Компрессионное формование крупной автомобильной детали из загрузки горячего термопласта, армированного стекловолокном, похоже на прессование горячего абразивного полотна. Поскольку материал течет под огромным давлением, он шлифуется о нагретые плиты. Стандартная стальная плита изнашивается и теряет плоскостность, что приводит к изменению толщины детали. Плита должна быть бронированной. Выбор правильногопрессование с нагревательной плитой, термопласты с длинными волокнамиТребования приложений требуют внимания к твердости поверхности, структурной жесткости и термической однородности-особенно, когда речь идет о геометрии глубокой вытяжки.
Проблема износа: стекловолокно как абразивный агент
Длинноволокнистые термопласты (LFT) обычно содержат 20–50% стеклянных волокон по весу, длина которых составляет от 6 до 25 мм. Во время такта сжатия расплавленная полимерная матрица переносит эти твердые острые волокна по поверхности плиты под давлением 50–200 бар (5–20 МПа). Волокна действуют как микроскопические скребки, постепенно удаляя материал с поверхности валика. На мягкой или необработанной стальной плите в течение недель или месяцев после изготовления появляются царапины, канавки и локальные впадины. Возникающая в результате неравномерность толщины детали приводит к бракованию деталей и доработке инструмента.
Поверхностная закалка: первая линия защиты
Лицевая поверхность валика — это наковальня, а струящийся стеклонаполненный полимер — это безжалостный молот. Чтобы противостоять этому истиранию, поверхность валика должна достичь твердости не менее 60 по шкале Роквелла (HRC) или примерно 700–800 HV.
Выбор основного материала
Корпус плиты обычно изготавливается из высококачественной инструментальной стали, например AISI H13 (1.2344), AISI P20 (1.2311) или предварительно закаленной AISI 4140. Эти стали обеспечивают хорошую теплопроводность, обрабатываемость и стабильность размеров при типичных температурах формования 150–250 градусов. Однако одной базовой стали недостаточно для применения LFT.
Обработка поверхности
Для упрочнения рабочей поверхности пресс-формы для LFT используются три распространенных метода:
| Уход | Глубина | Твердость (HRC) | Пригодность для LFT |
|---|---|---|---|
| Азотирование (газовое или плазменное) | 0,3–0,5 мм | 65–70 | Подходит для умеренного содержания стекла (менее или равно 30%) |
| Твердое хромирование | 0,05–0,2 мм | 65–70 | Хорошо, но может отслаиваться при высоких точечных нагрузках |
| Керамическое покрытие PVD (TiN, CrN, AlTiN) | 2–5 мкм (0,002–0,005 мм) | 80–85 (до 2000–3000 В) | Отлично подходит для высоконаполненных компаундов (более или равно 40% стекла). |
Азотированиесоздает диффузионную зону, которая постепенно переходит от слоя твердого компаунда к более мягкой сердцевине, предотвращая расслоение. Это наиболее экономически эффективный выбор для производства средних объемов.
Твердое хромированиеобеспечивает превосходную износостойкость, но требует тщательной подготовки кромок, чтобы избежать отслаивания при термоциклировании.
Покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) such as titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN) provide the highest surface hardness (typically >2000 HV) и очень низким коэффициентом трения. Хотя покрытие чрезвычайно тонкое (несколько микрон), оно значительно снижает адгезионный износ и царапание волокна. Для наиболее абразивных компаундов с высоким содержанием стекла (например, 50% стекла) PVD-покрытие является идеальным решением.
Структурная жесткость: ребристая задняя часть
При высоком давлении формования, необходимом для формования LFT,-часто 100–200 бар-плита должна сопротивляться изгибу и отклонению. Даже небольшая выпуклая или вогнутая деформация (порядка 0,1 мм) приводит к неоднородной толщине детали: тонкие участки там, где давление наибольшее, и толстые участки по краям.
Чтобы сохранить плоскостность, задняя сторона нагревательной плиты (сторона, противоположная формующей поверхности) должна быть сильно ребристой. Ребра отливаются или обрабатываются в виде сетки, что увеличивает момент сопротивления без увеличения массы. Анализ методом конечных элементов (FEA) обычно выполняется для оптимизации расстояния и толщины ребер с учетом ожидаемой силы зажима и геометрии формы. Ребристая плита общей толщиной 50–100 мм может обеспечить прогиб менее 0,05 мм на пролете 1 метр при полной нагрузке.
Термическая однородность при литье глубокой вытяжкой
Детали LFT глубокой вытяжки,-такие как корпуса задних сидений автомобилей, передние модули или корпуса аккумуляторов-требуют постоянной подачи материала в вертикальные или почти вертикальные стенки. Если на поверхности плиты есть горячие или холодные зоны, полимер будет течь неравномерно: более горячие области обеспечивают более быстрое течение, а более холодные области вызывают преждевременное затвердевание и неполное заполнение.
Нагревательные элементы, обычно картриджные, должны располагаться как можно ближе к рабочей поверхности-обычно на 15–25 мм ниже поверхности. Это сводит к минимуму термическую задержку и позволяет быстро реагировать на изменения заданного значения температуры. Картриджные нагреватели расположены зигзагообразно или параллельно с меньшим расстоянием в зонах с высокими теплопотерями (например, вблизи краев и в углах глубокой вытяжки). Необходимо указать несколько независимых зон нагрева (обычно 3–6 зон на плиту), каждая со своим собственным датчиком температуры (термопарой или термометром сопротивления) и контроллером с обратной связью. Эта зональная конфигурация компенсирует различные тепловые потери на плите и гарантирует, что вся область формования,-включая полость глубокой вытяжки-остается в пределах ±2 градусов от заданной температуры.
Обработка поверхности для выпуска деталей
Поверхность валика должна быть отполирована до идеального состояния (Ra 0,2–0,4 мкм или лучше) для улучшения отделения формованной детали LFT. Более гладкая поверхность также снижает сопротивление волокна и накопление остатков разложившегося полимера. В случае валиков с PVD-покрытием покрытие наследует основную полировку, обеспечивая как износостойкость, так и легкость снятия.
Краткое изложение критериев выбора для прессования LFT
| Требование | Рекомендуемая спецификация |
|---|---|
| Базовый материал | Инструментальная сталь (H13, P20 или 4140) |
| Твердость поверхности | Больше или равно 60 HRC (больше или равно 700 HV) |
| Метод закалки | Азотирование (0,3–0,5 мм) для<30% glass; PVD TiN/CrN for >30% стекло |
| Задняя сторона стола | Сильно ребристая, оптимизированная по методу FEA для прогиба<0.05 mm/m |
| Нагревательные элементы | Картриджные нагреватели расположены на расстоянии 15–25 мм от поверхности, зональное управление (±2 градуса). |
| Чистота поверхности | Полировка до Ra меньше или равна 0,4 мкм. |
Заключение
Выбор плиты для формования LFT — это битва против истирания и деформации, которую можно выиграть, выбрав твердый, хорошо поддерживаемый инструмент с идеально равномерным тепловым профилем.прессование с нагревательной плитой, термопласты с длинными волокнамидля применений требуется поверхность, способная выдерживать шлифование стеклянных волокон,-достигаемое с помощью азотирования, твердого хромирования или керамического покрытия PVD-в сочетании с ребристой задней стороной, устойчивой к изгибу под высоким давлением. Картриджные нагреватели, расположенные близко к рабочей поверхности и расположенные в независимых зонах, обеспечивают равномерное нагревание, необходимое для глубокой вытяжки. Для изготовления легких и прочных автомобильных деталей завтрашнего дня требуется инструмент, который не изнашивается, а правильно выбранный валик обеспечивает именно такую долговечность.
