Perché gli stampi per lo stampaggio a caldo si guastano prematuramente, interrompendo la produzione e aumentando i costi? Questo articolo approfondisce le principali forme e cause di rottura degli stampi, come l'usura, le cricche, la fatica termica e la deformazione plastica. Offre inoltre soluzioni pratiche per migliorare la longevità e le prestazioni degli stampi. I lettori potranno così capire come ottimizzare i processi di forgiatura per ridurre i tempi di fermo e migliorare i risultati economici.
Lo stampo di forgiatura è uno strumento cruciale nel processo di stampaggio, che rappresenta un fattore chiave nel processo di produzione. Lo stampo è considerato un accessorio consumabile e il suo guasto si riferisce alla perdita del suo utilizzo funzionale durante la durata di vita specificata. La vita utile dello stampo si riferisce al numero di pezzi prodotti dal momento in cui viene messo in uso fino a quando la normale usura ne determina il consumo.
Un guasto prematuro dello stampo può causare interruzioni della produzione, aumento dei costi, diminuzione della competitività sul mercato e riduzione dei benefici economici per l'azienda. Per massimizzare le prestazioni dello materiale dello stampomigliorare la qualità e la durata e ridurre i costi di produzione, è una delle principali preoccupazioni dell'industria della forgiatura.
Questo articolo si concentra sulle principali cause di rottura degli stampi di forgiatura e fornisce metodi efficaci per migliorarne la durata.
Gli stampi per la forgiatura a martello e gli stampi per la forgiatura a macchina sono stampi per la formatura a caldo utilizzati nei magli per la forgiatura libera, nei magli per la forgiatura a stampo e nelle presse. Si tratta di tipici stampi per lavorazioni a caldo che subiscono sollecitazioni sia meccaniche che termiche durante il processo di lavorazione. Le sollecitazioni meccaniche derivano principalmente dall'impatto e dall'attrito, mentre le sollecitazioni termiche sono causate dall'alternanza di riscaldamento e raffreddamento.
A causa delle complesse condizioni di lavoro degli stampi di forgiatura, anche il loro cedimento può essere complesso, includendo l'usura e la cricca della parte della cavità, la fatica termica (cricca termica) e la deformazione plastica della superficie della cavità.
La Figura 1 illustra le varie modalità di guasto che possono verificarsi in diverse parti della cavità dello stampo di forgiatura.
Figura 1 Diverse posizioni di rottura dello stampo di forgiatura nella cavità
Secondo i dati della Fig. 2, tra le principali modalità di guasto, la probabilità di usura è di circa 68%, quella di fessurazione di circa 24%, quella di deformazione plastica (collasso) di circa 3% e quella di fessurazione termica di circa 2%.
Figura 2 Proporzione dei vari modi di rottura principali dello stampo di forgiatura
Le caratteristiche della superficie dello stampo di forgiatura a caldo quando si verifica l'usura sono mostrate nella Figura 3.
Figura 3 Morfologia dell'usura superficiale dello stampo di forgiatura
Sotto l'azione combinata di sollecitazioni meccaniche e termiche, lo spezzone e la superficie della cavità subiscono sollecitazioni da impatto, mentre il flusso ad alta velocità dello spezzone, la sua pelle di ossido e la superficie della cavità creano un forte attrito. Di conseguenza, l'usura tende a verificarsi sugli angoli arrotondati e sul ponte della scanalatura flash dello stampo, come illustrato nella Figura 1.
L'usura è influenzata da fattori quali il materiale dello stampo, il tipo di grezzo e il processo di forgiatura. L'abbassamento della temperatura di forgiatura, che aumenta la resistenza dello spezzone alla deformazione, comporta un drastico aumento dell'usura dello stampo. Inoltre, l'esplosione causata dalla combustione del lubrificante a base di olio confinato nell'intercapedine tra stampo e grezzo può provocare un'usura corrosiva.
L'usura degli stampi di forgiatura a caldo è tipicamente associata ai seguenti nove fattori:
Di seguito sono riportate le contromisure per migliorare l'usura a caldo causata dai fattori precedentemente elencati:
Le caratteristiche morfologiche della fessurazione dello stampo di forgiatura sono illustrate nella Figura 4.
Figura 4 Caratteristiche morfologiche della fessurazione dello stampo di forgiatura
In base alla loro natura, le cricche negli stampi di forgiatura possono essere suddivise in due categorie: cricche precoci fragili e cricche da fatica meccanica.
Le prime cricche fragili si verificano in genere quando lo stampo viene utilizzato per la prima volta e possono essere causate da pochi colpi di martello. La cricca parte dall'origine e si espande verso l'esterno con un andamento a spina di pesce.
La cricca da fatica meccanica si verifica dopo che lo stampo è stato sottoposto a più colpi di forgiatura. Presenta le caratteristiche delle fratture da fatica generali, ma la zona di estensione della cricca è generalmente più piccola a livello macroscopico.
Le cause della fessurazione degli stampi possono essere riassunte in sette categorie principali:
Tutti questi fattori possono portare all'innesco di cricche e provocare sia cricche fragili precoci che cricche da fatica meccanica.
Figura 5 L'influenza dei diversi processi di trattamento termico sulla struttura e sulle proprietà dello stampo (il acciaio per stampi grado è ASSAB 8407, acciaio di alta qualità H13)
La Figura 5 illustra l'effetto di diverse velocità di raffreddamento sulla tenacità all'urto e sulla microstruttura dell'acciaio da lavorazione a caldo durante la tempra sotto vuoto. Quando la velocità di raffreddamento è insufficiente, la martensite diminuisce e un gran numero di carburi precipita sui bordi dei grani, riducendo la tenacità all'impatto del materiale e aumentando il rischio di cricche.
Per evitare la criccatura dello stampo, è importante evitare la comparsa dello strato bianco dovuto alla lavorazione a scarica elettrica (EDM), come mostrato nella Figura 6. Lo strato bianco dell'EDM è poco duttile e può causare cricche. Lo strato bianco dell'elettroerosione ha una scarsa duttilità, che può portare a cricche. Inoltre, uno strato di nitruro troppo spesso e i nitruri a forma di vena prodotti durante la nitrurazione possono ridurre significativamente la tenacità dello stampo. Le figure 7 e 8 mostrano l'impatto della profondità dello strato di nitruro sulla tenacità e le caratteristiche microstrutturali dei nitruri venosi.
In sintesi, le seguenti sono le contromisure per migliorare il problema della fessurazione degli stampi:
(1) Evitare il sovraccarico dello stampo assicurandosi che la temperatura del pezzo grezzo sia compresa in un intervallo ragionevole per ridurre la resistenza alla deformazione.
(2) Preriscaldare adeguatamente lo stampo (da 150 a 200°C) per migliorare la tenacità e ridurre lo stress termico.
Figura 6 Morfologia dello strato bianco per elettroerosione
Figura 7 Profondità dello strato di nitrurazione sull'impatto della tenacità all'urto dell'acciaio matrice
Fig. 8 Caratteristiche microstrutturali dei nitruri venosi dello strato di nitrurazione
(3) Attuare una ragionevole design dello stampo per massimizzare il raggio degli angoli arrotondati, disporre in modo ragionevole le porosità e le scaglie e utilizzare le strutture degli inserti.
(4) Utilizzare misure di raffreddamento adeguate ed efficaci per evitare uno stress termico eccessivo sulla superficie.
(5) Scegliere un materiale per stampi di alta qualità e di elevata resistenza.
(6) Trattare adeguatamente la matrice con tempra e rinvenimento ed eseguire un trattamento superficiale adeguato, evitando un'eccessiva nitrurazione.
(7) Evitare lo strato bianco residuo dell'elettroerosione e le superfici ruvide dell'utensile (come i segni profondi dell'utensile).
Le caratteristiche morfologiche delle cricche da fatica termica (cracking) della superficie della cavità dello stampo sono mostrate nella Figura 9.
Figura 9 Termico fessura da fatica caratteristiche morfologiche della superficie della cavità dello stampo
La cosiddetta "fatica termica" si riferisce alle cricche da fatica e ai cedimenti prodotti dallo stampo sotto l'azione ripetuta di sollecitazioni termiche cicliche, come illustrato nella Figura 10.
Esistono 7 cause principali di fatica termica (cricche), illustrate di seguito:
1) Raffreddamento eccessivo sulla superficie della cavità dello stampo.
2) Raffreddamento inadeguato.
Figura 10 Temperatura di lavoro e distribuzione dello stress termico sulla superficie della cavità.
(3) Selezione errata del tipo di refrigerante/lubrificante.
(4) La temperatura superficiale della cavità dello stampo è troppo elevata.
(5) Preriscaldamento inadeguato dello stampo.
(6) Scelta impropria del materiale dello stampo.
(7) Difetti di trattamento termico e difetti di trattamento superficiale.
Le contromisure corrispondenti per migliorare la fatica termica (cricche) sono le seguenti.
(1) Impedire la tempra e il rammollimento della superficie causati da una temperatura eccessiva della superficie della cavità, che può ridurre la resistenza alla fatica termica dello stampo.
(2) Utilizzare misure di raffreddamento appropriate ed efficaci per prevenire un eccessivo stress termico superficiale e la tempra e il rammollimento della superficie.
(3) Scegliere uno stampo appropriato temperatura di preriscaldamento, in genere tra 150 e 200°C, evitando temperature troppo alte o troppo basse.
(4) Selezionare materiale per stampi di alta qualità e ottima tenacità.
(5) Attuare un corretto processo di trattamento termico, come l'utilizzo di un'adeguata temperatura di austenitizzazione, un'elevata velocità di raffreddamento per tempra e un rinvenimento completo, per evitare uno strato di nitruro eccessivamente spesso e una vena di nitruro durante la nitrurazione.
Figura 11 Caratteristiche topografiche della deformazione plastica nello stampo di forgiatura a caldo
Quando lo stampo di forgiatura è sottoposto a sollecitazioni di lavoro che superano il valore di resistenza allo snervamento del materiale dello stampo, si verifica una deformazione plastica. La Figura 11 mostra le caratteristiche morfologiche tipiche della deformazione plastica causata da un forte rinvenimento e rammollimento della superficie a causa della temperatura troppo elevata della superficie della cavità nello stampo.
La deformazione plastica si verifica spesso nelle parti della cavità dello stampo sottoposte a sollecitazioni e calore, come le nervature e le bombature. L'alta temperatura dello spezzone e l'aumento di temperatura dovuto all'attrito durante il processo di deformazione della cavità (che è superiore alla temperatura di tempra dello stampo) riducono la resistenza allo snervamento del materiale dello stampo e formano uno strato rammollito sulla superficie. Nella parte più profonda di questo strato, possono verificarsi deformazioni plastiche come il collasso di bordi e angoli o depressioni nella cavità profonda.
Le principali cause di deformazione plastica dello stampo di forgiatura sono le seguenti:
Le contromisure corrispondenti per migliorare la deformazione plastica sono le seguenti:
Le principali modalità di guasto degli stampi per forgiatura comprendono l'usura e la cricca della cavità, la fatica termica (cricca termica) e la deformazione plastica della superficie della cavità.
Questo articolo passa in rassegna le principali forme di cedimento degli stampi di forgiatura e ne identifica le cause, offrendo soluzioni per prevenire i cedimenti e fornendo un riferimento ai produttori di stampi.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
IT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO