови. Це може виглядати прийнятним протягом перших 100 000 циклів, але дрейф профілю зуба прискорюється з цього моменту і стає проблемою якості виробництва до того, як прес-форма досягне половини свого призначеного терміну служби.
Форма для лиття під тиском оболонки миші
Прес-форма для лиття під тиском корпусу миші, на якій працює ABS або суміш ABS/PC, має принципово інші вимоги, ніж зубчаста форма. АБС є матеріалом із низьким -абразивним стиранням -. Зношування поверхні порожнини відбувається набагато повільніше, ніж із наповненими смолами. Домінуюча вимога – косметична якість поверхні та її-тривале обслуговування.
Для aФорма для лиття під тиском оболонки мишіз найвищими косметичними вимогами NAK80 (попередньо{1}}загартований HRC 40–43) є найпоширенішим відповідним вибором для програм приблизно до 800 000 знімків. Для більш тривалих програм H13 при твердості HRC 48–50 із поліруванням преміум-класу забезпечує кращий термін служби за рахунок більш вимогливої полірувальної роботи.
Форма для лиття пластику для іграшкових автомобілів
Форми для лиття пластику для іграшкових автомобілів зазвичай працюють із ABS або PP - обидва не-абразивні матеріали - у великих обсягах. Правильна сталь залежить насамперед від цільового терміну експлуатації:
До 600 000 знімків: P20 є адекватним і-рентабельним
Від 600 000 до 1 500 000 пострілів: H13 через загартування до HRC 48–52 є відповідним вкладенням
Понад 1 500 000 пострілів: H13 або 8407/SKD61 при HRC 50–54 з азотуванням поверхні або покриттям PVD
багатоФорма для лиття пластику для іграшкових автомобілівоперації використовують P20 для початкових інструментів для нових продуктів, оновлюючи до H13, якщо продукт стане-комерційним успіхом - прагматичний підхід, який уникає надмірних-інвестувань у жорсткі інструменти для невизначених прогнозів обсягів.
Порожнина проти серцевини чи основи форми Чому різні компоненти використовують різні сталі
Виробнича прес-форма для лиття під тиском використовує різні сталі в різних зонах відповідно до фактичних потреб кожної зони:
Cвставки avity та core: прецизійні компоненти, які утворюють деталь. Вони стикаються з найбільшим зносом, потребують найжорсткіших допусків і мають зберігати обробку поверхні. Використовуйте марку, що відповідає застосуванню (H13 для вимогливих програм зубчастих форм; NAK80 для косметичних корпусів; P20 для помірного-не-абразивного інструменту).
Основні плити прес-форми та структурні компоненти: рама, яка утримує форму разом. P20 або еквівалентна попередньо -загартована сталь, як правило, достатня - для цих компонентів не потрібна твердість поверхні або зносостійкість вставок із порожнинами.
Виштовхувачі та повзуни: H13 при HRC 48–52 або спеціальна сталь. Вони стикаються з циклічним механічним навантаженням і контактним зносом на рухомих поверхнях.
Зносостійкі пластини та напрямні втулки: H13 або еквівалент при HRC 50–54 для максимальної стійкості до зношування на поверхнях ковзання.
Використання H13 у всій прес-формі -, включаючи пластини основи прес-форми -, значно збільшує витрати без підвищення продуктивності. Концентрація преміальної сталі там, де це важливо, є правильним підходом.
Проблема абразивного матеріалу
Скло{0}}наповнені смоли спричиняють значно вищий рівень зношування форми, ніж ненаповнені еквіваленти. Опубліковані дані випробувань на знос показують, що скло-наповнені смоли спричиняють приблизно в 10–30 разів більший знос поверхні порожнини порівняно з ненаповненими еквівалентами того самого основного полімеру.
Для будь-якої цієї форми або іншого точного інструменту, призначеного для обробки цих матеріалів:
Вміст скла понад 20%: H13 при HRC 50–54 мінімум; розглянути покриття TiN або TiAlN PVD на поверхнях із найбільшим -зносом (бокові частини зубів шестерні, зони воріт)
Вогнестійкі-матеріали з галогенними добавками: нержавіюча сталь S136 або H13 із корозійно{3}}стійкою поверхнею
Матеріали з мінеральним-наповненням: H13 із твердістю у верхній частині діапазону специфікацій
Прес-форма для лиття під тиском двигуна, яка недооцінює внесок у зношування вмісту наповнювача, потребуватиме заміни вставки з порожниною задовго до її проектного терміну служби - вартість, яка значно перевищує скромну премію за оновлення до відповідної сталі з самого початку.
Опубліковані дослідження продуктивності ливарної сталі
Дослідження вTribology International(2021) порівняли показники зносу P20, H13 (HRC 50) і S136 під час імітації контакту лиття під тиском зі скло-наповненим PA66. H13 показав рівень зносу на 73% нижчий, ніж P20; це безпосередньо означає подовження терміну служби інструменту та зменшення дрейфу розмірів у контексті інструменту.
Дослідження вЖурнал технології обробки матеріалів(2020) виявили, що шорсткість поверхні порожнини зросла в 3 рази швидше в інструментах P20 з GF30 PP порівняно з інструментами H13 за ідентичних умов.
Дані опитування SPE (2021 р.) показали, що передчасне зношування прес-форм через недостатню-твердість сталі є другою найпоширенішою причиною незапланованих витрат на інструмент після неадекватності системи охолодження.
Модернізація сталі на прес-формі двигуна з редуктором, що працює під тиском зі скла-нейлону
Постачальник засобів промислової автоматизації використовував зубчасті механізми в P20 для малих планетарних передач, які використовуються в приводі. Матеріал був PA66 GF30. Після приблизно 180 000 циклів на прецизійній прес-формі, яка була розроблена для 1 200 000, перевірка розмірів показала, що діаметр кроку шестерні збільшився на 0,04 мм - достатньо, щоб вплинути на якість сітки та створити шум.
Перевірка прес-форми підтвердила знос поверхні зуба. Порожнина прес-форми для лиття двигуна редуктора була недостатньою-для вмісту скла в матеріалі.
Компанія Sunhingstones замінила каріозні та стрижневі вставки на H13 з твердістю HRC 52 із покриттям TiN PVD на поверхнях каріозних зубів.
Результати після 500 000 циклів на змінних пластинах: зміна діаметра кроку +0.005 мм - менше 15% зносу P20 за еквівалентних циклів. Передбачалося, що зубчаста форма досягне 1500000+ циклів до відновлення -, що значно перевищить п’ятирічний-ціль програми. Вартість заміни пластини була відшкодована протягом восьми місяців порівняно з траєкторією відновлення оригінального інструменту.
Короткий посібник із вибору сталі
|
застосування |
Марка сталі |
Твердість |
Примітки |
|
Прес-форма для лиття двигуна, абразивна смола |
H13 / 8407 |
HRC 50–54 |
Рекомендовано покриття PVD |
|
прецизійний зубчастий інструмент, ненаповнена смола |
H13 |
HRC 48–52 |
Стандартні специфікації-тривалого терміну служби |
|
Форма для лиття під тиском оболонки миші, косметична поверхня |
NAK80 / 2738 |
HRC 40–43 |
Перевага поліруваності |
|
Форма для лиття під тиском оболонки миші, великий обсяг |
H13 |
HRC 48–50 |
З преміальним поліруванням |
|
Форма для лиття пластику для іграшкових автомобілів,<600k shots |
P20 / 718 |
HRC 30–36 |
Рентабельний{0}}вхід |
|
Toy Car Plastic Injection Mold, >600 тисяч пострілів |
H13 |
HRC 48–52 |
Через загартований |
|
ПВХ або корозійна смола |
S136 / 420SS |
HRC 50–52 |
Стійкість до корозії |
F A Q
Питання: Чи можете ви формувати внутрішні різьби безпосередньо?
A: Так-через відкручування механізмів або складні сердечники.
З: Формована різьба чи вставка-що міцніше?
Відповідь: Вставки зазвичай виграють (часто в 2–3 рази більше витягування/крутного моменту).
З: Що найкраще підходить для-обмеження великого обсягу?
A: Збірні сердечники або відкручування для швидкості та якості.
З: Як усадка та допуски впливають на нитки?
Відповідь: критичний-прототип і точне масштабування сталі.
З: Наслідки вартості?
A: Просте формування найдешевше; складні механізми або вставки збільшують витрати на інструменти/операцію, але забезпечують ефективність і довговічність.
Запитання: чи можна нарізати прес-форму після-?
A: Чудово підходить для прототипів/невеликих обсягів; менш ідеальний для високої-точності чи великого-обсягу через додаткову трудомісткість і варіативність.
З: Яку сталь я маю вказати для нейлонової скло-наповненої нейлоновою формою для лиття під тиском двигуна?
A: H13 при HRC 50–52 є стандартною специфікацією для цього типу смол, наповнених скло-або мінералами-. Твердість P20 (HRC 30–36) недостатня для абразивних матеріалів при будь-якому значному обсязі виробництва. Для програм формування деталей зубчастих передач, націлених на понад 2 000 000 циклів або з високим вмістом скла (понад 30%), 8407 або SKD61 з TiN PVD-покриттям на поверхнях порожнини зуба забезпечує максимальний захист від зношування.
Питання: чи підходить P20 для лиття під тиском двигуна?
A: P20 можна використовувати в контексті прес-форми, лише коли матеріал не наповнений (без армування склом або мінералами), обсяг виробництва становить менше 300 000–400 000 ударів, а допуски на розміри деталей шестерні допускають невелике погіршення поверхні порожнини. Для будь-якої прес-форми для ін’єкцій моторних передач, наповненої інженерними смолами, H13 є правильною специфікацією.
З: Як вибір сталі впливає на вартість такого інструменту?
Відповідь: пластини з порожнинами H13 зазвичай коштують на 25–45% дорожче, ніж еквівалентні пластини P20 для зубчастих інструментів, через термічну обробку, довший час обробки та вищу вартість сировини. Однак інструменти H13 зазвичай служать у 2–4 рази довше в абразивних застосуваннях, що робить амортизовану вартість інструментів H13 за один постріл нижчою, ніж P20 протягом повного терміну експлуатації програми прес-форм для двигунів.
C
я використовую NAK80 для зубчастих форм?
NAK80 (HRC 40–43) можна використовувати для ін’єкційної форми двигуна-редуктора, яка використовує ненаповнені низько-абразивні смоли в помірних обсягах. Його перевага поліруваності порівняно з P20 актуальна, якщо поверхні шестерень мають косметичні вимоги, але для функціональних зубчастих форм, на яких працюють інженерні смоли, вища твердість H13 є більш важливою властивістю.
З: Яка різниця в терміні служби прес-форми між P20 і H13 у застосуванні зубчастих форм?
Відповідь: У цій прес-формі працює конструкційна смола GF30, опубліковані дані про знос і польовий досвід незмінно показують, що H13 досягає в 4–6 разів довшого терміну служби порожнини, ніж P20, до того, як будуть перевищені допуски на розміри деталей шестерні. Точне співвідношення залежить від вмісту скла, температури обробки та конкретної геометрії профілю зуба.
З: Де я можу отримати вказівки щодо специфікацій сталі для нового проекту інструменту?
A: Кваліфікований виробник прес-форм для лиття двигунів має надати офіційні рекомендації щодо специфікацій сталі як частину процесу DFM (Design for Manufacturability) -, включаючи марку, цільову твердість, специфікацію термічної обробки та міркування. Будь-яка відома фабрика з виготовлення зубчастих інструментів матиме задокументований досвід роботи з різними марками сталі для різноманітних матеріалів для шестерень і може посилатися на фактичні результати виробництва.
Визначте правильну сталь до виготовлення інструменту
Вибір сталі для лиття під тиском двигуна шестерні, лиття під тиском корпусу миші чи будь-якого іншого прецизійного інструменту для лиття під тиском — це рішення, яке приймається один раз і з ним живе протягом усього терміну виробництва програми. Під -зазначенням мається на увазі передчасний знос, незапланована реконструкція та перерви у виробництві. Пере-зазначення означає плату за продуктивність, яка не потрібна програмі.
Правильний вибір - H13 для вимогливих,-великих обсягів точних зубчастих форм; NAK80 або P20 для косметичних або помірних{5}}об’ємних робіт - досягається шляхом ретельного аналізу матеріалів, обсягу, вимог до поверхні та цільового терміну служби.
У Sunhingstones специфікація сталі є частиною нашого стандартного процесу DFM для кожної зубчастої форми, прес-форми для миші та пластикової форми для іграшкових автомобілів. Ми документуємо рекомендований клас, твердість, термічну обробку та міркування, щоб клієнти точно розуміли, що вони отримують і чому.
Посилання та додаткова література
1. Робертс, Г. А. та ін. Інструментальні сталі, 5-е видання. ASM International, 1998. https://www.asminternational.org/
2.Chen, X. та ін. "Поведінки зношування формованих сталей P20 і H13 за умов-лиття під тиском PA66". Tribology International, Vol. 158, 2021. https://www.sciencedirect.com/journal/tribology-international
3.Zhang, Y. та ін. "Погіршення поверхні порожнини в поліпропілені, наповненому скло- P20 порівняно з H13." Journal of Materials Processing Technology, Vol. 285, 2020. https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-materials-processing-technolog
