Проектирование инструментов для прессования порошков

Конструкция инструментов для прессования порошков играет огромную роль в изготовлении процесс производства порошковой металлургии Работают без сбоев. Изготовление этих необходимых металлургических инструментов обычно занимает от нескольких дней до нескольких недель. Некоторые специализированные компании могут разработать пресс-форму всего за 3 дня, а весь производственный процесс — за 15 дней. Время, потраченное на проектирование правильной оснастки на ранних этапах, помогает избежать производственных ошибок, которые могут дорого обойтись в будущем.

Сырье, возможности прессования и форма компонентов являются основой проектирования инструмента для прессования порошков. Инструменты должны выдерживать сотни тысяч циклов прессования порошка. . Это делает долговечность критически важной для их развития. Порошковый металлlurgy дает производителям более дешевый вариант по сравнению с другими методами формовки Поставщики могут производить компоненты в больших объемах, используя один набор инструментов для уплотнения, сохраняя при этом качество продукции. .

В этой статье рассматриваются все вопросы проектирования инструментов для прессования порошков, которые помогают предотвратить распространённые производственные сбои. Читатели найдут практические способы оптимизации процесса прессования порошков и продления срока службы инструментов. В руководстве показано, как оптимизировать формовку заданной формы и выбрать правильные материалы инструментов в зависимости от нагрузки.

1. Оптимизация для формирования чистой формы с целью сокращения вторичных операций

Изготовление близкой к чистой форме Это основополагающий принцип порошковой металлургии. Этот подход позволяет создавать детали, максимально соответствующие конечным размерам, и сводит к минимуму вторичные операции. Разработчики инструментов, которые отдают приоритет этому принципу при прессовании порошков, получают множество преимуществ.

Избежание поднутрений и обратных конусов

Конструкция пресс-формы для порошковых материалов следует одному основному правилу: исключить элементы, препятствующие выталкиванию детали из матрицы. Кроме того, невозможно формировать входящие элементы, такие как канавки, обратные конусы и боковые отверстия, непосредственно во время прессования. процесс прессования порошкаЭти ограничения существуют, поскольку прессование и выброс порошка происходят вдоль вертикальной оси..

Опытные конструкторы инструментов изменяют конструкцию, а не пытаются добиться невозможной геометрии, чтобы достичь той же функциональности без проблемных деталей. Вторичные операции обработки после Спекание необходимо устранить любые существенные поднутрения.

Проектирование для одноэтапного уплотнения

Успешность одноэтапного уплотнения зависит от нескольких важных деталей:

• Между конусами и стенками матрицы/стержнями сердечника должен быть прямой участок толщиной не менее 0,25 мм. 
• Небольшие выступы на фланцевых уступах обеспечивают плавный выброс детали
• Радиусы работают лучше, чем острые углы, чтобы избежать концентрации напряжений. 

Одностадийное прессование делает инструменты из порошковой металлургии более доступными, исключая необходимость в многократных операциях прессования и обширной вторичной обработке. Такой подход в конечном итоге сокращает время производства, отходы материала и производственные затраты.

2. Соблюдайте степень уплотнения, чтобы предотвратить появление трещин.

Конструкция пресс-формы для порошков во многом зависит от правильных коэффициентов уплотнения. Эти коэффициенты оптимизируют целостность детали и помогают избежать трещин и колебаний плотности.

Правило соотношения заполнения к конечному результату 2:1

Основной принцип прессования порошка заключается в соотношении исходной высоты засыпки порошка к конечной длине прессованной заготовки 2:1. Столб порошка в пресс-форме сжимается примерно на 50%. Для достижения желаемой плотности высушенному распылением ЦТС требуется давление около 10 000 фунтов на кв. дюйм. плотность зеленого при коэффициенте уплотнения 2:1. Постоянная глубина заполнения играет решающую роль, поскольку напрямую влияет на вес, плотность и объём компонента.

Требования к инструментам для определенных уровней

Многоуровневые детали значительно усложняют процесс. Для каждого уровня компонента требуется своё количество порошка из-за степени сжатия 2:1. Пресс должен индивидуально управлять уникальными инструментами, формирующими определённые секции. Простые прессы могут работать только с двумя уровнями, в то время как более сложные машины способны работать с более сложными конструкциями.

Детали с неравномерным распределением плотности возникают при несоблюдении этих требований, характерных для данного уровня. Внутренние напряжения развиваются и проявляются в виде микротрещин при выталкивании или транспортировке. Длинные ступицы с большими тонкими секциями особенно подвержены растрескиванию при извлечении из многоуровневые штампы.

3. Выбирайте инструментальные материалы в зависимости от прикладываемой нагрузки

Эффективность инструментов для прессования порошков во многом зависит от материалов, используемых для их изготовления. Эти материалы должны выдерживать определённые нагрузки, возникающие в течение тысяч циклов прессования.

Выбор инструментальной стали: твердость или прочность

Твёрдость материала показывает, насколько хорошо он сопротивляется пластической деформации. Вязкость материала показывает, сколько энергии он может поглотить, не разрушаясь. Поиск правильного баланса между этими свойствами критически важен для достижения наилучших эксплуатационных характеристик инструмента. Основная команда учитывает следующие характеристики при выборе инструментальной стали:

• Износостойкость для абразивных порошков
• Прочность на сжатие для применения под высоким давлением
• Сопротивление усталости для высокоцикловых операций
• Стабильность размеров во время термической обработки

Инструментальная сталь D2 (62–64 HRC) обеспечивает отличную износостойкость, но не обладает высокой прочностью. Ударопрочная сталь S7 отличается большей прочностью. Инструментальные стали для порошковой металлургии Обычно они обеспечивают лучшее сочетание обоих свойств. Эти стали имеют тонкую, однородную структуру без сегрегации. Это создаёт идеальное сочетание твёрдости и прочности, что продлевает срок службы инструментов.

Комбинации термообработки и покрытия

Правильная термообработка, несомненно, повышает производительность инструмента. Вакуумная термообработка Закалка защищает поверхность от окисления и обезуглероживания. Процесс отпуска нейтрализует термические напряжения и подготавливает поверхность к нанесению покрытия.

Улучшение поверхности продлевает срок службы инструментов. Покрытия GPA-PVD толщиной 2–3 микрона защищают от износа и сохраняют остроту режущих кромок. Срок службы инструментов с такими покрытиями составляет более 100 000 деталей. Другой вариант — азотирование. Оно повышает прочность на сжатие без изменения размеров, что отлично подходит для инструментов, требующих очень точных допусков.

Термообработка и покрытия изначально обходились дороже. Но со временем они стали экономить, поскольку инструменты служат дольше и работают лучше.

4. Избегайте тонких стенок, которые снижают прочность инструмента.

Толщина стенки играет важнейшую роль при проектировании инструмента для прессования порошков и влияет как на срок его службы, так и на качество деталей. Недостаточное внимание к этому аспекту может привести к преждевременным отказам и неэффективному производству.

Рекомендации по минимальной толщине стенки

Толщина стенок деталей, изготовленных методом порошковой металлургии, должна быть более 1,52 мм (0,060 дюйма). Этот базовый показатель обеспечит прочную основу инструмента на протяжении всего цикла прессования. Детали, требующие высокой плотности, должны иметь стенки толщиной от 0,125 до 0,200 дюйма. Дополнительная толщина помогает контролировать прогиб инструмента, что очень важно, когда для достижения большей плотности требуются большие усилия. Для многофункциональных инструментов толщина стенок должна быть не менее 0,100 дюйма.

Риски поломки инструмента при обработке тонкостенных деталей

Длинные и тонкие стенки создают ряд проблем при прессовании порошков. Эти особенности приводят к необходимости использования хрупкого инструмента, который быстрее изнашивается. Детали с тонкими стенками имеют неравномерную плотность. Соотношение длины и толщины стенок имеет большое значение, поскольку при соотношении выше 8:1 требуется особое внимание для равномерного заполнения. Несмотря на эти меры предосторожности, при столь экстремальных соотношениях невозможно избежать колебаний плотности.

Риск поломки инструмента резко возрастает, поскольку пресс-формы должны выдерживать сотни тысяч циклов прессования порошков. Производители должны оценить:

• Силы уплотнения, необходимые для определенных материалов
• Распределение напряжений в инструменте во время работы
• Модели износа в критических элементах

5. Конструкция, обеспечивающая длительный срок службы инструмента и высокую циклическую прочность

Инструменты для прессования порошков должны выдерживать сотни тысяч производственных циклов, чтобы быть экономически выгодными. Правильный выбор конструкции влияет как на долговечность, так и на эффективность производства на протяжении всего срока службы инструмента.

Распределение напряжений в геометрии инструмента

Распределение напряжений в инструментах играет ключевую роль в предотвращении преждевременных отказов. Исследования показывают, что инструменты получают равномерное давление у основания только при достаточно высокой толщине столба сжатого порошка. Более короткие образцы создают неравномерное, концентрированное давление, которое приводит к опасному износу. Боковые стенки вблизи поршня испытывают очень высокие радиальные напряжения. Такое распределение напряжений влияет на срок службы инструментов, поскольку создает зоны сосредоточенного износа, требующие особого внимания при проектировании.

Идентификация элементов, подверженных износу

Мы можем определить детали, которые, скорее всего, изнашиваются, рассмотрев основные причины выхода инструментов из строя:

• Легкий абразивный износ (чаще всего встречается в штампах для порошковой металлургии) 
• Сильный адгезионный износ/заедание (проявляется на ранних этапах срока службы инструмента)
• Трещины от слишком большого напряжения в одном месте

Правильная центровка инструмента имеет большое значение — даже незначительные перекосы (0,01–0,02 мм) ускоряют его износ на 30–50%. При правильной работе комплекты штампов обычно служат 300 000–500 000 деталей, пуансоны — 200 000–300 000 циклов, а стержни — 100 000–200 000 операций. Инструментальные стали премиум-класса с PVD-покрытием можно увеличить срок службы на 30–50%.

Грамотно спланированные программы технического обслуживания сокращают время простоя на 40–60% и увеличивают срок службы пресса на 5–8 лет. Компаниям следует разработать подробные планы управления инструментами, включающие документацию, графики технического обслуживания и способы отслеживания производительности для обеспечения максимальной долговечности..

6. Используйте комплексную стратегию оснащения на всех этапах производства

Детальный подход к разработке инструментов для прессования порошков выходит за рамки разработки одного инструмента и охватывает весь производственный процесс. Умные производители знают, что выбор инструмента определяет каждый этап производства, от первоначального прессования до окончательной сборки.

Влияние инструмента на сборку и спекание

Инструменты для порошковой металлургии Формируйте каждый последующий процесс. Производители могут создавать детали высокой плотности, которые весят меньше и требуют минимальной механической обработки, сочетая горячую изостатическую обработку с правильными инструментами. Взаимодействие материалов инструментов становится особенно важным в процессе спекания. Например, графитовая оснастка может вводить углерод в детали и образовывать карбиды хрома, которые изменяют механические свойства. Командам необходимо прогнозировать эти взаимодействия материалов, прежде чем выбирать материалы инструментов.

Сотрудничество с поставщиками для повышения эффективности затрат

Взаимовыгодные альянсы между производителями оборудования для порошковой металлургии и поставщиками инструмента создают значительные преимущества. Компании, сотрудничающие с поставщиками, растут быстрее, тратят меньше и зарабатывают больше, чем их конкуренты. Совместное бизнес-планирование помогает командам координировать краткосрочные и долгосрочные цели.

Программное обеспечение для моделирования производства Предоставляет командам разработчиков продуктов данные, необходимые для эффективного ведения переговоров. Команды могут выявлять детали, которые стоят слишком дорого. Повышение прозрачности цепочки поставок позволяет быстрее реагировать на изменения спроса, что снижает эксплуатационные расходы. Технология искусственного интеллекта повышает точность прогнозирования до 20% по сравнению со старыми методами.

7. Рассмотрите альтернативные варианты окантовки и отделки

Конструкция пресс-форм для порошковых изделий сама по себе не способна эффективно решать многие задачи. Для некоторых кромок требуется вторичная обработка, хотя порошковая металлургия и позволяет получать заготовки нужной формы.

Обработка барабана и чистка как вторичные операции

Галтовка — это экономичный способ финишной обработки деталей, изготовленных методом порошковой металлургии. Детали и шлифовальные тела вибрируют вместе в барабанах тороидальной формы, удаляя заусенцы и делая поверхности более гладкими. Этот процесс лучше всего подходит для деталей простой геометрии и обеспечивает шероховатость поверхности от 0,8 до 3,2 мкм Ra. Этот процесс также способствует повышению коррозионной стойкости спеченных деталей из нержавеющей стали за счет герметизации поверхностных пор.

Другие способы удаления заусенцев включают в себя:

• Удаление заусенцев вращающимися щетками (наиболее распространенный выбор в порошковой металлургии)
• Термическое удаление заусенцев (хорошо подходит для сложных внутренних деталей)
• Вибрационное снятие заусенцев (идеально подходит для пакетной обработки)

Избегание острых радиусов при проектировании инструмента

Острые радиусы создают одну из самых серьёзных проблем при проектировании оснастки. Эти радиусы часто приводят к образованию острых, как бритва, кромок, которые трудно формуются. Самый быстрый способ решения этой проблемы — проектирование угловых кромок, которые впоследствии можно будет обработать в барабане для получения нужного радиуса. Для критически важных кромок, таких как втулки, угол 30 градусов с фаской 0,005–0,015 дюйма (0,13–0,38 мм) помогает устранить проблемные скошенные кромки.

Фаски могут выглядеть лучше радиусов, но производителям следует быть осторожными. Большие углы фасок могут замедлить производство, создавая проблемы с заполнением формы или застревание порошка между инструментами.

8. Используйте новые порошковые материалы для повышения производительности

Современная порошковая металлургия опирается на выбор передовых материалов, которые повышают производительность компонентов и продлевают срок службы инструментов. Новые порошковые составы позволяют создавать более качественные детали и ускоряют производство.

Совместимость материалов с пресс-инструментами

Новые порошковые материалы изменили подход конструкторов к требованиям к инструментам. Хромированные порошки лучше противостоят окислению и обладают большей текучестью, поскольку снижают трибоэлектрический заряд. Готовые к прессованию порошки, изготовленные под строгим контролем качества, помогают избежать перекрёстного загрязнения. Эти достижения подразумевают, что выбор инструментальной стали должен соответствовать свойствам конкретного материала.

Баланс стоимости и требований к плотности

Выбор подходящих порошковых материалов требует тщательного анализа стоимости и эксплуатационных характеристик. Медные легированные стали достигают плотности до 90% (7,1 г/см³) при стандартной прессовке и спекании. Железоникелевые, диффузионно-легированные и предварительно легированные материалы достигают плотности 90–93% (7,0–7,3 г/см³).

Производителям следует продумать:

• Специальные процессы спекания, такие как высокотемпературное спекание и инфильтрация, повышающие плотность
• Влияние на стоимость, поскольку спекание является наиболее дорогостоящей частью порошковой металлургии. 

Выбор между различными порошковыми материалами зависит от соответствия эксплуатационных требований и производственных ограничений. Новые хромированные сплавы, такие как Astaloy® CrA, достаточно универсальны для нужд автомобильной промышленности. Они предлагают экономичную прочность и износостойкость по сравнению с никелем и молибденом.

Заключение

Проектирование пресс-форм для порошков — основа успешного производства порошковой металлургии. В этой статье рассматриваются ключевые принципы, помогающие предотвратить производственные сбои и максимально повысить эффективность. Мы сосредоточились на формовании заготовки, чтобы сократить дорогостоящие вторичные операции и снизить производственные затраты. Правильные коэффициенты прессования имеют решающее значение для предотвращения образования опасных трещин, которые могут нарушить целостность детали.

Выбор материалов повлияет на работу инструментов под нагрузкой. Оптимальное соотношение твёрдости и прочности позволяет инструментам выдерживать сотни тысяч циклов. Производителям необходимо оценить конкретные требования к применению, прежде чем фиксировать характеристики материалов.

Толщина стенок играет важную роль в долговечности инструментов и качестве получаемых деталей. Тонкие стенки могут привести к проблемам — от неравномерной плотности до полной поломки инструментов. Соблюдение требований к минимальной толщине стенок помогает избежать этих рисков.

Инструменты служат дольше, когда нагрузка равномерно распределяется по всей их геометрии. Умные производители выявляют области, подверженные износу, на ранних стадиях. Они могут заложить в конструкцию конструктивные особенности, которые значительно продлевают срок службы инструментов. Детальный подход, объединяющий решения по выбору инструмента на всех этапах производства, приносит не только преимущества в виде более качественных инструментов.

Различные методы финишной обработки могут помочь в обработке кромок, которые трудно обрабатывать. Эти дополнительные этапы работают с оригинальной конструкцией инструмента, а не заменяют собой хорошие инженерные решения.

Новые порошковые материалы открывают возможности для повышения производительности и упрощения требований к инструментам. Правильное сочетание свойств материала, методов обработки и конструкции инструмента определяет качество деталей и эффективность производства.

Несомненно, проектирование пресс-форм для порошковых материалов требует глубоких знаний в области металлургии, машиностроения и реального производства. Компании, которые правильно владеют этими основами проектирования, сталкиваются с меньшим количеством производственных проблем, сокращают расходы на операционные нужды и производят более качественную продукцию. Грамотное проектирование пресс-форм оправдывает инвестиции, поскольку предотвращает дорогостоящие проблемы на всех этапах производства.

Ключевые выводы

Освойте эти основные принципы проектирования инструмента для прессования порошков, чтобы предотвратить дорогостоящие производственные сбои и максимально повысить эффективность производства:

• Соблюдайте правило коэффициента уплотнения 2:1 - Высота засыпки порошка должна быть в два раза больше конечной длины прессовки, чтобы предотвратить растрескивание и обеспечить равномерное распределение плотности.

• Поддерживайте минимальную толщину стенки 1,52 мм (0,060 дюйма) - Более тонкие стенки делают оснастку хрупкой, сокращают срок ее службы и приводят к колебаниям плотности, что ставит под угрозу целостность детали.

• Проектирование для формирования чистой формы путем избежания поднутрений и обратных конусов - Эти особенности препятствуют правильному выталкиванию детали и требуют дорогостоящих операций вторичной обработки.

• Выбирайте инструментальные материалы, обеспечивающие баланс твердости и прочности - Высококачественные инструментальные стали с покрытиями PVD способны продлить срок службы инструмента на 30–50 % по сравнению со стандартными материалами.

• План на 300 000–500 000 циклов обработки деталей из качественных комплектов штампов - Правильное распределение напряжений и выявление элементов, подверженных износу, имеют решающее значение для достижения максимальной долговечности инструмента.

• Используйте современные порошковые материалы, такие как хромированные порошки - Эти современные материалы обеспечивают улучшенную стойкость к окислению и текучесть, а также потенциально упрощают требования к инструментам.

Успешное проектирование инструмента для прессования порошков требует понимания того, что каждое конструкторское решение влияет на весь производственный процесс: от первоначального уплотнения до окончательной сборки и спекания.

Часто задаваемые вопросы

В1. Каковы основные проблемы порошковой металлургии? К основным задачам относятся достижение равномерного распределения порошка, обеспечение необходимой плотности, контроль пористости и предотвращение таких проблем, как растрескивание и коробление в процессе прессования и спекания. Также существенными проблемами являются преодоление агломерации частиц и слабого межфазного сцепления.

В2. Какие основные соображения следует учитывать при проектировании инструментов для прессования порошков? Ключевые моменты включают оптимизацию для формирования заданной формы, соблюдение коэффициентов уплотнения, выбор подходящих материалов инструмента, предотвращение тонкостенных деталей и проектирование с учётом длительного срока службы инструмента. Также важно учитывать текучесть металлических порошков и прессующее действие во время уплотнения.

В3. Как производители могут продлить срок службы инструментов для прессования порошков? Чтобы продлить срок службы инструмента, производителям следует выбирать высококачественные инструментальные стали с соответствующими покрытиями, поддерживать правильное распределение напряжений, своевременно выявлять подверженные износу детали и внедрять программы регулярного технического обслуживания. Соблюдение требований к минимальной толщине стенки и коэффициентов уплотнения также способствует увеличению срока службы инструмента.

В4. Какую роль играют новые порошковые материалы в совершенствовании процессов порошковой металлургии? Современные порошковые материалы, такие как хромированные порошки, обладают повышенной стойкостью к окислению и текучестью. Эти материалы могут повысить эксплуатационные характеристики деталей, упростить требования к инструментам и потенциально снизить производственные затраты. Однако их выбор должен быть сбалансирован с учетом конкретных условий применения и совместимости с инструментами.

В5. Как толщина стенки влияет на производительность инструмента для прессования порошков? Толщина стенки критически важна для прочности инструмента и качества деталей. Недостаточная толщина может привести к преждевременному выходу инструмента из строя, изменению плотности деталей и повышенному риску образования трещин. Как правило, рекомендуется минимальная толщина стенки 1,52 мм (0,060 дюйма), а для инструментов с высокой плотностью или многофункциональных инструментов требуются более толстые стенки.