Компресійне формування великої автомобільної деталі із заряду гарячого термопластику, армованого скловолокном, схоже на пресування гарячої абразивної ковдри. Коли матеріал тече під величезним тиском, він подрібнюється об нагріті плити. Стандартний сталевий валик зношується і втрачає свою площинність, що спричиняє зміни товщини деталей. Валик повинен бути броньованим. Вибір правильногонагрівальний валик компресійне формування довговолокнистих термопластіввимоги застосування вимагають уваги до твердості поверхні, структурної жорсткості та термічної однорідності-особливо, коли задіяні геометрії глибокої витяжки.
Виклик зносу: скловолокно як абразивні агенти
Довговолокнисті термопласти (LFT) зазвичай містять 20–50% скляних волокон за вагою, довжина яких коливається від 6 до 25 мм. Під час такту стиснення розплавлена полімерна матриця переносить ці тверді, гострі волокна по поверхні плити під тиском 50–200 бар (5–20 МПа). Волокна діють як мікроскопічні скребки, поступово видаляючи матеріал із поверхні валика. На м’якому або необробленому сталевому валику протягом тижнів або місяців після виробництва з’являються подряпини, борозенки та локальні западини. Отримана нерівномірність товщини деталей призводить до бракування компонентів і переробки інструменту.
Зміцнення поверхні: перша лінія захисту
Обличчя валика — це ковадло, а текучий, наповнений склом полімер — невпинний молот. Щоб витримати це стирання, поверхня валика повинна мати твердість щонайменше 60 Роквелла C (HRC) або приблизно 700–800 HV.
Вибір основного матеріалу
Корпус валика зазвичай виготовляється з попередньо загартованої високоякісної інструментальної сталі, як-от AISI H13 (1.2344), AISI P20 (1.2311) або AISI 4140. Ці сталі забезпечують хорошу теплопровідність, оброблюваність і стабільність розмірів при типових температурах формування 150–250 градусів. Однак однієї базової сталі недостатньо для застосування в LFT.
Поверхневе зміцнення
Три поширені методи використовуються для зміцнення робочої поверхні валика пресового формування для LFT:
| Лікування | Глибина | Твердість (HRC) | Придатність для LFT |
|---|---|---|---|
| Азотування (газове або плазмове) | 0,3–0,5 мм | 65–70 | Добре підходить для помірного вмісту скла (менше або дорівнює 30%) |
| Тверде хромування | 0,05–0,2 мм | 65–70 | Добре, але може розшаровуватися під високими точковими навантаженнями |
| PVD керамічне покриття (TiN, CrN, AlTiN) | 2–5 мкм (0,002–0,005 мм) | 80–85 (до 2000–3000 ВН) | Чудово підходить для високонаповнених сполук (більше або дорівнює 40% скла) |
Азотуваннястворює зону дифузії, яка поступово переходить від твердого шару суміші до більш м’якої серцевини, запобігаючи розшаруванню. Це найбільш рентабельний вибір для середнього виробництва.
Тверде хромуваннязабезпечує чудову зносостійкість, але вимагає ретельної підготовки краю, щоб уникнути відшарування під час термічного циклу.
Фізичне осадження з парової фази (PVD). such as titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN) provide the highest surface hardness (typically >2000 HV) і дуже низький коефіцієнт тертя. Незважаючи на те, що покриття надзвичайно тонке (кілька мікрон), воно значно зменшує знос клею та подряпини на волокні. Для найбільш абразивних сполук із високим вмістом скла (наприклад, 50% скла) PVD-покриття є найкращим рішенням.
Жорсткість конструкції: ребристий задній дизайн
Під високим тиском формування, необхідним для формування LFT{0}}часто 100–200 бар-валик має протистояти згинанню та прогину. Навіть незначна опукла або увігнута деформація (порядку 0,1 мм) призводить до неоднорідної товщини деталі з тонкими ділянками, де тиск найбільший, і товстими ділянками на краях.
Щоб зберегти рівність, тильна сторона нагрівального валика (сторона, протилежна формувальній поверхні) повинна бути сильно ребристою. Ребра відливають або оброблюють у вигляді сітки, збільшуючи модуль перетину без додавання надмірної маси. Аналіз кінцевих елементів (FEA) зазвичай виконується для оптимізації відстані між ребрами та товщини для очікуваної сили затиску та геометрії форми. Добре оребрена плита загальною товщиною 50–100 мм може досягти прогину менше 0,05 мм на 1-метровому прольоті за повного навантаження.
Термічна однорідність для глибокого витягування
Деталі глибокої витяжки LFT-такі як корпуси задніх сидінь автомобіля, передні модулі чи корпуси акумуляторів-вимагають постійного потоку матеріалу у вертикальні або майже вертикальні стінки. Якщо поверхня валика має гарячі або холодні зони, полімер буде текти нерівномірно: більш гарячі області забезпечують швидший потік, тоді як більш холодні області викликають передчасне затвердіння та неповне заповнення.
Нагрівальні елементи, як правило, картриджні нагрівачі, потрібно розміщувати якомога ближче до робочої поверхні-зазвичай на 15–25 мм нижче поверхні. Це мінімізує температурну затримку та дозволяє швидко реагувати на зміни заданого значення температури. Картриджні нагрівачі розташовуються зигзагом або паралельно з більш вузькими відстанями в зонах із високими втратами тепла (наприклад, біля країв і в кутах глибокої витяжки). Необхідно вказати кілька незалежних зон нагріву (зазвичай 3–6 зон на валик), кожна з яких має власний датчик температури (термопару або RTD) і контролер із замкнутим контуром. Ця зонна конфігурація компенсує різні втрати тепла через валик і гарантує, що вся зона формування-включно з порожниною глибокої витяжки-залишається в межах ±2 градусів від цільової температури.
Оздоблення поверхні для випуску деталей
Поверхню валика слід відшліфувати до чистого покриття (Ra 0,2–0,4 мкм або краще), щоб покращити звільнення формованої частини LFT. Більш гладка поверхня також зменшує опір волокна та накопичення розкладених полімерних залишків. Для плит із PVD-покриттям покриття успадковує базовий полір, забезпечуючи як стійкість до зношування, так і легке зняття.
Резюме критеріїв вибору для компресійного формування LFT
| Вимога | Рекомендована специфікація |
|---|---|
| Основний матеріал | Інструментальна сталь (H13, P20 або 4140) |
| Твердість поверхні | Більше або дорівнює 60 HRC (більше або дорівнює 700 HV) |
| Метод загартовування | Азотування (0,3–0,5 мм) для<30% glass; PVD TiN/CrN for >30% скла |
| Тильна сторона валика | Сильно ребристі, оптимізовані для прогину FEA<0.05 mm/m |
| Нагрівальні елементи | Картриджні нагрівачі розміщені на відстані 15–25 мм від поверхні, зональне керування (±2 градуси) |
| Оздоблення поверхні | Відполірований до Ra Менше або дорівнює 0,4 мкм |
Висновок
Вибір валика для формування LFT — це боротьба проти стирання та прогину, виграна завдяки вибору твердого інструмента з хорошою опорою з ідеально рівномірним тепловим профілем. Theнагрівальний валик компресійне формування довговолокнистих термопластівдля застосування потрібна поверхня, яка може витримувати дію шліфування скляних волокон-за допомогою азотування, твердого хрому або PVD-керамічних покриттів-у поєднанні з ребристою задньою стороною, щоб протистояти прогину під високим тиском. Картриджні нагрівачі, розташовані близько до робочої поверхні, розташовані в незалежних зонах, забезпечують рівномірний нагрів, необхідний для глибокого формування. Для формування легких, міцних деталей автомобіля завтрашнього дня потрібен інструмент, який не зношується, а правильно підібраний валик забезпечує саме таку довговічність.
