Обнаружение истирания при штамповке алюминиевых сплавов, часть I

Примечание редактора: данное исследование представлено в трех частях. В части II будут представлены результаты для вставок из инструментальной стали D2 и двух типов поверхностных покрытий. В части III будут обсуждаться результаты для азотированных и твердохромированных пластин D6510 и S0050A.

Истирание — это холодная приварка частиц листового металла к поверхности штампа. Этот постоянный отложения часто возникает, когда металлические поверхности соприкасаются и скользят друг по другу.

Исследователи из Центра перспективного производства и материалов Оклендского университета (CAMM) недавно провели исследование, чтобы определить, какая комбинация материала штампа, обработки поверхности штампа и смазки наиболее благоприятна для предотвращения истирания при штамповке алюминиевых конструкционных деталей. В качестве материалов штампов они использовали ковкий чугун D6510, литейную сталь S0050A и инструментальную сталь D2, а также вставки из трех испытанных материалов с количеством смазки и обработкой поверхности, обычно используемыми при штамповке.

Исследователи выбрали простую схему испытаний «плоская к плоской» для оценки среднего контактного давления, соответствующего началу истирания при штамповке алюминиевого листа AA5754 толщиной 2,5 мм. Две плоские пластины из идентичного материала, одинаковой шероховатости и количества смазки с контактными поверхностями размером 42 на 42 мм были зажаты вместе в имитаторе тягового валика с контролируемой величиной зажимного усилия (см. рисунок 1). Испытываемые полоски имели длину 600 мм и ширину 50,8 мм. В этой конфигурации полоски оказались шире, чем у тестируемых вставок. Поскольку вставка имела радиус по краю 1,5 мм, влияние края контакта между полосой и вставкой матрицы было менее выраженным.

Испытываемые полоски протягивали между двумя зажатыми вставками со скоростью 1000 мм/мин. для всех заявленных тестов. Удерживающая сила начиналась с 13 кН, минимально возможной удерживающей силы имитатора тягового валика, и увеличивалась до уровня зажимной силы, при котором наблюдалось истирание. Если листовой материал откладывался на поверхности вставки, исследователи удаляли отложения наждачной бумагой с зернистостью 1200, а затем использовали ацетон для удаления грязи и частиц.

Сравнивались три условия смазки: масло мельницы 61AUS (50 мг/фут²), Drycote 2-90 (DC 2-90) и сухое масло без смазки. Датчик NG2 измерял толщину смазки в шести местах на каждой стороне испытательной полосы.

Истиранию часто предшествуют царапины на поверхности листового металла, а общие царапины и истирания можно обнаружить путем наблюдения за кривой тягового усилия/сдвигающего смещения на испытательной машине. Если тянущая сила в ходе эксперимента остается практически постоянной, это означает, что никакого дополнительного сопротивления со стороны испытуемого листового металла не возникло.

Сообщая о результатах по силе тяги и обнаруживая изменения на контактной поверхности, исследователи представили результаты в виде среднего коэффициента трения (COF), определенного на основе закона трения Кулона. Силы трения действуют с обеих сторон полосы, протянутой между двумя противоположными плоскими вставками, а коэффициент трения рассчитывается по формуле µ = F₁/2F₂ (см. рисунок 2).

Исследователи определили начало истирания, исследуя вставки и измеряя площадь истирания с помощью профилометра Bruker. На рис. 3 показаны обе пластины D6510 при определении истирания для смазки DC2-90. Депозиты в профиле показаны красным цветом. Обратите внимание, что отложения алюминиевой заготовки на поверхности вставки штампа чаще встречались ближе к краю вставки. Несмотря на то, что полоска была шире вставки, выдавливание смазки с контактной поверхности могло быть легче в области, близкой к краю вставки.

Исследователи рассчитали коэффициент сопротивления по формуле, используя тянущее усилие, измеренное датчиком нагрузки Instron, и усилие зажима, рассчитанное на основе давления в гидравлическом цилиндре имитатора тягового шарика. Кривые коэффициента трения для вставок D6510 со смазкой DC2-90 представлены на рисунке 4. В целом коэффициент трения для пластин DC2-90 был очень низким, что позволяет формовать сложные формы и выполнять более глубокие вытяжки. Умеренное увеличение COF обычно указывает на появление царапин на поверхности листа, тогда как быстрое повышение указывает на начало истирания. На рисунке 4 кривая начинает расти при силе 70 кН.