Формоването чрез компресиране на голяма автомобилна част от зареждане от горещ, подсилен със стъклени влакна термопласт е като пресоване на горещо, абразивно одеяло. Докато материалът тече под тонове налягане, той се смила срещу нагретите плочи. Стандартната стоманена плоча ще се износи и ще загуби своята плоскост, причинявайки вариации в дебелината на детайла. Плочата трябва да е бронирана. Избор на правилниятермопласти с дълги влакна, компресионно формоване с нагревателна плочатърсенето на приложения изисква внимание към твърдостта на повърхността, структурната твърдост и топлинната еднородност-особено когато са включени геометрии за дълбоко изтегляне.
Предизвикателството за износване: стъклени влакна като абразивни агенти
Термопластите с дълги влакна (LFT) обикновено съдържат 20–50% тегловни стъклени влакна, като дължините на влакната варират от 6 до 25 mm. По време на хода на компресия разтопената полимерна матрица пренася тези твърди, остри влакна през повърхността на плочата под налягане от 50–200 бара (5–20 MPa). Влакната действат като микроскопични скрепери, като постепенно премахват материала от повърхността на плочата. Мека или необработена стоманена плоча развива драскотини, бразди и локализирани вдлъбнатини в рамките на седмици или месеци след производството. Получената неравномерност на дебелината на частта води до отхвърлени компоненти и преработка на инструмента.
Повърхностно втвърдяване: Първата линия на защита
Лицето на плочата е наковалнята, а течащият, пълен със стъкло полимер е безмилостният чук. За да издържи на тази абразия, повърхността на плочата трябва да постигне твърдост от поне 60 Rockwell C (HRC) или приблизително 700–800 HV.
Избор на основен материал
Тялото на плочата обикновено се произвежда от висококачествена инструментална стомана, като AISI H13 (1.2344), AISI P20 (1.2311) или предварително закалена AISI 4140. Тези стомани осигуряват добра топлопроводимост, обработваемост и стабилност на размерите при типични температури на формоване от 150–250 градуса. Въпреки това, основната стомана сама по себе си не е достатъчна за приложения на LFT.
Обработки за повърхностно втвърдяване
Използват се три често срещани метода за втвърдяване на работната повърхност на пресована формовъчна плоча за LFT:
| Лечение | Дълбочина | Твърдост (HRC) | Пригодност за LFT |
|---|---|---|---|
| Азотиране (газ или плазма) | 0,3–0,5 мм | 65–70 | Добър за умерено съдържание на стъкло (По-малко или равно на 30%) |
| Твърдо хромирано покритие | 0,05–0,2 mm | 65–70 | Добър, но може да се лющи при високи точкови натоварвания |
| PVD керамично покритие (TiN, CrN, AlTiN) | 2–5 µm (0,002–0,005 mm) | 80–85 (до 2000–3000 HV) | Отличен за силно напълнени съединения (повече от или равно на 40% стъкло) |
Азотиранесъздава дифузионна зона, която постепенно преминава от твърдия съставен слой към по-мекото ядро, предотвратявайки разслояването. Това е най-рентабилният избор за средносерийно производство.
Твърдо хромирано покритиепредлага отлична устойчивост на износване, но изисква внимателна подготовка на ръбовете, за да се избегне отлепване при термичен цикъл.
Покрития с физическо отлагане на газове (PVD). such as titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN) provide the highest surface hardness (typically >2000 HV) и много нисък коефициент на триене. Въпреки че покритието е изключително тънко (няколко микрона), то драстично намалява износването на лепилото и надраскването на влакната. За най-абразивните съединения със силен стъклен пълнеж (напр. 50% стъкло), PVD покритието е най-доброто решение.
Структурна твърдост: дизайн с оребрена задна страна
При високите налягания на формоване, необходими за LFT формоване-често 100–200 бара-плочата трябва да издържа на огъване и деформация. Дори лека изпъкнала или вдлъбната деформация (от порядъка на 0,1 mm) води до неравномерна дебелина на частта, с тънки участъци, където налягането е най-високо, и дебели участъци по краищата.
За да се запази равнината, задната страна на нагревателната плоча (страната, противоположна на оформящата повърхност) трябва да бъде силно оребрена. Ребрата се отливат или обработват като решетка, увеличавайки модула на сечението без добавяне на прекомерна маса. Анализът на крайните елементи (FEA) обикновено се извършва за оптимизиране на разстоянието и дебелината на ребрата за очакваната сила на затягане и геометрията на формата. Добре оребрена плоча с обща дебелина 50–100 mm може да постигне деформация от по-малко от 0,05 mm на разстояние от 1 метър при пълно натоварване.
Термична еднородност за формоване с дълбоко изтегляне
Дълбоко изтеглени LFT части-като черупки на автомобилни задни седалки, предни модули или корпуси на батерии-изискват постоянен материален поток във вертикални или почти вертикални стени. Ако повърхността на плочата има горещи или студени зони, полимерът ще тече неравномерно: по-горещите региони позволяват по-бърз поток, докато по-хладните региони причиняват преждевременно втвърдяване и непълно запълване.
Нагревателните елементи, обикновено патронни нагреватели, трябва да се поставят възможно най-близо до работната повърхност-обикновено на 15–25 mm под повърхността. Това минимизира термичното забавяне и позволява бърза реакция на промените в зададената температура. Патронните нагреватели са подредени в зигзаг или паралелен модел с по-малко разстояние в зони с големи топлинни загуби (напр. близо до краищата и в ъглите на дълбоко изтегляне). Трябва да бъдат определени множество независими нагревателни зони (обикновено 3–6 зони на плоча), всяка със собствен температурен сензор (термодвойка или RTD) и контролер със затворен контур. Тази зонирана конфигурация компенсира различните топлинни загуби през плочата и гарантира, че цялата зона на формоване-включително кухината за дълбоко изтегляне-остава в рамките на ±2 градуса от целевата температура.
Повърхностно покритие за освобождаване на част
Повърхността на валяка трябва да бъде полирана до фино покритие (Ra 0,2–0,4 µm или по-добро), за да се подобри освобождаването на формованата LFT част. По-гладка повърхност също намалява съпротивлението на влакната и натрупването на разградени полимерни остатъци. За плочите с PVD покритие, покритието наследява основния лак, осигурявайки устойчивост на износване и лесно освобождаване.
Обобщение на критериите за подбор за LFT компресионно формоване
| Изискване | Препоръчителна спецификация |
|---|---|
| Основен материал | Инструментална стомана (H13, P20 или 4140) |
| Твърдост на повърхността | По-голямо или равно на 60 HRC (по-голямо или равно на 700 HV) |
| Метод на втвърдяване | Азотиране (0,3–0,5 mm) за<30% glass; PVD TiN/CrN for >30% стъкло |
| Задната страна на плочата | Силно оребрени, FEA-оптимизирани за деформация<0.05 mm/m |
| Нагревателни елементи | Патронни нагреватели, поставени на 15–25 mm от повърхността, зонирано управление (±2 градуса) |
| Повърхностно покритие | Полиран до Ra По-малко или равно на 0,4 µm |
Заключение
Изборът на вал за LFT формоване е битка срещу абразията и деформацията, спечелена чрез избора на твърд, добре поддържан инструмент с идеално равномерен топлинен профил. Theтермопласти с дълги влакна, компресионно формоване с нагревателна плочаприложенията изискват повърхност, която може да издържи на смилането на стъклени влакна-постигнато чрез азотиране, твърд хром или PVD керамични покрития-комбинирани с оребрена задна страна, за да устои на деформация под високо налягане. Патронните нагреватели, разположени близо до работната повърхност, подредени в независими зони, доставят равномерната топлина, необходима за дълбоко изтегляне. Формоването на утрешните леки, здрави автомобилни части изисква инструмент, който отказва да се износва, а правилно подбраната плоча осигурява точно тази издръжливост.
