طراحی و رفع عیوب قالبهای دائمی

فولادهای ابزار سرد کار
چند نوع ابزار سرد کار (Cold- work tool steels) در زیر معرفی می‌شوند:
01 یک فولاد ابزار همه منظوره (General purpose) سخت شونده در روغن است که در عملیات حرارتی، سختی بالایی می‌گیرد. ابزارها و قالب‌های ساخته شده از این نوع فولاد دارای لبه‌های بادوامی هستند.

06 یک فولاد ابزار با آلیاژ متوسط (Medium- alloy) و 1.45% کربن و سخت شونده در روغن است. در این فولاد در حالت آنیل شده، حدود یک سوم کربن به صورت گرافیت و بقیه کربن به صورت ترکیب کاربیدی می‌باشد. سهولت ماشین‌کاری این فولاد ابزار بهتر از بقیه انواع فولادهای سخت شونده روغن است. فولاد 06 برای کاربردهای عمومی در قالب‌سازی و ابزارسازی مناسب است واستحکام به سایش بسیار خوبی دارد. ولی لبه‌ها قطعات ساخته شده از این فولاد دوام زیادی ندارد.

A2 یک فولاد ابزار همه منظوره سخت شونده در هوا است که به هنگام عملیات حرارتی دچار اعوجاج اندکی می‌شود و استحکام به سایش خوبی دارد. این فولاد کاربردهای عمومی زیادی دارد و نسبت به فولادهای گروه S (مقاوم در برابر شوک) استحکام سایشی بالاتر داشته و چقرمگی بهتری نسبت به فولادهای گروه D (مقاوم به سایش) دارد.

A6 یک فولاد ابزار کرم – مولیبدن کم آلیاژ (Low- alloy) سخت شونده در هوا است که ترکیبی از ویژگی‌های چقرمگی، استحکام و مقاومت در برابر سایش را از خودنشان می‌دهد. برای ساخت ابزارها و قالب‌های سرد کار با عمر کاری متوسط، A6 یک انتخاب عالی است. دمای سختکاری این فولاد نسبتا پایین است و در هوا سخت می‌شود و به همین دلیل ثبات ابعادی خوبی در عملیات حرارتی دارد.

D2 یک فولاد ابزار پر کربن و پر کرم، سخت شونده در هوا است. این فولاد طوری فرموله شده است که ترکیبی از ویژگی‌های حاصل از سخت شونده در هوا و مقاومت عالی در برابر سایش را از  خود نشان می‌دهد. این نوع فولاد به عنوان یک معیار استاندارد برای مقایسه دیگر فولادها از نظر مقاومت سایشی، ثبات ابعادی در عملیات حرارتی و دیگر ویژگی‌های حاصل از سخت شدن در هوا می‌باشد.

D3 یک فولاد ابزار سرد کار پر کربنی سخت شونده در روغن است. از ویژگی‌های مهم این فولاد می‌توان به مقاومت سایشی بسیار زیاد، استحکام فشاری بالا و قابلیت سختکاری عمقی (Deep hardening) اشاره کرد. از این فولاد در مواردی استفاده می‌شود که مقاومت سایشی، تغییر شکل ناپذیری (Non- deformation) و سختی بالا مورد نیاز باشد.

فولادهای مقاوم در برابر شوک
S1 یک فولاد مقاوم در برابر شوک همه منظوره و سخت شونده در روغن است. این فولاد ویژگی‌های فولادهای سرد کار و گرم کار را تواما دارد و برای ابزارهایی که در معرض شوک قرار می‌گیرند، مناسب است. S1 کربن کمی دارد و به همین دلیل چقرمگی این فولاد خوب است. وجود کرم و تنگستن در این فولاد باعث ایجاد مقاومت سایشی و سختی‌پذیری بالا می‌شود. سطح قطعات ساخته شده از فولاد S1 را معمولا کربن‌دهی (سمانتاسیون) می کنند تا استحکام سایشی آنها افزایش یابد.

S5 یک فولاد مقاوم در برابر شوک و سخت شونده در روغن است که هم می‌توانند نرم باشد و هم قابلیت سختی‌پذیری زیاد دارد.
S7 یک فولاد مقاوم در برابر شوک سخت شوند در هوا است که مقاومت در برابر ضربه (چقرمگی) آن عالی است. این فولاد کاربردهای متنوعی دارد. از فولاد S7 در ساخت ابزارها و قالب‌های سرد کار متوسط، قالب‌های تزریق پلاستیک، تیغه‌های برش، قالب‌های گرم، کار متوسط و قطعات متنوع دیگر استفاده می شود.

فولادهای ابزار گرم‌کار
H13 پرمصرف‌ترین فولاد گرم‌کار (Hot-work) سخت شونده در هوا است که از آن در ساخت قالب‌های دای‌کست (Die- Cast) قالب‌های تزریق پلاستیک و قالب‌های فورجینگ (Forging) استفاده می گردد. ویژگی‌های فولاد H13 عبارتند از سختی سرخ (Red hardness) خوب، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر ترک‌های حرارتی، بهترین سختی کاربردی این فولاد 44-48 HRC برای قالب‌های دای‌کست و 40-44 HRC برای قالب‌های مقاوم در برابر شوک (مانند قالب‌های فورجینگ) است.

فولادهای ابزار تندبر
M2 یکی از فولادهای تندبر سخت شونده در هوا، روغن یا نمک (Salt) است که عنصر آلیاژی اصلی آن مولیبدن و دیگر عناصر آن تنگستن، کرم و وانادیم می‌باشد. این یک فولاد همه منظوره مقاوم در برابر شوک و سایش است و سختی سرخ خوبی دارد.
M4 یک فولاد تندبر سخت شوند در هوا، روغن یا نمک، با عناصر آلیاژی مولیبدن، تنگستن و وانادیم و میزان کربن بالا است. مقاومت سایشی این فولاد در مقایسه با دیگر فولادهای تندبر خیلی بیشتر است.

M42 یک فولاد تندبر سخت شونده در هوا یا نمک است. این فولاد پر کربن است و عناصر آلیاژی اصلی آن مولیبدن و کبالت می‌باشد. این فولاد را می توان تا 70 HRC سخت کرد. سختی سرخ فولاد M42 عالی و چقرمگی آن نیز خوب است. مقاومت سایشی این فولاد عالی و سنگ‌زنی آن نیز به سادگی انجام می شود. در مواردی که مقامت سایشی بالا، سختی سرخ خوب و چقرمگی در یک ابزار لازم باشد، باید از فولاد M42 استفاده نمود.
T15 یک فولاد تندبر از نوع تنگستنی سخت شونده در هوا یا نمک است که میزان کربن، وانادیم و کبالت آن بالا است و توصیه می‌شود در مواردی که مقاومت سایشی و سختی سرخ زیادی مورد نیاز باشد، از این فولاد استفاده شود.

فولادهای قالب پلاستیک
فولاد 420 یک فولاد زنگ زن سخت شونده و در روغن یا هوا است. این فولاد مقاومت سایشی، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت پرداخت‌کاری خوبی دارد و می‌تواند آن را تا 46-50 HRC سخت کرد.
P20  یک فولاد با آلیاژ متوسط و از پیش سخت شده با سختی HB 300 است. این فولاد قالب را در حالت سخت شده می‌توان به خوبی ماشینکاری نمود.

انتخاب فولادهای ابزار
جدول زیر می‌توان به عنوان راهنما در انتخاب بهترین فولاد ابزار، برای یک ابزار یا قالب استفاده نمود. در این انتخاب باید به معیارهای کاری مختلف مثلا مقاومت سایشی، استحکام در برابر ضربه، چقرمگی، سختی سرخ، عملیات حرارتی و قابلیت ماشینکاری توجه کرد.


خطاهای رایج در طراحی
اهمیت طراحی درست ابزار و قالب برای هر کس روشن است. ابزارهایی که به درستی طراحی نشده باشند، ممکن است در عملیات حرارتی ترک بردارند و عمر کاری آنها به صفر برسد و یا ممکن است پس از شروع کار با آنها و خیلی زودتر از موعد مورد انتظار خراب شوند. اغلب قطعاتی که به هنگام عملیات حرارتی دچار شکست می‌شوند به درستی طراحی نشده‌اند. در این موارد نباید به سادگی عملیات حرارتی را مورد سرزنش قرار داد،

گوشه‌های تیز
گوشه‌‌های تیز (Sharp comers) چه گوشه‌های داخلی چه خارجی و همچنین قالبهایی که گوشه‌های تیز دارند، در یک ابزار یا قالب، نقاط تنش‌زا محسوب می‌شوند. یک عادت خوب در ماشینکاری قطعات قالب‌ها و ابزارها این است که همه گوشه‌های تیز با یک شعاع مناسب گرد شوند. در ماشینکاری گوشه‌های تیز، هر جا که امکان داشته باشد و مزاحمتی در عملکرد ابزار یا قالب ایجاد نشود، باید از حداکثر شعاع ممکن برای گرد کردن گوشه‌های استفاده نمود.

وجود قسمت‌های نازک در مجاورت قسمت‌های ضخیم
به هنگام کوئینچ قطعات در عملیات حرارتی، قسمت‌های نازک سریع‌تر سرد می‌شوند و در نتیجه زودتر از قسمت‌های ضخیم مجاورشان سخت خواهند شد. این پدیده باعث ایجاد تنشهای تغییر حالت (Transformation stress) در ابزار شود که بعضا از استحکام نهایی فولاد نیز فراتر می‌روند و بنابراین در ابزار اعوجاج و یا ترک به وجود می‌آید. اگر لازم است ابزار با همین فرم طراحی شود با استفاده از فولادهای سخت شونده در هوا می توان این مشکل را کاهش داد. به خاطر داشته باشید که استفاده از فولادهای مقاوم در برابر شوک نیز می‌توان ایجاد ترک و شکست در ابزارها را به هنگام تولید کاهش داد.

سوراخ‌های مشکل‌آفرین
تعیین محل سوراخ‌ها در یک ابزار، یکی از قسمت‌های مهم طراحی است. سوراخ‌های ته بسته، سوراخ‌های رزوه شده و سوراخ‌هایی که محل مناسبی نداشته باشند، سوراخ‌های مشکل آفرین هستند. سوراخ‌ها را باید طراحی کرد و نه فقط آنها را در محل‌های مختلف ابزار یا قالب قرار داد. مثلا وجود بعضی سوراخها باعث ایجاد دیواره‌های نازکی می‌شود که ممکن است به هنگام سختکاری باعث ترک و خرابی زودرس ابزار گردد. وجود سوراخها در محلهای نامناسب سبب کوئیچ و سرد شدن غیر یکنواخت قطعه خواهد شد. این پدیده مخصوصا هنگامی که قطعه در محیط مایع کوئنچ می‌شود بیشتر اتفاق می‌افتد.  بنابراین در صورتی که نتوان چیدمان سوراخها را به صورت بهینه طراحی کرد، توصیه می‌شود از فولادهای سخت شونده در هوا استفاده گردد.

نقوش حکاکی شده
ایجاد تمرکز تنش در محلهای حکاکی شده، یکی دیگر از دلایل خرابی و شکست زودرس قالب‌ها و ابزارها است، که هم در عملیات حرارتی و هم به هنگام تولید ممکن است مشکل‌ آفرین شود. با حکاکی کردن سطوح قطعات، نقاط نیز ایجاد می شود. بنابراین از انجام حکاکیهای با لبه‌های تیز و عمیق و ردیف کردن اعداد و حروف حکاکی شده در کنار هم اجتناب نمایید. استفاده از سنبه‌های حکاکی با گوشه‌های گرد که نقوش کم عمقی بر سطح قطعه به وجود می آورد مشکلی ایجاد نمی‌کند.

زبری سطوح
ماشینکاری خشن بر روی سطح قطعات، خطوط و تیزیهای بر جای می‌گذارد که باعث تمرکز تنش می‌شوند.
ساختن و تعمیر کردن ابزارها و قالب‌ها به روش‌های ماشینکاری، سنگ زنی، ماشینکاری با تخلیه الکتریکی (EDM) و جوشکاری انجام می‌گیرد. برای یک قالبساز یا طراح قالب، لازم است که بداند این فرایندها چه اثراتی ممکن است بر سختی، ساختار و متالورژی فولاد داشته باشند و چگونه می‌توان بر مشکلات احتمالی غلبه کرد.

قابلیت ماشین‌کاری
قابلیت ماشین‌کاری (Machinability) معیاری برای سنجش آسانی برده‌برداری از یک ماده است که بستگی به خواص اصلی ماده دارد و بعضی شرایط فرایند نیز بر آن تاثیر می‌گذارد. خواص ماده که بر قابلیت ماشین‌کاری آن موثر هستند عبارتند از : سختی، استحکام کششی، ترکیب شیمیایی، ریز ساختار، میزان کار سرد که روی آن انجام شده است فرم، ابعاد و صلبیت.
شرایط فرایند نیز که بر قابلیت ماشینکاری تاثیر دارند عبارتند از: سرعت برشی، عمق براده‌برداری، فرم هندسی ابزار برشی و دیگر پارامترهای ماشینکاری با توجه به این همه متغیر موثر در قالب‌ ماشینکاری، ارائه ارقامی به عنوان قابلیت ماشین‌کاری برای یک ماده، تقریبی است و فقط برای  مقایسه مواد با یکدیگر به کار می‌رود.

ترکیب شیمیایی ماده
ترکیب شیمیایی ماده بر ساختار، خواص مکانیکی و عملیات حرارتی آن ماده موثر است و بنابراین یک عامل مهم در سنجش قابلیت ماشینکاری محسوب می شود. اگر چه تاثیر هر یک از عناصر موجود در ترکیب شیمیایی، تحت تاثیر عناصر و عوامل دیگر قرار دارد. ولی به طور کلی می‌توان اثرات هر یک از این عناصر را در قابلیت ماشینکاری مواد به شرح زیر برشمرد:
عناصر کار بیدساز (Carbide former) نظیر کرم، تنگستن، مولیبدن و وانادیم باعث افزایش سختی ماده و کاهش قابلیت ماشینکاری آن می‌شود.

نیکل و منگنز، که در فریت حل می‌شوند، باعث افزایش سختی و چقرمگی ماده شده و بنابراین قابلیت ماشینکاری را کاهش می دهند. البته این اثرات را می‌توان با آنیل کردن کاهش داد.
آلومینیم و سیلیسیم می‌توانند آخالهای سخت و ساینده‌ای درست کنند و باعث کاهش قابلیت ماشین‌کاری ماده شوند
عناصر شیمیایی گوگرد، سرب، فسفر، سلنیم و تلوریم تشکیل آخالهای نرم در فولاد می‌دهند که قابلیت ماشینکاری را بهبود بخشند.

عیب‌یابی
در عملیات حرارتی ابزارآلات، قالب‌ها، فیکسچرها و قطعات ماشین‌آلات، عیوبی نظیر سخت نشدن به میزان مورد نظر، ایجاد سختی سطحی غیر یکنواخت، کربن‌زدایی، پوسته سطحی، اعوجاج و تغییرات ابعادی، ترک خوردن و شکستن معمولا اتفاق می‌افتد. در این بخش، به این عیوب از نقطه نظر عملیات حرارتی و تجهیزات مربوط به این عملیات پرداخت می‌شود. اغلب عیوب ایجاد شده در عملیات حرارتی به علت طراحی نادرست قطعه کار و کوتاه کردن زمان سیکلهای عملیات حرارتی ناشی می‌شوند. بنابراین با در نظر گرفتن نکات مربوط به طراحی قطعه کار و در نظر گرفتن زمان کافی در سیکلهای مختلف عملیات حرارتی نظیر پیش‌گرم، آستنیته شدن کامل، کوئنچ و تمپرینگ می‌توان از بسیاری از این عیوب جلوگیری کرد.

عیب سختی زیاد سطحی
علل ممکن و راه حل‌های پیشنهادی عبارتند از:
عدم کنترل صحیح دمای سطح قطعه کار. لازم است سیستم دمای کوره مداوم کنترل و کالیبره شود.
کربن‌دهی سطح قطعه کار. لازم است عملیات گرم کردن در کوره‌های با اتمسفر کنترل شده (گازهای بی‌اثر) انجام شود.
کرم کردن بیش از حد قطعات به هنگام سختکاری، نباید از محدوده دمایی توصیه شده توسط تولید کننده فولاد تجاوز نمود.

طولانی  کردن بیش از حد زمان نگهداری قطعه کار در دمای سختکاری نباید زمان نگهداری در حرارت را بی‌جهت طولانی نمود. زمان نگهداری مطلوب ممکن است در انواع کوره‌ها، متفاوت باشد
زمان ناکافی در مرحله تمپرینگ. بر اساس میزان سختی مورد نیاز، بالاترین دمای تمپرینگ را انتخاب کنید. زمان مطلوب نگهداری قطعه کار در دمای تمپرینگ تقریبا 120 min برای هر اینچ ضخامت و یا 4.72 min برای  هر میلی متر ضخامت قطعه کار می باشد. فولادهای ابزار سخت شونده در هوا را دو یا سه بار تمپر کنید.


عیب: سختی سطحی پایین
علل ممکن و راه حلهای پیشنهادی عبارتند از:
عدم کنترل دقیق دمای کوره باید سیستم کنترل دمای کوره دایما مورد نظارت و کالیبراسیون قرار گیرد،
کربن‌زدایی سطحی، لازم است قطعه کار در کوره‌هایی با اتمسفر خنثی و تحت کنترل حرارت داده شوند،
دمای سختکاری انتخاب شده خیلی پایین بوده است. باید قطعه کار را تا محدوده دمایی توصیه شده توسط تولید کننده فولاد گرم کرد.
عدم نگهداری کافی قطعه کار در دمای سختکاری، قطعه کار را قبل از گرم کردن نهایی، کاملا پیش‌گرم کنید. زمان نگهداری قطعه کار در دمای‌ آستنیته کردن را به خوبی رعایت کنید.

سرعت کوئنچ خیلی آهسته بوده و یا کوئنچ به صورت یکنواخت انجام نشده است. باید عملیات کوئنچ به طور یکنواخت و سرعت مطلوب انجام شود. وقتی ضخامت ابزارها و قالب‌های ساخته شده از فولادهای سخت شونده در هوا، زیاد باشد لازم است از باد زدن برای کوئنچ استفاده کرد، زیرا در هوای آرام نمی‌تواند با سطعت مطلوب کوئنچ شود
دمای تمپرینگ بالاتر از حد مورد نیاز بوده است. قطعه کار را تا محدوده دمایی توصیه شده گرم کنید.


عیب : سختی غیر یکنواخت سطح
علل ممکن و راه‌حلهای پیشنهادی عبارتند از:
کربن‌زدایی یا ایجاد پوسته در سطح فولاد، در صورتی که سطح فولاد قبلا کربن‌زدایی شده است لازم است لایه کربن‌زدایی شده قبل از سختکاری برداشته شود. گرم کردن فولاد، باید در کوره‌هایی با اتمسفر کنترل شده انجام شود و در صورتی که این کار امکان‌پذیر نباشد، باید قطعات را در لفاف‌های (Folis) فولادی زنگ نزن پیچید. باید همه درزهای کوره مسدود شود تا هوا به داخل آن نفوذ کند. توصیه می‌شود که کوره‌ها به موقع تعمیر و به خوبی نگهداری شوند تا بتوان به خوبی نگهداری شوند تا بتوان به خوبی فضای داخل آنها را آب‌بندی نمود

کوئنچ قطعه کار یکنواخت نبوده است. در سختکاری قطعات بزرگ در هوا توصیه می‌شود هوای اطراف قط

/ 3 نظر / 154 بازدید
هومن

دوستان گرامي اطلاعات بسيار مفيدي داريد با اجازتون از براي پروژه دانشگاهي استفاده نمودم

علی

باسلام خدمت شما دوستان عزیز. لطفا درمورد مقایسه قالبهای دائمی وموقت مطالبی قرار دهید با سپاس فراوان.

مهیار

مرسی از بانک اطلا عاتی که در اختیار ما گذاشتید