چگونه عملیات حرارتی بر طراحی قالب تزریق تأثیر می گذارد؟

اکثر مهندسان و خریداران محصول، عملیات حرارتی را چیزی می‌دانند که سازنده قالب در داخل - یک فرآیند کارگاهی انجام می‌دهد. در عمل، تصمیمات اتخاذ شده در مرحله طراحی و برنامه ریزی ماشینکاری، تعیین می کند که آیا عملیات حرارتی یک درج قابل استفاده تولید می کند یا یک اعوجاج.

عملیات حرارتی سه چیز را در فولاد ابزار تغییر می دهد که برای طراحان قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب بازی و هر کسی که ابزار تزریق دقیق را مشخص می کند مهم است:

سختی:هدف اولیه. H13 آنیل شده دارای سختی در حدود HRC 18-22 است. پس از سخت شدن و تمپر شدن به HRC 48-54 می رسد. این سختی چیزی است که به این نوع ابزار یا هر ابزاری که کارکرد طولانی مدت دارد مقاومت سایشی و عمر مفید آن را می دهد - اما هزینه ای ابعادی دارد که باید مدیریت شود.

توزیع مجدد استرس داخلی:عملیات ماشینکاری تنش های پسماند را به فولاد وارد می کند. عملیات حرارتی - به ویژه چرخه خاموشی - این تنش ها را به سرعت توزیع می کند و باعث حرکت فولاد می شود. اگر تنش پسماند قابل توجهی در هنگام ورود اینسرت به کوره وجود داشته باشد، اعوجاج در حین کوئنچ می‌تواند ابعادی خارج از باند تحمل آن را کاملاً بگیرد.

تغییر حجم:فولاد هنگامی که در حین خاموش شدن از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می شود منبسط می شود. اگر هندسه نامتقارن باشد، این انبساط حجمی در سرتاسر درج یکنواخت نیست و به تغییر ابعاد دیفرانسیل کمک می کند.

مطالعه منتشر شده درمجله بین المللی فناوری ساخت پیشرفته(2021) دریافتند که درج‌های قالب H13 با هندسه نامتقارن و بدون تنش‌زدایی قبل از{2}حرارت{3}، پس از سخت شدن تا 0.15 میلی‌متر بر روی سطوح بحرانی - تغییرات ابعادی را نشان دادند، تقریباً سه تا پنج برابر بیشتر از درج‌های متقارن تحت‌تنش تراش خورده‌شده تحت فشار مجدد. برای قالبی با تلورانس ابعادی پانل بدنه ± 0.05 میلی‌متر، یک جابجایی 0.15 میلی‌متری-درج را غیرقابل استفاده می‌کند.

از طریق سخت شدن - Quench and Temper

از طریق سخت شدن، عملیات حرارتی استاندارد برای H13 و فولادهای ابزار کار داغ- مشابه است. درج تا دمای آستنیته (تقریباً 1020-1040 درجه برای H13) گرم می شود تا امکان تبدیل کامل فراهم شود، سپس گاز{8}}در یک کوره خلاء خاموش می شود. پس از کوئنچ، درج دو بار در دمای 560-600 درجه حرارت داده می شود تا به سختی مورد نظر دست یابد و تنش های کوئنچ کاهش یابد.

این فرآیندی است که به سختی بالایی که برای قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی با عمر طولانی-، قالب تزریق موتور دنده یا ابزاری مشابه نیاز دارد، دست می‌یابد. همچنین مهم‌ترین تغییرات ابعادی را در هر فرآیند عملیات حرارتی ایجاد می‌کند، به همین دلیل است که طراحی از طریق سخت‌سازی نیازمند دقیق‌ترین برنامه‌ریزی است.

برای یک قالب اسباب‌بازی که 1500،000+ شات را هدف قرار می‌دهد، H13 از طریق سخت‌شده تا HRC 50–52 مشخصات مناسب - است و ترتیب ماشین‌کاری باید تغییرات ابعادی را که در طول سخت شدن اتفاق می‌افتد، در نظر بگیرد.

نیتریدینگ - سخت شدن سطح با حداقل اعوجاج

نیتروژن، نیتروژن را در لایه سطحی فولاد در دماهای کمتر از نقطه تبدیل (معمولاً 480-530 درجه) پخش می کند و یک لایه محفظه سخت 0.1-0.3 میلی متر بدون تبدیل فاز در حجم تولید می کند. از آنجایی که فولاد دچار تغییر فاز نمی شود، حرکت ابعادی در طول نیتریدینگ حداقل - معمولاً کمتر از 0.01-0.02 میلی متر در ابعاد بحرانی است.

نیترید کردن را می توان برای فولادهای از قبل سخت شده (P20 یا H13 از قبل سخت شده) به عنوان یک عملیات سطحی تکمیلی، یا به عنوان روش سخت شدن اولیه برای چنین قالبی در حال اجرا غیر ساینده ABS یا PP که از طریق سخت شدن لازم نیست، اما مقداری بهبود سختی سطح مورد نیاز است، اعمال شود.

برای قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی با برنامه 500,000 تا 1,000,000 شات در ABS پر نشده، نیتروژن گازی روی فولاد پایه P20 رویکردی مقرون به صرفه است{6}}که طول عمر سطح را 50 تا 80 درصد در مقایسه با P{9}} بدون ذخیره سازی با خطر بازسازی و بدون نیاز به عملیات حرارتی افزایش می‌دهد. کمک هزینه

PVD و پوشش های سطحی

پوشش های رسوب بخار فیزیکی (PVD) مانند TiN (نیترید تیتانیوم) و TiAlN یک پوشش سخت 2 تا 8 میکرومتری روی سطح قالب در دمای زیرلایه 200 تا 400 درجه اعمال می کنند. تغییر ابعاد ناچیز است، پوشش مقاومت به سایش را افزایش می دهد و اصطکاک را کاهش می دهد، و می توان آن را بدون هیچ گونه پیامد بعدی بر روی یک درج کاملاً پرداخت شده و صیقلی اعمال کرد.

پوشش‌های PVD مخصوصاً برای سطوح حفره ابزار اسباب‌بازی که در آن فولاد پایه (P20 یا H13 کمی سخت‌شده) استحکام حجیم کافی را فراهم می‌کند، اما سطح می‌تواند از محافظت بیشتر در برابر سایش بهره‌مند شود. برای رزین‌های پرشده از شیشه‌های قالب تزریق موتور دنده، قلع یا TiAlN PVD در H13 در HRC 52 بهترین مقاومت سایشی موجود را بدون خطر اعوجاج ناشی از عملیات حرارتی اضافی ارائه می‌کند.

بازپخت تسکین استرس

تنش زدایی یک مرحله مقدماتی است که تنش های پسماند ناشی از ماشینکاری ناهموار را قبل از اینکه درج به سخت شدن ادامه دهد، کاهش می دهد. درج تا حدود 600-650 درجه (زیر دمای تبدیل) گرم می شود، برای مدت زمان کافی نگه داشته می شود و به آرامی- خنک می شود.

کاهش تنش برای درج ابزار با حذف قابل توجه مواد در حین ماشینکاری خشن اختیاری نیست. نادیده گرفتن آن تنها شایع ترین علت اعوجاج بیش از حد در حین کوئنچ است. سرمایه‌گذاری - معمولاً 150 تا 400 دلار برای هر مجموعه درج، به اضافه 8 تا 12 ساعت کوره و زمان خنک‌سازی - در مقایسه با هزینه از بین بردن یک درج تحریف شده که استرس را کاهش نداده است، ناچیز است.

اجتناب از فولادهای پیش{0}سخت شده از طریق سخت شدن کامل

برای برنامه‌های قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی در حجم‌های متوسط، و برای هر-اجرای کوتاه یا نمونه اولیه، فولادهای از قبل سخت‌شده (P20 در HRC 30–36، NAK80 در HRC 40–43) اجازه می‌دهند تا کل مراحل سخت‌سازی را دور بزنند. اینسرت مستقیماً تا ابعاد نهایی ماشین کاری شده و بدون هیچ ترتیب عملیات حرارتی آماده مونتاژ است.

این امر خطر اعوجاج را به طور کامل حذف می کند و زمان تحویل ابزار ماشین اسباب بازی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد. مزایا-سختی کمتر و عمر قالب کوتاه‌تر برای برنامه‌های کاربردی است -، اما برای قالب‌های ماشین اسباب‌بازی که ABS یا PP پر نشده تا 500000 شات دارند، P20 اغلب کاملاً کافی است و مزیت زمان و هزینه تولید واقعاً ارزشمند است.

دنباله ای که در آن عملیات ماشینکاری نسبت به عملیات حرارتی انجام می شود، نتیجه بعدی نهایی را تعیین می کند. صنعت-توالی استاندارد برای درج قالب حفره ماشین اسباب بازی سخت شده از طریق-به شرح زیر است:

مرحله 1 - ماشینکاری ناهموار:بخش عمده ای از مواد را از بلوک فولادی آنیل شده تا 1 تا 3 میلی متر از فرم نهایی جدا کنید. تنش پسماند قابل توجهی معرفی شده است.

مرحله 2 - بازپخت تسکین استرس:تا 600-650 درجه حرارت دهید، نگه دارید، آرام سرد کنید. این امر تنش پسماند ناشی از ماشینکاری خشن را بدون تغییر فاز فولادی یا سختی کاهش می دهد.

مرحله 3 - ماشینکاری نیمه تمام-:ماشین تا حد مجاز تکمیل - معمولاً 0.10-0.20 میلی متر در وجه های دقیق. این ابعاد قبل از سخت شدن{4}} را تعیین می کند.

مرحله 4 - از طریق سخت شدن (خلاء):این نوع درج ابزار در اینجا - مورد انتظار و برنامه ریزی شده را تحریف می کند.

مرحله 5 - اندازه گیری CMM:درج سخت شده برای تعیین کمیت ابعاد واقعی پست{0}}در مقابل ابعاد اسمی اندازه گیری می شود. داده‌های انحراف به ماشین‌کار پایان می‌گوید که دقیقاً چه مقدار ماده را روی هر سطح حذف کند.

مرحله 6 - پایان ماشینکاری:فرز سخت، سنگ زنی یا EDM تمام ابعاد حیاتی را به تحمل نهایی می رساند. برای ویژگی‌های دقیق مانند پروفیل‌های دندانه چرخ‌دنده در قالب تزریق موتور دنده، یا ویژگی‌های ضربه‌ای دقیق-در قالب تزریق پوسته موش، EDM سیم پس از سخت شدن روش استاندارد است - تحت تأثیر سختی فولاد قرار نمی‌گیرد و به 0.005-0.010 میلی‌متر معمول می‌رسد.

مرحله 7 - پرداخت:برای سطوح آرایشی در قالب تزریق پوسته موش یا قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب بازی، پرداخت تمام عملیات ماشینکاری را دنبال می کند.

رد شدن از مرحله کاهش تنش یا اندازه گیری CMM پس از سخت شدن، خطر اعوجاج در قالب را افزایش می دهد و اطلاعات مورد نیاز برای برنامه ریزی دقیق نهایی را حذف می کند.

قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب بازی

قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی با عملکرد ABS یا PP در 500,000 تا 2,000,000 شات، بسته به هدف عمر تولید، دو رویکرد عملیات حرارتی مناسب دارد:

P20 با نیتروژن گازی:درج قالب اسباب بازی را تا ابعاد نهایی در P20 و سپس گاز نیترید ماشین کنید. حداقل اعوجاج (زیر 0.02 میلی متر). سختی سطح در مورد نیترید شده معادل HRC 58-68 برای لایه سطحی نازک است. این رویکرد برای چنین برنامه‌هایی مقرون به صرفه و کاربردی است که 500,000 تا 1,000,000 عکس را با مواد غیرساینده هدف می‌گیرند.

H13 از طریق سخت شده:برای قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی که 1500،000+ شات را هدف قرار می‌دهد یا در دمای قالب بالا با سرعت چرخه بالاتر اجرا می‌کند، H13 از طریق سخت‌شده تا HRC 50-52 سختی توده‌ای و مقاومت در برابر خستگی بالاتری را ارائه می‌کند. توالی کامل ماشینکاری که در بالا توضیح داده شد باید دنبال شود.

قالب تزریق موتور دنده

یک قالب تزریق موتور دنده برای کاربردهای دقیق تقریباً به طور کلی نیاز به سخت شدن دارد. تحمل پروفیل دندان (± 0.02-0.05 میلی متر) و الزامات سایش از رزین های مهندسی پر شده از شیشه، هر دو نیاز به یک حفره کاملاً سخت در HRC 50-54 دارند.

توالی ماشینکاری دقیق برای قالب تزریق موتور دنده بسیار مهم است: نمای دندان قبل از سخت شدن ناهموار-بریده می‌شود، درج سخت می‌شود، بر روی CMM اندازه‌گیری می‌شود، و نمایه دندان نهایی با ساییدن پروفیل یا تکمیل EDM در کناره‌های دندان به دست می‌آید. سیم EDM پس از سخت شدن، فرآیند تکمیل استاندارد برای قالب تزریق موتور دنده است - بدون اینکه تحت تأثیر سختی فولاد قرار گیرد، دقت ابعادی مورد نیاز را به دست می آورد.

قالب تزریق پوسته موش

برای قالب تزریق پوسته موش با استفاده از NAK80 (پیش{1}HRC 40–43 سخت شده)، نیازی به سخت شدن نیست. این درج تا ابعاد نهایی ماشینکاری شده و مستقیماً صیقل داده می شود، بدون خطر اعوجاج ناشی از عملیات حرارتی. در جایی که H13 برای قالب تزریق پوسته ماوس با حجم بالاتر مشخص شده است، دنباله استاندارد - اعمال می‌شود، اما دستیابی به سطح آینه‌ای بالا به زمان پرداخت و مهارت بیشتری در H13 سخت شده در مقایسه با NAK80 نیاز دارد.

مجله بین المللی فناوری ساخت پیشرفته(2021): درج‌های ماشین‌کاری شده با ← تنش‌زدایی کامل ← نیمه-تمرین ← سخت شدن ← پایان، انحراف بعد سخت شدنی ← به طور متوسط 0.032 میلی‌متر، در مقایسه با 0.118 میلی‌متر برای درج‌های بدون مرحله کاهش تنش قابل کاهش {3% کاهش تنش، از جمله سهم کاهش‌دهنده تنش، نشان دادند. بازپخت

بپوشید(2020): سطوح قالب P20 نیترید شده 68 درصد کمتر از P20 تیمار نشده تحت تماس قالب‌گیری تزریقی شبیه‌سازی‌شده ABS - نشان داد که طول عمر قابل‌توجهی را نشان می‌دهد که با نیترید کردن ابزار اسباب‌بازی بدون سخت شدن کامل قابل دستیابی است.

SPE (2022): عملیات حرارتی خلاء به طور متوسط ​​42 درصد اعوجاج کمتری نسبت به کوئنچ روغن برای درج‌های H13 معادل - ایجاد کرد که مزیت کیفیت ابعادی عملیات خلاء را تأیید می‌کند.

فناوری سطح و پوشش(2021): قلع PVD-H13 پوشش داده شده 71% کمتر از H13 بدون پوشش در زیر تماس PA66 پر شده از شیشه-را نشان داد، که محافظت اضافی را که پوشش روی حفره قالب تزریق موتور دنده در حال اجرا رزین ساینده ارائه می‌کند، تأیید می‌کند.
 

یک تولید کننده اسباب بازی در چین در حال ساخت یک سری ماشین های اسباب بازی جدید ABS بود. این برنامه شامل شش قالب بود: دو پوسته بدنه ابزار ابزار، دو ابزار شاسی و دو قالب اجزای کوچک. تولید هدف 800000 مجموعه کامل در سال در طول چهار سال بود - تقریباً 3200000 عکس در هر ابزار ماشین اسباب بازی در سراسر برنامه.

تخمین‌های هزینه اولیه با استفاده از P20 بدون عملیات حرارتی برای هر شش قالب نشان داد که درج‌های حفره‌ای در دو ابزار قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی بدنه نیاز به تعویض در حدود 600000 شات دارند - به این معنی که سه مجموعه جایگزین برای هر قالب ماشین اسباب‌بازی در طول برنامه چهار ساله-. کل هزینه تعویض درج در تمام ابزارهای پوسته بدنه این قالب: 24000 دلار.

Sunhingstones یک روش جایگزین را برای دو ابزار قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب‌بازی بدنه توصیه کرد: درج‌های حفره و هسته H13، از طریق سخت‌شده تا HRC 50-52 با استفاده از عملیات حرارتی خلاء، به دنبال روش‌های کامل خشن → کاهش استرس → نیمه{3}}پایان → سخت شدن → اندازه‌گیری CMM → پایان. چهار قالب کوچکتر P20 را با نیتریدینگ گاز حفظ کردند.

حق بیمه درج H13 برای دو ابزار پوسته بدنه درج، 3400 دلار بالاتر از P20 بود. فاصله بازسازی پیش‌بینی‌شده از 600000 به 1500 افزایش یافت،000+ عکس‌ها - جایگزینی درج را در برنامه چهار ساله- این ابزارها حذف کرد.

صرفه جویی خالص: تقریباً 8200 دلار در جایگزینی درج اجتناب شده منهای 3400 دلار سرمایه گذاری ابزار اضافی =4800 دلار صرفه جویی خالصدر طول برنامه چهار ساله-، به علاوه جلوگیری از توقف تولید.

پس از{0}}بازرسی ابعادی صلاحیت درج‌های قالب تولید اسباب‌بازی H13، همه ابعاد بحرانی را در محدوده 0.015± میلی‌متر از اسمی پس از توالی کامل - در محدوده تحمل چاپ ± 0.05 میلی‌متر تأیید کرد.

اعوجاج عملیات حرارتی در قالب تزریق پلاستیک ماشین اسباب بازی، قالب تزریق موتور دنده یا هر ابزار تزریق دقیق زمانی که از ابتدا برای آن طراحی شده باشد قابل پیش بینی و کنترل است. سازندگان قالب که به خوبی آن را مدیریت می کنند کسانی هستند که آن را در توالی ماشینکاری به حساب می آورند: باقیمانده های مناسب، از جمله کاهش تنش، مشخص کردن سخت شدن خلاء، و اندازه گیری قبل از اتمام. کسانی که آن را به عنوان یک فکر بعدی تلقی می کنند، کسانی هستند که در نهایت با دوباره کاری گران قیمت - یا یک درج از بین رفته اند.

در Sunhingstones، برنامه‌ریزی عملیات حرارتی بخشی از فرآیند مهندسی استاندارد ما برای هر قالب، قالب تزریق پوسته موش و قالب تزریق موتور دنده است. ما مشخصات فولاد، هدف سختی، توالی ماشینکاری و روش تکمیل را قبل از شروع هر برشی ثبت می‌کنیم - بنابراین نتیجه پس از عملیات حرارتی یک نتیجه کنترل‌شده است، نه غافلگیرکننده.

اکنون تماس بگیرید

رابرتز، GA و همکاران.فولادهای ابزار، ویرایش پنجم. ASM International، 1998.https://www.asminternational.org/

اودهلم.عملیات حرارتی فولاد ابزار. انتشارات فنی، 2021.https://www.uddeholm.com/

تاتن، جنرال الکتریککتابچه راهنمای عملیات حرارتی فولاد، چاپ دوم. CRC Press، 2006.https://www.routledge.com