Warum versagen Warmschmiedegesenke vorzeitig, was zu Produktionsunterbrechungen und Kostensteigerungen führt? Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Formen und Ursachen von Gesenkversagen, wie Verschleiß, Rissbildung, thermische Ermüdung und plastische Verformung. Er bietet auch praktische Lösungen zur Verbesserung der Langlebigkeit und Leistung von Werkzeugen. Die Leser erhalten Einblicke in die Optimierung von Schmiedeprozessen, um Ausfallzeiten zu reduzieren und die wirtschaftlichen Ergebnisse zu verbessern.
Das Schmiedegesenk ist ein entscheidendes Werkzeug im Gesenkschmiedeverfahren, das ein Schlüsselfaktor im Produktionsprozess ist. Das Gesenk wird als Verschleißteil betrachtet, und sein Ausfall bedeutet, dass es während seiner festgelegten Lebensdauer nicht mehr funktionstüchtig ist. Die Lebensdauer des Gesenks bezieht sich auf die Anzahl der Teile, die ab dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme hergestellt werden, bis die normale Abnutzung zu seinem Verbrauch führt.
Ein vorzeitiger Ausfall der Matrize kann zu Produktionsunterbrechungen, höheren Kosten, geringerer Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt und geringerem wirtschaftlichen Nutzen für das Unternehmen führen. Zur Maximierung der Leistung der Matrizenmaterialzu verbessern, die Qualität und Lebensdauer zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken, ist ein wichtiges Anliegen in der Schmiedeindustrie.
Dieser Artikel befasst sich mit den Hauptursachen für das Versagen von Schmiedegesenken und zeigt wirksame Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer Lebensdauer auf.
Hammerschmiedegesenke und Maschinenschmiedegesenke sind Warmumformwerkzeuge, die in Freiformschmiedehämmern, Gesenkschmiedehämmern und Pressen verwendet werden. Es handelt sich um typische Warmarbeitsgesenke, die während des Arbeitsprozesses sowohl mechanisch als auch thermisch beansprucht werden. Die mechanische Beanspruchung erfolgt in erster Linie durch Schlag und Reibung, während die thermische Beanspruchung durch abwechselndes Erhitzen und Abkühlen verursacht wird.
Aufgrund der komplexen Arbeitsbedingungen von Schmiedegesenken kann auch ihr Versagen komplex sein, einschließlich Verschleiß und Rissbildung im Hohlraumteil, thermische Ermüdung (thermische Rissbildung) und plastische Verformung der Hohlraumoberfläche.
Abbildung 1 veranschaulicht die verschiedenen Versagensarten, die in verschiedenen Teilen des Schmiedegesenkes auftreten können.
Abbildung 1 Unterschiedliche Positionen des Versagens des Schmiedegesenks in der Kavität
Nach den Daten in Abb. 2 beträgt die Wahrscheinlichkeit von Verschleiß 68%, Rissbildung 24%, plastische Verformung (Zusammenbruch) 3% und thermische Rissbildung 2%.
Abbildung 2 Anteil der verschiedenen Hauptausfallarten von Schmiedegesenken
Die Oberflächeneigenschaften des Warmschmiedegesenks beim Auftreten von Verschleiß sind in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3 Oberflächenverschleißmorphologie des Schmiedegesenks
Unter der kombinierten Wirkung von mechanischer und thermischer Beanspruchung erfahren der Rohling und die Kavitätenoberfläche eine Schlagbeanspruchung, während die Hochgeschwindigkeitsströmung des Rohlings, seiner Oxidhaut und der Kavitätenoberfläche eine starke Reibung erzeugt. Infolgedessen kommt es an den abgerundeten Ecken und der Gratnutenbrücke der Matrize zu Verschleiß, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Der Verschleiß wird von Faktoren wie dem Werkstoff des Gesenks, der Art des Rohlings und dem Schmiedeverfahren beeinflusst. Eine Senkung der Schmiedetemperatur, die den Widerstand des Rohlings gegen Verformung erhöht, führt zu einem drastischen Anstieg des Gesenkverschleißes. Darüber hinaus kann die Explosion, die durch die Verbrennung des Schmiermittels auf Ölbasis im Spalt zwischen Gesenk und Rohling entsteht, zu korrosivem Verschleiß führen.
Der Verschleiß von Warmschmiedegesenken ist in der Regel auf die folgenden neun Faktoren zurückzuführen:
Nachfolgend sind Gegenmaßnahmen zur Verbesserung des Heißverschleißes aufgeführt, der durch die zuvor genannten Faktoren verursacht wird:
Die morphologischen Merkmale der Rissbildung im Schmiedegesenk sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4 Morphologische Merkmale der Rissbildung im Schmiedegesenk
Die Rissbildung in Schmiedegesenken kann je nach ihrer Art in zwei Kategorien unterteilt werden: frühe Sprödrisse und mechanische Ermüdungsrisse.
Frühe spröde Risse treten typischerweise bei der ersten Verwendung der Matrize auf und können schon durch wenige Hammerschläge entstehen. Der Riss beginnt an der Quelle und breitet sich in einem Fischgrätenmuster nach außen aus.
Mechanische Ermüdungsrisse treten auf, nachdem das Gesenk mehrere Schmiedehübe durchlaufen hat. Er weist die charakteristischen Merkmale allgemeiner Ermüdungsbrüche auf, aber die Rissausdehnungszone ist im Allgemeinen auf makroskopischer Ebene kleiner.
Die Ursachen für die Rissbildung in Stanzformen lassen sich in sieben Hauptkategorien zusammenfassen:
All diese Faktoren können zur Rissentstehung führen und sowohl frühe Sprödrisse als auch mechanische Ermüdungsrisse zur Folge haben.
Abbildung 5 Der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungsverfahren auf die Struktur und die Eigenschaften des Stumpfes (die Matrizenstahl ASSAB 8407, Stahl der Güteklasse H13)
Abbildung 5 veranschaulicht die Auswirkungen verschiedener Abkühlungsraten auf die Kerbschlagzähigkeit und das Gefüge von Warmarbeitsstahl während des Vakuumabschreckens. Bei unzureichender Abkühlungsrate wird die Martensit Gehalt sinkt, und eine große Anzahl von Karbiden fällt an den Korngrenzen aus, wodurch die Schlagzähigkeit des Werkstoffs sinkt und die Gefahr von Rissen im Gesenk steigt.
Um Risse in der Matrize zu vermeiden, ist es wichtig, das Auftreten der weißen Schicht aus der Funkenerosion (EDM) zu verhindern, wie in Abbildung 6 dargestellt. Die EDM-Weißschicht hat eine schlechte Duktilität, die zu Rissen führen kann. Darüber hinaus können eine zu dicke Nitridschicht und adernförmige Nitride, die beim Nitrieren entstehen, die Zähigkeit der Matrize erheblich verringern. Die Abbildungen 7 und 8 zeigen die Auswirkungen der Nitridschichttiefe auf die Zähigkeit bzw. die Gefügeeigenschaften von aderförmigen Nitriden.
Zusammenfassend kann man sagen, dass es folgende Gegenmaßnahmen gibt, um das Problem der Rissbildung in den Formen zu verbessern:
(1) Vermeiden Sie eine Überlastung der Matrize, indem Sie sicherstellen, dass die Temperatur des Rohlings in einem angemessenen Bereich liegt, um den Verformungswiderstand zu verringern.
(2) Richtiges Vorwärmen der Matrize (150 bis 200 °C), um die Zähigkeit zu verbessern und die thermische Belastung zu verringern.
Abbildung 6 Morphologie der EDM-Weißschicht
Abbildung 7 Tiefe der Nitrierschicht auf die Auswirkungen der Stahl Kerbschlagzähigkeit sterben
Abb. 8 Mikrostrukturelle Merkmale der aderförmigen Nitride der Nitrierschicht
(3) Umsetzung einer angemessenen Werkzeugkonstruktion den Radius der abgerundeten Ecken zu maximieren, Porosität und Grat in einer vernünftigen Weise anzuordnen und Einsatzstrukturen zu nutzen.
(4) Verwenden Sie geeignete und wirksame Kühlmaßnahmen, um eine übermäßige thermische Belastung der Oberfläche zu vermeiden.
(5) Wählen Sie hochwertiges, hochfestes Formmaterial.
(6) Ordnungsgemäße Wärmebehandlung der Matrize mit Abschrecken und Anlassen und führen Sie eine ordnungsgemäße Oberflächenbehandlung durch, wobei ein Übernitrieren zu vermeiden ist.
(7) Vermeiden Sie die Rückstände der weißen EDM-Schicht und raue Werkzeugoberflächen (z. B. tiefe Werkzeugspuren).
Die morphologischen Merkmale der thermischen Ermüdungsrisse (Risse) an der Oberfläche des Formhohlraums sind in Abbildung 9 dargestellt.
Abbildung 9 Thermische Ermüdungsriss Morphologiemerkmale auf der Oberfläche des Formhohlraums
Die so genannte "thermische Ermüdung" bezieht sich auf die Ermüdungsrisse und -ausfälle, die durch die Matrize unter der wiederholten Einwirkung zyklischer thermischer Spannungen entstehen, wie in Abbildung 10 dargestellt.
Es gibt 7 Hauptursachen für thermische Ermüdung (Rissbildung), die im Folgenden dargestellt werden:
1) Überkühlung an der Oberfläche des Formhohlraums.
2) Unsachgemäße Kühlung.
Abbildung 10 Arbeitstemperatur und thermische Spannungsverteilung auf der Oberfläche des Hohlraums.
(3) Unsachgemäße Auswahl des Kühl-/Schmiermitteltyps.
(4) Die Oberflächentemperatur des Formhohlraums ist zu hoch.
(5) Unzureichende Vorwärmung der Form.
(6) Unsachgemäße Auswahl des Formmaterials.
(7) Wärmebehandlungsfehler und Fehler bei der Oberflächenbehandlung.
Die entsprechenden Gegenmaßnahmen zur Verbesserung der thermischen Ermüdung (Rissbildung) sind wie folgt.
(1) Verhindern Sie das Anlassen und Erweichen der Oberfläche, das durch eine zu hohe Oberflächentemperatur des Hohlraums verursacht wird und die thermische Ermüdungsfestigkeit des Werkzeugs verringern kann.
(2) Verwenden Sie geeignete und wirksame Kühlmaßnahmen, um eine übermäßige thermische Belastung der Oberfläche sowie ein Anlassen und Erweichen der Oberfläche zu verhindern.
(3) Wählen Sie eine geeignete Form Vorwärmtemperaturin der Regel zwischen 150 und 200 °C, wobei zu hohe oder zu niedrige Temperaturen zu vermeiden sind.
(4) Wählen Sie das Material mit hoher Qualität und ausgezeichneter Zähigkeit.
(5) Durchführung eines korrekten Wärmebehandlungsprozesses, wie z.B. die Verwendung einer geeigneten Austenitisierungstemperatur, einer hohen Abkühlungsrate beim Abschrecken und eines vollständigen Anlassens, um eine übermäßig dicke Nitridschicht und Adernitrid beim Nitrieren zu vermeiden.
Abbildung 11 Topografische Merkmale der plastischen Verformung im Warmschmiedegesenk
Wenn das Schmiedegesenk einer Arbeitsspannung ausgesetzt wird, die die Streckgrenze des Werkzeugmaterials kommt es zu einer plastischen Verformung. Abbildung 11 zeigt die typischen morphologischen Merkmale der plastischen Verformung, die durch starkes Anlassen und Erweichen der Oberfläche aufgrund einer zu hohen Oberflächentemperatur der Kavität im Werkzeug verursacht wird.
Plastische Verformung tritt häufig in Teilen des Formhohlraums auf, die sowohl Spannungen als auch Wärme ausgesetzt sind, wie Rippen und Wölbungen. Die hohe Temperatur des Rohlings und der Temperaturanstieg durch Reibung während des Verformungsprozesses der Kavität (der höher ist als die Anlasstemperatur der Matrize) verringern die Streckgrenze des Matrizenmaterials und bilden eine erweichte Schicht an der Oberfläche. Im tieferen Teil dieser Schicht kann es zu plastischen Verformungen kommen, wie z. B. kollabierende Kanten und Ecken oder Vertiefungen in der tiefen Kavität.
Die Hauptursachen für die plastische Verformung des Schmiedegesenks sind die folgenden:
Die entsprechenden Gegenmaßnahmen zur Verbesserung der plastischen Verformung lauten wie folgt:
Zu den primären Versagensarten von Schmiedegesenken gehören Verschleiß und Rissbildung in der Kavität, thermische Ermüdung (thermische Rissbildung) und plastische Verformung der Kavitätsoberfläche.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Formen des Versagens von Schmiedegesenken und zeigt deren Ursachen auf. Er bietet Lösungen zur Vermeidung von Versagen und ist eine Referenz für Schmiedehersteller.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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