Как правильно подобрать сталь для формообразующих

В данной форме в качестве основы используется алюминий, так как он обладает превосходной теплопроводностью, а для полых вставок используется инструментальная сталь, чтобы максимально увеличить износостойкость.

При выборе стали или сплава для формообразующих необходимо принимать во внимание ряд факторов, которые помогут определить наилучший вариант. Необходимо учитывать такие детали, как: материал, который вы будете использовать, ожидаемое время цикла, особенности изделий, планируемый объем производства, а также объем затрат на саму оснастку и ее техническое обслуживание. Цель данной статьи не в том, чтобы предложить, порекомендовать или отдать предпочтение какой-либо конкретной стали или сплаву, а в том, чтобы предложить некоторые рекомендации, которые следует учитывать при выборе.

Техническое обслуживание - это критерий, на который стоит обратить внимание в первую очередь. Большинство производителей пресс-форм имеют четкое мнение о той или иной инструментальной стали, так как постоянно сталкиваются с разными их видами в процессе изготовления, обслуживания или ремонта. Конечно же мнения могут отличаться, но стоит сохранять непредвзятость и принимать во внимание общую картину. В некоторых случаях стоит согласиться на дополнительное техническое обслуживание, если окупаемость может быть достигнута за счет, например, быстрого цикла или меньшей стоимости оснастки. Но цена никогда не должна быть главным фактором, ведь часто бывает, что то, что изначально дешевле, по итогу обходится гораздо дороже.

У каждого варианта есть свои плюсы и минусы, поэтому важно знать все аспекты, чтобы понимать не только первоначальные затраты на оснастку, но и долгосрочные. Если необходима пресс-форма с большим ресурсом, то стоит отдать предпочтение закаленной инструментальной стали. Это увеличит расходы на начальном этапе, но снизит затраты на техническое обслуживание в дальнейшем. Но есть один нюанс: закаленные стали обладают меньшей теплопроводностью, что может повлиять на время охлаждения, а поэтому следует уделить особо внимание конструктиву системы охлаждения пресс-формы. Если же выбирать стандартную незакаленную инструментальную сталь, то первоначальные затраты будут ниже, а долгосрочные увеличатся.

Можно также сделать дополнительную обработку поверхности формообразующих, что позволит уменьшить износ и обойдется дешевле, чем закаленная сталь, но может вызвать дополнительные трудности, если поверхность будет повреждена. На восстановление понадобится много времени и денег, особенно, если это изделие с высокими требованиями к внешнему виду. Но теплопроводность такой формы будет на 10-15% больше, чем у закаленной инструментальной стали. Кроме того, есть варианты из алюминия и сплавов с гораздо большей теплопроводностью, которые могут иметь большую окупаемость за счет сокращения времени цикла. Рассмотрим еще раз — плюсы и минусы каждого варианта.

Таблица сравнения преимуществ и недостатков сталей для формообразующих

Какой материал используется при литье?

Первое, на что необходимо обратить внимание, - это материал, из которого изготавливается изделие. При работе с абразивными стеклонаполненными полимерами стоит сосредоточиться на решении проблем, связанных с износом и эрозией, за исключением случаев, когда ожидаемый объем производства невысок. Для таких материалов обычно требуется хорошее охлаждение, а стали с наилучшими показателями износостойкости, как правило, имеют более низкую теплопроводность. Исключением являются твердосплавные вставки, обладающие отличными износостойкими свойствами наряду с высокой теплопроводностью, но это достаточно затратный вариант.

Для работы с коррозионно-активными материалами, такими как ПВХ, обычно выбирают нержавеющую сталь. Использование более дешевых вариантов потребует существенных усилий для предотвращения коррозии. Для деталей с очень высокими требованиями к чистоте поверхности следует рассматривать инструментальные стали, хорошо поддающиеся шлифовке. Для полимеров без абразива наиболее распространенным вариантом является сталь P20. Но при использовании небольших пресс-форм для крупносерийного производства все же лучшим вариантом будет закаленная сталь, которая прослужит долго и не требует особого технического обслуживания. Если же нужна пресс-форма с небольшим производственным ресурсом, то хорошим выбором может быть и алюминий, который в том числе позволит и сократить время цикла, но он уже не так хорош с точки зрения износостойкости.

Алюминий и теплопроводные стали

Несколько лет назад было много разговоров и исследований об алюминии и его положительном влиянии на стоимость изготовления пресс-формы и на время цикла, но при ближайшем рассмотрении всех аспектов открываются некоторые негативные моменты, которые могут перечеркнуть все плюсы использования данного металла. Кроме того, существует множество видов алюминия, каждый из которых имеет свои показатели твердости и теплопроводности, поэтому всегда стоит помнить о том, что алюминий алюминию рознь.

Алюминий часто используется при прототипировании для сокращения затрат на начальном этапе, когда в дальнейшем уже изготавливается оснастка из стали. Но нужно иметь в виду, что результаты литья не будут одинаковыми, а в некоторых случаях могут существенно отличаться в зависимости от геометрии и размера детали. Основной причиной является разница в охлаждении, так как алюминий обладает гораздо большей теплопроводностью. Не стоит использовать алюминий для крупногабаритных деталей, имеющих строгие требования к внешнему виду, а также для пресс-форм со сложным конструктивом. Алюминий очень мягкий и требует особого внимания при проектировании.

Такие сплавы, как MoldMax, Moldstar или Ampco, показывают хорошие показатели времени цикла из-за их превосходной теплопроводности. Они также бывают разной твердости, но по мере увеличения твердости этих сплавов их теплопроводность снижается. Эти материалы прочнее, чем алюминий, но и дороже. При использовании для литья стеклонаполненных материалов эти сплавы должны иметь специальное покрытие для предотвращения эрозии, что требует дополнительных затрат (наряду с дополнительным обслуживанием). Обычно эти материалы используются, когда размеры отливок очень малы, либо их форма сложна для реализации хорошей системы охлаждения. Ковочные сплавы более эластичны по сравнению с литыми, а литые в свою очередь более устойчивы к износу.

Наиболее распространенной инструментальной сталью среднего класса является P20 и ее аналоги, имеющие твердость 28-30RC. Эта сталь может быть закалена до твердости 38-40RC, а также хорошо поддается полировке. Именно ее чаще всего выбирают для оснасток мелкосерийного производства при литье из неабразивных материалов.

Для изделий с очень жесткими допусками, а также объемных деталей чаще всего выбирают S7. Это очень износостойкая, ударопрочная инструментальная сталь, которую можно закалить до твердости 56RC. Она гораздо более стабильна в процессе термической обработки, сжимаясь или расширяясь меньше, чем H13 или нержавеющая сталь. Чаще всего поверхность формообразующих закаливают до 50-52RC. S7 также может использоваться для направляющих или съемников, в этом случае ее закаливают до 54-56RC. Такая разница в твердости позволяет уменьшить износ в процессе трения, и пресс-форма с такой комбинацией сталей прослужит долго, даже если ее конструктив весьма сложен.

Старое правило о необходимости соблюдения разброса твердости в 10 единиц для подвижных элементов и формообразующих уже не так важно, когда речь идет о сталях с высокой твердостью. И даже при работе с более мягкими сталями, это правило не спасет, и все равно периодически будут образовываться задиры, которые придется устранять. Самая распространенная ошибка - заказывать предварительно закаленные элементы из H13 с твердостью 40RC и думать, что они готовы к работе. Это совершенно неверно. Такие элементы нужно азотировать после подгонки.

Нержавеющая сталь обычно используется при работе с ПВХ, а также при изготовлении оснастки для медицинских инструментов, где требуется высокое качество полировки поверхности. Верхний предел твердости нержавеющей стали составляет 50-52RC.

Сталь H13 наиболее предпочтительна при литье абразивных материалов. Поверхность формообразующих из этой стали не закаляют выше 50RC, так как есть вероятность появления трещин под напряжением. Чаще всего останавливаются на твердости 44-48RC.

При необходимости закаливания любой инструментальной стали, следует уделить внимание некоторым важным моментам, дабы избежать появления трещин на поверхности формообразующих и поломок элементов пресс-формы. Как правило эти проблемы возникают, если сталь имеет высокую твердость на поверхности, но при этом плохую структуру в основе, либо если конструкция оснастки имеет острые кромки. Следите, чтобы карманы для направляющих и съемников не имели острых углов в плоскости формообразующих. Часто при разработке дизайна в CAD эти радиусы на кромках не прорисовываются, но при обработке на EDM нужно помнить об этом и добавлять радиусы везде, где это возможно.