Штамповочные штампы из карбида вольфрама: преимущества материалов, особенности проектирования и увеличение срока службы инструмента

Почему карбид вольфрама является лучшим материалом для штамповочных штампов

Штамповочные штампы из карбида вольфрама стали эталоном в отрасли для крупносерийной обработки металлов давлением, вырубки, прошивки и прогрессивных штампов, где долговечность инструмента, постоянство размеров и устойчивость к абразивному износу являются непреложными требованиями. Исключительная твердость материала — обычно от 85 до 93 HRA (по шкале Роквелла) в зависимости от марки и содержания связующего — является основной причиной того, что твердосплавные матрицы превосходят традиционные альтернативы из инструментальной стали в 10–50 раз в сложных производственных условиях. Эта необычайная твердость обусловлена ​​кристаллической структурой частиц карбида вольфрама (WC), занимающих второе место после алмаза по шкале Мооса, связанных вместе в матрице металлического кобальта или никеля посредством процесса спекания в жидкой фазе.

Помимо грубой твердости, штампы из карбида вольфрама предлагают комбинацию свойств, которые не может воспроизвести ни один альтернативный материал. Прочность на сжатие цементированного карбида превышает 4000 МПа — примерно в четыре раза больше, чем у инструментальной стали D2, — что позволяет твердосплавным матрицам выдерживать экстремальные контактные напряжения, возникающие во время высокоскоростной штамповки твердых материалов, таких как нержавеющая сталь, пластины из электротехнической стали, медные сплавы и полосы из закаленной пружинной стали. Низкий коэффициент теплового расширения и высокая теплопроводность материала поддерживают стабильность размеров при циклическом нагреве, возникающем при непрерывных операциях высокоскоростного прессования, предотвращая термическое усталостное растрескивание, которое постепенно разрушает инструментальную сталь, штампы при повышенных скоростях хода.

Ключевые свойства карбида вольфрама для изготовления штампов

Производительность штамповочной матрицы из карбида вольфрама в производстве напрямую определяется конкретной маркой выбранного твердого сплава. Марки карбида разрабатываются путем изменения размера зерна карбида вольфрама, типа и процентного содержания металлической связки, а также добавления вторичных карбидов, таких как карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC) или карбид хрома (Cr₃C₂). Каждая из этих переменных создает различный баланс между твердостью, ударной вязкостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Твердость и износостойкость

Твердость – это свойство, которое напрямую связано с износостойкостью при использовании штампов из карбида вольфрама. По мере того как содержание кобальтового связующего уменьшается с 25 мас.% до 3 мас.%, твердость постепенно увеличивается примерно с 85 HRA до 93 HRA. Мелкие и сверхмелкие зерна WC — менее 1 микрона — еще больше повышают твердость за счет уменьшения средней длины свободного пробега между твердыми частицами карбида, что повышает устойчивость к микроабразивному истиранию на режущих кромках и радиусах формования. Для штамповочных штампов, работающих с высокоабразивными материалами, такими как кремниевая сталь, холоднокатаная нержавеющая сталь или прессовки из порошкового металла, ультрамелкозернистые марки с содержанием кобальта 6–10 мас.% обеспечивают оптимальное сочетание высокой твердости и достаточной вязкости разрушения, чтобы противостоять сколам во время нагрузки пресса.

Вязкость разрушения и ударопрочность

Вязкость разрушения (K₁c) измеряет устойчивость материала к распространению трещин при ударе или ударной нагрузке — свойство, которое определяет, будет ли матрица скалываться, трескаться или катастрофически разрушаться при воздействии внезапных перегрузок, сбоев в подаче пресса или двойного удара. Прочность карбида вольфрама увеличивается с содержанием кобальта и варьируется от примерно 8 МПа·м½ при 6 мас.% Co до более 15 МПа·м½ при 20–25 мас.% Co. Для штампов, которые испытывают значительные ударные нагрузки, таких как тяжелые вырубные штампы, работающие с толстым материалом, или прогрессивные штампы со сложной геометрией пуансона, создающие асимметричные силы резания, выбор сплава с более высоким содержанием кобальта важен для предотвращения катастрофического разрушения даже при стоимость некоторой износостойкости. Правильный выбор марки уравновешивает конкурирующие требования к твердости и ударной вязкости, основанные на конкретном профиле напряжений применения.

Прочность на сжатие и модуль упругости

Модуль упругости карбида вольфрама — примерно 550–650 ГПа в зависимости от марки — примерно в три раза выше, чем у инструментальной стали. Эта чрезвычайная жесткость означает, что твердосплавные штамповочные штампы прогибаются гораздо меньше под нагрузкой пресса, чем эквивалентные инструменты из инструментальной стали, что напрямую приводит к более жестким допускам деталей, более согласованным размерам отдельных элементов при работе с прогрессивными штампами и уменьшению колебаний упругости при операциях формовки. Высокая прочность на сжатие предотвращает деформацию поверхности штампа и вдавливание при многократном контакте под высоким давлением, что является основным механизмом смещения размеров в штампах из инструментальной стали, работающих с твердыми полосовыми материалами.

Руководство по выбору марки штампа для штамповки из карбида вольфрама

Выбор правильной марки твердого сплава для штамповки требует соответствия свойств материала конкретному сочетанию материала заготовки, скорости пресса, геометрии штампа и ожидаемого объема производства. В следующей таблице приведены наиболее часто используемые категории марок твердого сплава для штамповки штампов и оптимальные варианты их использования.

Твердые сплавы с никелевой связкой заслуживают особого упоминания для применений, связанных с штамповкой коррозионно-активных материалов полос или там, где компоненты штампов будут подвергаться воздействию агрессивных смазочных материалов и охлаждающих жидкостей. Кобальтовое связующее подвержено избирательному коррозионному воздействию в кислых средах, которое разрушает фазу связующего и вызывает ускоренное шероховатость поверхности. Штамповочные матрицы из карбида вольфрама с никелевой связкой обеспечивают эквивалентную твердость и вязкость кобальтовым маркам, обеспечивая при этом значительно лучшую коррозионную стойкость в этих средах, что делает их предпочтительным выбором для штамповки медицинского оборудования и производства разъемов для электроники, где стандарты чистоты процесса являются строгими.

Типы штампов из карбида вольфрама и их конструкция

Карбид вольфрама применяется при изготовлении штамповочных штампов в нескольких различных формах, каждая из которых подходит для разных масштабов производства, геометрии деталей и экономических соображений. Понимание доступных вариантов конструкции позволяет производителям инструментов и инженерам-технологам оптимизировать как начальную стоимость оснастки, так и общую стоимость детали в течение всего производственного цикла.

Штамповочные штампы из твердого сплава

Штамповочные штампы из цельного карбида вольфрама изготавливаются полностью из цельного куска спеченного карбида. Эта конструкция является стандартной для пуансонов малого диаметра (менее 25 мм), небольших вырубных матриц, прошивных вставок и пуансонов прецизионной формы, где компактная геометрия позволяет полностью удерживать твердый сплав от изгибающих и растягивающих напряжений. Твердосплавные пуансоны для штамповки клемм разъемов, изготовления выводных рамок и производства электрических контактов обычно достигают срока службы, превышающего 50–100 миллионов ударов при работе с тонкими медными и латунными полосами. Основным ограничением цельнотвердосплавной конструкции является хрупкость при изгибающих нагрузках: цельнотвердосплавные пуансоны с высоким соотношением сторон (отношение длины к диаметру более 5:1) подвержены боковому короблению и требуют прецизионных направляющих втулок и минимального зазора между пуансоном и направляющей, чтобы оставаться в безопасных пределах напряжения.

Конструкция матрицы с твердосплавными вставками и термоусадочной посадкой

Для более крупных компонентов штамповочных штампов — заглушек, кнопок штампов, формовочных вставок и протяжных колец — цельнотвердосплавные конструкции становятся непомерно дорогими и непрактичными в производстве и обращении. Стандартным решением является запрессовка или термозапрессовка твердосплавной вставки в стальной фиксатор, обеспечивающий структурную поддержку, амортизацию и механический интерфейс для установки штампа. Посадка с натягом между твердосплавной вставкой и стальной оправкой подвергает твердосплавный сплав остаточному напряжению сжатия, что значительно повышает его устойчивость к растрескиванию при растяжении во время штамповки. Типичные значения натяга для твердосплавных штампов находятся в диапазоне от 0,001 до 0,003 дюйма на дюйм твердосплавного наружного диаметра. Неправильная посадка с натягом — либо недостаточная (приводящая к истиранию и миграции), либо чрезмерная (вызывающая растрескивание под окружным напряжением во время сборки) — является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода из строя твердосплавных пластин в производстве.

Сегментированные твердосплавные прогрессивные матрицы

Сложные прогрессивные штампы для штамповки, которые выполняют несколько операций вырубки, прошивки, гибки и формовки за одну полосу, часто изготавливаются с сегментированными твердосплавными вставками, установленными в прецизионных стальных башмаках матрицы. Каждая станция прогрессивной матрицы включает в себя специальные пары твердосплавных пуансонов и матриц, оптимизированных для конкретной работы этой станции и условий контакта с материалом заготовки. Такой сегментированный подход позволяет заменять отдельные изношенные или поврежденные твердосплавные станции без списания всей матрицы в сборе, а также позволяет использовать различные марки твердого сплава на разных станциях в зависимости от конкретного профиля напряжения каждой станции. Крупносерийные инструменты для прогрессивной штамповки для штамповки электродвигателей, автомобильных разъемов и производства выводных рамок микросхем представляют собой наиболее сложные примеры конструкции прогрессивных штампов из сегментированных твердосплавных сплавов, при этом совокупный объем производства некоторых инструментов превышает один миллиард деталей до капитального ремонта.

Изготовление и шлифовка штампов из карбида вольфрама

Производство штампов из карбида вольфрама требует специального оборудования, инструментов и знаний технологического процесса, что принципиально отличается от производства обычных штампов из инструментальной стали. Чрезвычайная твердость твердого сплава делает невозможным традиционную обработку — все удаление материала должно выполняться с использованием алмазных абразивов или электроэрозионной обработки (EDM), а выбор параметров процесса напрямую определяет конечную производительность штампа.

Алмазное шлифование твердосплавных профилей штампов

Шлифование алмазным кругом является основным методом производства для изготовления плоских поверхностей, цилиндрических профилей и угловых элементов деталей штамповочных штампов из карбида вольфрама. Алмазные круги на связке смолой, керамической или металлической связке выбираются в зависимости от марки шлифуемого твердого сплава и требуемой чистоты поверхности. Критические параметры процесса — скорость круга, скорость подачи заготовки, глубина резания за проход и поток охлаждающей жидкости — должны тщательно контролироваться, чтобы избежать термического повреждения поверхности твердого сплава, которое проявляется в виде микротрещин, остаточных растягивающих напряжений или поверхностного фазового превращения. Поверхностное шлифование твердосплавных пластин требует подачи охлаждающей жидкости, острой правки алмазного круга и легких чистовых проходов с глубиной резания менее 0,005 мм для достижения качества отделки поверхности (Ra менее 0,2 мкм) и допуска на плоскостность, необходимого для прецизионных зазоров вырубной матрицы.

Проволочная электроэрозионная обработка для твердосплавных матриц сложной геометрии

Электроэрозионная обработка проволоки (проволочная электроэрозионная обработка) стала доминирующим методом резки сложных двумерных профилей в матрицах из карбида вольфрама, включая неровные контуры вырубки, прогрессивные отверстия матрицы и прецизионную форму полостей матрицы. Проволочная электроэрозионная обработка удаляет материал путем контролируемой искровой эрозии с использованием латунного или оцинкованного проволочного электрода с непрерывной подачей, что делает его полностью независимым от твердости заготовки. Современные пятиосные системы электроэрозионной обработки позволяют резать твердосплавные детали штампов с допусками на размеры в пределах ±0,002 мм и достигать чистоты поверхности менее Ra 0,3 мкм после чистовой обработки. Важнейшим фактором при электроэрозионной обработке твердого сплава является восстановленный слой — тонкая зона повторного затвердевания материала глубиной примерно 2–10 мкм, содержащая остаточные растягивающие напряжения и микротрещины. Множественные обезжиривающие резы с уменьшением настроек энергии постепенно удаляют слой повторного литья с предыдущих разрезов, и необходимо проверить окончательное качество поверхности электроэрозионной обработки, чтобы гарантировать, что на поверхностях режущей кромки не остается остатков повторной обработки, которые могут служить местами зарождения трещин в производстве.

Притирка и полировка критических поверхностей штампа

После операций шлифования и электроэрозионной обработки режущие кромки, формовочные радиусы и зазорные поверхности штампов из карбида вольфрама обычно обрабатываются алмазной притиркой или полировкой для удаления любых остаточных повреждений при механической обработке и достижения окончательных характеристик качества поверхности. Ручная притирка алмазной пастой на притирах из закаленной стали или чугуна — с использованием постепенно более тонких сплавов от 15 мкм до 1 мкм или ниже — устраняет неровности поверхности и обеспечивает постоянную геометрию кромки, критически важную для качества резки и срока службы штампа. Для высокоточных твердосплавных штампов и штампов для монет необходима окончательная обработка поверхности с толщиной менее Ra 0,05 мкм на формообразующих поверхностях, чтобы обеспечить требуемое качество поверхности детали и минимизировать прилипание материала во время штамповки.

Оптимизация зазора, смазки и настройки пресса для твердосплавных штамповочных штампов

Даже самая высококачественная штамповочная матрица из карбида вольфрама преждевременно выйдет из строя, если она работает с неправильным зазором между пуансоном и штампом, недостаточной смазкой или неправильной настройкой пресса. Эти эксплуатационные параметры оказывают огромное влияние на срок службы матрицы, качество детали и риск катастрофического разрушения твердого сплава во время производства.

Зазор от пуансона до штампа для твердосплавного инструмента

Оптимальный зазор между пуансоном и штампом для вырубных и прошивных матриц из карбида вольфрама обычно меньше, чем у эквивалентных инструментов из инструментальной стали — обычно от 3 до 8 процентов толщины материала на сторону для большинства металлов по сравнению с 8–12 процентами для матриц из инструментальной стали. Более узкие зазоры обеспечиваются превосходной износостойкостью и размерной стабильностью твердого сплава и обеспечивают более чистые поверхности резания с меньшим перекатом, глубиной полировки и углом зоны излома. Однако слишком малый зазор концентрирует силы резания на твердосплавных режущих кромках, ускоряя скалывание кромок и увеличивая риск растрескивания пуансона или матрици. Оптимизация зазора должна быть подтверждена путем проверки качества кромки реза с помощью калиброванного оптического компаратора или сканирующего электронного микроскопа, чтобы подтвердить желаемый угол зоны разрушения и высоту заусенцев, прежде чем переходить к производству.

Требования к смазке

Правильная смазка имеет решающее значение для увеличения срока службы штампа для штамповки из твердого сплава за счет снижения трения на границе раздела пуансон-материал, предотвращения налипания материала (истирания) на поверхности штампа и контроля температуры штампа во время высокоскоростной работы. Для большинства операций прогрессивной штамповки карбидов на стали и полосах из нержавеющей стали достаточное смазывание обеспечивает легковязкое сульфурированное или хлорированное масло для штамповки при экстремальном давлении, наносимое с помощью валкового устройства для нанесения покрытий или системы распыления с контролируемой массой пленки от 0,5 до 2,0 г/м². На медной и латунной полосе необходимы нехлорированные составы для предотвращения коррозионных пятен. Сухие пленочные смазочные материалы, в том числе покрытия из дисульфида молибдена и ПТФЭ, нанесенные на полосу, используются в тех случаях, когда загрязнение штампованных деталей маслом недопустимо, например, при производстве электрического контакта и медицинского оборудования.

Требования прессы к защите твердосплавных штампов

Хрупкость карбида вольфрама при растяжении и изгибе означает, что твердосплавные штамповочные штампы очень чувствительны к несоосности пресса, ошибкам параллельности салазок и смещению от центра нагрузки, которые переносятся инструментами из инструментальной стали. Использование твердосплавных штампов в изношенном или смещенном прессе является одним из самых быстрых способов вызвать преждевременный выход штампа из строя. Пресс, используемый для изготовления твердосплавной оснастки, должен иметь параллельность ползуна к станине в пределах 0,010 мм по всей площади штампа и иметь гидравлическую защиту от перегрузки, установленную на уровне 110–120 процентов расчетного усилия резания, чтобы остановить перемещение пресса в случае неправильной подачи или двойного удара до того, как произойдет катастрофическое повреждение штампа. Быстроразъемные датчики защиты штампа, контролирующие подачу полосы, выброс детали и отклонение защитного штифта штампа, являются стандартным оборудованием на линиях прогрессивных твердосплавных штампов и быстро окупаются за счет предотвращения единичного катастрофического разрушения твердого сплава.

Техническое обслуживание, заточка и восстановление твердосплавных штампов

Одним из существенных экономических преимуществ штампов из карбида вольфрама перед инструментальной сталью является возможность восстановления изношенной оснастки путем прецизионной переточки режущих поверхностей, восстановления остроты режущих кромок и правильной геометрии зазора. Твердосплавную матрицу, обслуживаемую в хорошем состоянии, обычно можно перезатачивать от 20 до 50 раз, прежде чем накопленный съем припуска уменьшит высоту матрицы до уровня ниже минимально допустимой, обеспечивая общий срок службы, во много раз превышающий первоначальный срок службы инструмента между заточками.

• Мониторинг индикаторов износа: Установите протоколы производственного мониторинга, которые отслеживают высоту заусенцев на штампованных деталях, глубину переката режущей кромки и данные о динамике тоннажа пресса как индикаторы прогрессирующего износа матрицы. Начало переточки при первых признаках образования заусенцев, а не до тех пор, пока качество детали не выйдет за пределы спецификации, минимизирует съем материала, необходимый для каждого цикла переточки, и максимизирует общее количество циклов переточки, доступных до того, как матрица достигнет высоты лома.
• Поверхностное шлифование для перешлифовки: Перешлифовка торцевой поверхности твердосплавной матрицы выполняется на прецизионном плоскошлифовальном станке с использованием алмазного тарельчатого круга на связке из смолы или сегментированного алмазного торцевого круга. Минимальный съем припуска за одну заточку должен быть достаточным, чтобы пробить всю зону износа — обычно от 0,05 до 0,15 мм на поверхность — и обнажить свежий, неповрежденный твердосплавный сплав с острыми режущими кромками.
• Хонингование кромок после заточки: Свежешлифованные твердосплавные режущие кромки содержат микростружки и заусенцы, которые сокращают первоначальный срок службы инструмента, если их не устранить до возврата штампа в производство. Легкая контролируемая заточка кромки с использованием мелкозернистого алмаза или камня из нитрида бора — удаление всего 0,005–0,020 мм кромочного материала под постоянным углом — укрепляет геометрию режущей кромки и значительно увеличивает срок службы инструмента после первого удара после переточки.
• Проверка после каждой переточки: После каждого цикла заточки проверяйте все твердосплавные детали под увеличением (минимум 10-кратная лупа, в идеале - микроскоп инструментального мастера) на наличие микротрещин, сколов кромок и неровностей поверхности перед повторной установкой в набор штампов. Трещины в компонентах твердосплавных штампов будут быстро распространяться под производственной нагрузкой и приводить к катастрофическому выходу из строя — их выявление при осмотре предотвращает повреждение пресса и незапланированные простои.
• Повторное покрытие для продления срока службы: Покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), особенно TiN, TiCN, TiAlN и DLC (алмазоподобный углерод), наносимые на твердосплавные поверхности штамповочного пуансона после шлифования, могут увеличить интервалы между переточками в 2–4 раза на абразивных материалах заготовки. Покрытия DLC особенно эффективны при штамповке меди и алюминия, где адгезия материала к поверхности штампа является основным механизмом износа.

Штамповочные штампы из карбида вольфрама и инструментальной стали: прямое сравнение

Выбор между карбидом вольфрама и инструментальной сталью для штамповки штампов предполагает баланс первоначальных инвестиций в инструмент и общей стоимости владения на протяжении всего производственного цикла. Следующее сравнение обеспечивает практическую основу для этого решения по наиболее важным аспектам производительности и экономики.

Экономическая точка пересечения — объем производства, выше которого более низкая стоимость твердого сплава за деталь компенсирует более высокие первоначальные инвестиции в инструмент — обычно находится между 500 000 и 2 миллионами деталей в зависимости от сложности штампа, твердости материала заготовки и интервала переточки, достижимого для каждого материала. Для любой программы штамповки, объем которой, как ожидается, превысит 2 миллиона деталей, анализ совокупной стоимости владения почти всегда отдает предпочтение конструкции штамповочного штампа из карбида вольфрама, а не альтернативам из инструментальной стали.