قالب های مهر زنی کاربید تنگستن به معیار صنعتی برای شکل دهی فلزات با حجم بالا، پر کردن، سوراخ کردن و عملیات قالب پیشرونده تبدیل شده است که در آن طول عمر ابزار، ثبات ابعادی و مقاومت در برابر سایش مواد غیرقابل مذاکره است. سختی استثنایی این ماده - معمولاً بین 85 تا 93 HRA (راکول A) بسته به درجه و محتوای چسب - دلیل اصلی مرگ کاربید نسبت به جایگزینهای فولاد ابزار معمولی با فاکتورهای 10 تا 50 برابر در محیطهای تولیدی است. این سختی خارقالعاده از ساختار کریستالی ذرات کاربید تنگستن (WC) ناشی میشود که پس از الماس در مقیاس Mohs در رتبه دوم قرار میگیرند، که در یک ماتریس فلزی کبالت یا نیکل از طریق فرآیند پخت فاز مایع به هم متصل شدهاند.
فراتر از سختی خام، کاربید تنگستن مهر زنی می میرد ترکیبی از خواصی را ارائه می دهد که هیچ ماده جایگزین واحدی نمی تواند آن را تکرار کند. استحکام فشاری کاربید سیمانی بیش از 4000 مگاپاسکال - تقریباً چهار برابر فولاد ابزار D2 - است که قالبهای کاربید را قادر میسازد تا در برابر تنشهای تماسی شدید ایجاد شده در هنگام مهر زنی با سرعت بالا مواد سخت مانند فولاد ضد زنگ، ورقههای فولادی الکتریکی، آلیاژهای مس و نوار فولادی فنری سخت شده مقاومت کنند. ضریب انبساط حرارتی کم و رسانایی حرارتی بالا این ماده، پایداری ابعادی را تحت گرمایش چرخهای ایجاد شده در عملیات پرس مداوم با سرعت بالا حفظ میکند و از ترک خوردگی خستگی حرارتی که به تدریج قالبهای فولاد ابزار را با نرخ ضربههای بالا تخریب میکند، جلوگیری میکند.
عملکرد یک قالب مهر زنی کاربید تنگستن در تولید مستقیماً با درجه خاص کاربید سیمانی انتخاب شده تعیین می شود. گریدهای کاربید با تغییر اندازه دانه کاربید تنگستن، نوع و درصد چسب فلزی، و افزودن کاربیدهای ثانویه مانند کاربید تیتانیوم (TiC)، کاربید تانتالم (TaC)، یا کاربید کروم (Cr3C2) مهندسی می شوند. هر یک از این متغیرها تعادل متفاوتی بین سختی، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی ایجاد می کند.
سختی خصوصیتی است که مستقیماً با مقاومت در برابر سایش در کاربردهای قالب کاربید تنگستن مرتبط است. همانطور که محتوای چسب کبالت از 25 درصد وزنی به 3 درصد وزنی کاهش می یابد، سختی به تدریج از 85 HRA به 93 HRA افزایش می یابد. اندازه دانه های ریز و فوق ریز WC - زیر 1 میکرون - سختی را با کاهش میانگین مسیر آزاد بین ذرات کاربید سخت افزایش می دهد، که مقاومت در برابر ریز سایش در لبه های برش و تشکیل شعاع را افزایش می دهد. برای قالب های مهر زنی که بر روی مواد بسیار ساینده مانند فولاد سیلیکونی، فولاد ضد زنگ نورد سرد، یا فشرده های فلزی پودری کار می کنند، گریدهای بسیار ریز دانه با 6 تا 10 درصد وزنی کبالت ترکیبی بهینه از سختی بالا و چقرمگی شکست کافی را برای مقاومت در برابر خرد شدن در هنگام بارگذاری پرس ارائه می دهند.
چقرمگی شکست (K1c) مقاومت یک ماده را در برابر انتشار ترک تحت بارگذاری ضربه یا ضربه اندازهگیری میکند - خاصیتی که تعیین میکند آیا قالب در معرض بارهای ناگهانی، تغذیه نادرست پرس یا حوادث دوبار ضربهخوردگی، تراشه، ترک یا شکستگی فاجعهبار را تعیین میکند. چقرمگی کاربید تنگستن با محتوای کبالت افزایش مییابد، از تقریباً 8 MPa·m½ در 6 درصد وزنی Co تا بیش از 15 MPa·m½ در 20 تا 25 درصد وزنی شرکت. محتوای کبالت بیشتر برای جلوگیری از شکستگی فاجعه بار، حتی به قیمت مقاومت در برابر سایش، ضروری است. انتخاب گرید صحیح، تقاضاهای رقابتی سختی و چقرمگی را بر اساس مشخصات تنش خاص کاربرد متعادل می کند.
مدول الاستیک کاربید تنگستن - تقریباً 550-650 GPa بسته به درجه - تقریباً سه برابر بیشتر از فولاد ابزار است. این سفتی شدید به این معنی است که قالبهای مهر زنی کاربید در مقایسه با ابزارهای فولادی ابزار مشابه، تحت بار پرس بسیار کمتر منحرف میشوند، که مستقیماً به تلرانسهای قطعات سختتر، ابعاد ویژگی به ویژگی سازگارتر در قالب پیشرونده، و کاهش تغییرات فنری در عملیات شکلدهی ترجمه میشود. استحکام فشاری بالا از تغییر شکل و فرورفتگی سطح قالب تحت تماس مکرر فشار بالا جلوگیری میکند، که مکانیسم اصلی رانش ابعادی در قالبهای فولادی ابزار کار بر روی مواد نوار سخت است.
انتخاب درجه کاربید مناسب برای کاربرد قالب مهر زنی مستلزم تطبیق خواص مواد با ترکیب خاصی از مواد قطعه کار، سرعت پرس، هندسه قالب و حجم تولید مورد انتظار است. جدول زیر متداولترین دستههای درجه کاربید مورد استفاده برای کاربردهای قالببندی و موارد استفاده بهینه از آنها را خلاصه میکند.
| دسته بندی درجه | Co Binder (%) | سختی (HRA) | اندازه دانه | بهترین برنامه |
| سختی بالا / شرکت کم | 3-6٪ | 91-93 | بسیار ریز (<0.5 میکرومتر) | خالی کردن ظریف، سوراخ کردن دقیق نوار سخت نازک |
| هدف عمومی | 8-12٪ | 88-91 | خوب (0.5-1.5 میکرومتر) | قالب های مهر زنی پیشرونده، پانچ لمینیت الکتریکی |
| چقرمگی متوسط | 13-16٪ | 86-88 | متوسط (1.5-3 میکرومتر) | بلنکینگ فولاد ضد زنگ با گیج متوسط و آلیاژهای مس |
| چقرمگی بالا | 18-25٪ | 83-86 | درشت (3-6 میکرومتر) | شکل گیری قالب ها با بارگذاری ضربه ای بالا با گیج سنگین |
| Ni-Bonded / مقاوم در برابر خوردگی | 6-12٪ نیکل | 87-90 | خوب – متوسط | مهر زنی مواد خورنده، اجزای دستگاه پزشکی |
گریدهای کاربید با پیوند نیکل برای کاربردهایی که شامل مهر زنی مواد نوار خورنده یا جایی که اجزای قالب در معرض روان کننده ها و خنک کننده های تهاجمی قرار می گیرند، شایسته ذکر ویژه هستند. بایندر کبالت مستعد حمله خورنده ترجیحی در محیطهای اسیدی است که فاز بایندر را تخریب میکند و باعث تسریع زبری سطح میشود. قالبهای مهر زنی کاربید تنگستن با پیوند نیکل، سختی و چقرمگی برابر با گریدهای کبالت را ارائه میکنند و در عین حال مقاومت در برابر خوردگی بسیار بهتری را در این محیطها ارائه میدهند، و آنها را به انتخاب ارجح برای مهر زنی دستگاههای پزشکی و ساخت کانکتورهای الکترونیکی تبدیل میکند که در آن استانداردهای پاکیزگی فرآیند سختگیرانه است.
کاربید تنگستن در ساخت قالب مهر زنی به چندین شکل متمایز استفاده می شود که هر کدام برای مقیاس های مختلف تولید، هندسه قطعات و ملاحظات اقتصادی مناسب هستند. درک گزینه های ساخت و ساز در دسترس به سازندگان ابزار و مهندسان تولید اجازه می دهد تا هم هزینه اولیه ابزار و هم هزینه کل هر قطعه را در طول دوره تولید بهینه کنند.
قالب های مهر زنی کاربید تنگستن جامد به طور کامل از یک تکه کاربید متخلخل ماشین کاری می شوند. این ساختار برای پانچهای با قطر کوچک زیر تقریباً 25 میلیمتر، قالبهای خالی کوچک، درجهای سوراخکننده و منگنههای فرم دقیق که هندسه فشرده اجازه میدهد تا کاربید به طور کامل در برابر تنشهای خمشی و کششی پشتیبانی شود، استاندارد است. پانچ های کاربید جامد برای مهر زنی ترمینال اتصال، ساخت قاب سربی و تولید تماس الکتریکی به طور معمول عمر مفیدی بیش از 50 تا 100 میلیون ضربه روی مواد نازک مس و نوار برنج دارند. محدودیت اولیه ساختار کاربید جامد، شکنندگی در زیر بارهای خمشی است - پانچ های کاربید جامد با نسبت ابعادی بالا (نسبت طول به قطر بالای 5:1) مستعد شکست کمانش جانبی هستند و به بوش های راهنمای دقیق و حداقل فاصله پانچ به راهنما نیاز دارند تا در محدوده تنش ایمن باقی بمانند.
برای قطعات قالب مهر زنی بزرگتر - صفحات خالی، دکمه های قالب، درج های شکل دهی و حلقه های کشی - ساخت و ساز کاربید جامد بسیار گران و غیرعملی برای ساخت و ساخت می شود. راهحل استاندارد صنعتی این است که یک درج کاربید را در یک نگهدارنده فولادی که پشتیبانی ساختاری، جذب شوک و رابط مکانیکی برای نصب قالب را فراهم میکند، با فشار مناسب یا جمعکرده قرار دهیم. تناسب تداخلی بین درج کاربید و نگهدارنده فولاد، کاربید را در تنش فشاری پسماند قرار میدهد و مقاومت آن را در برابر ترکهای کششی در طول مهر زنی بهبود میبخشد. مقادیر تداخل معمولی برای نصب دکمه های قالب کاربید از 0.001 تا 0.003 اینچ در هر اینچ از قطر خارجی کاربید متغیر است. تناسب تداخل نامناسب - یا ناکافی (اجازه فشار دادن و مهاجرت) یا بیش از حد (باعث ترک خوردگی تنش حلقه در حین مونتاژ) - یکی از شایع ترین علل شکست زودرس قالب کاربید در تولید است.
قالب های پیچیده پیشرونده مهر زنی که چندین عملیات خالی کردن، سوراخ کردن، خم شدن و شکل دهی را در یک نوار تکی انجام می دهند، اغلب با درج های کاربید قطعه بندی شده در کفش های قالب فولادی دقیق ساخته می شوند. هر ایستگاه در قالب پیشرونده دارای جفت پانچ کاربید و درج قالب اختصاصی است که برای عملکرد خاص آن ایستگاه و شرایط تماس با مواد قطعه کار بهینه شده است. این رویکرد تقسیمبندی شده اجازه میدهد تا ایستگاههای کاربید فرسوده یا آسیبدیده بدون از بین رفتن کل مجموعه قالب جایگزین شوند، و امکان استفاده از گریدهای مختلف کاربید در ایستگاههای مختلف بر اساس مشخصات تنش خاص هر ایستگاه را فراهم میکند. ابزارهای قالب پیشرونده با حجم بالا برای مهر زنی لمینیت موتور الکتریکی، پایانه های اتصال خودرو، و تولید قاب سرب IC پیچیده ترین نمونه های ساخت قالب پیشرونده کاربید قطعه بندی شده را نشان می دهد، با برخی از ابزارها که به تولید تجمعی بیش از یک میلیارد قطعه قبل از بازسازی عمده دست می یابند.
ساخت قالب های مهر زنی کاربید تنگستن به تجهیزات تخصصی، ابزار و دانش فرآیندی نیاز دارد که اساساً با تولید قالب فولادی ابزار معمولی متفاوت است. سختی بسیار زیاد کاربید، ماشینکاری معمولی را غیرممکن میکند - تمام حذف مواد باید با استفاده از سایندههای الماس یا ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) انجام شود، و انتخاب پارامتر فرآیند مستقیماً عملکرد نهایی قالب را تعیین میکند.
سنگ زنی چرخ الماس روش اصلی تولید برای تولید سطوح صاف، پروفیل های استوانه ای و ویژگی های زاویه ای اجزای قالب مهر زنی کاربید تنگستن است. چرخ های الماسی با چسب رزینی، شیشه ای و فلزی بر اساس درجه کاربید آسیاب شده و سطح مورد نیاز انتخاب می شوند. پارامترهای فرآیند حیاتی - سرعت چرخ، نرخ تغذیه قطعه کار، عمق برش در هر گذر، و جریان مایع خنککننده - باید به دقت کنترل شوند تا از آسیب حرارتی به سطح کاربید که به صورت ریز ترکخوردگی، تنش کششی پسماند یا تغییر فاز سطحی ظاهر میشود، جلوگیری شود. سنگ زنی سطحی صفحات قالب کاربید برای دستیابی به کیفیت پرداخت سطحی (Ra زیر 0.2 میکرومتر) و تحمل صافی مورد نیاز برای فاصله های قالب پرکننده دقیق، نیاز به استفاده از مایع خنک کننده سیل، پانسمان تیز چرخ الماسی و عبور سبک به زیر عمق 0.005 میلی متر برش دارد.
ماشینکاری تخلیه الکتریکی سیم (سیم EDM) به روش غالب برای برش پروفیلهای پیچیده دو بعدی در صفحات قالب کاربید تنگستن، از جمله طرحهای خالی نامنظم، روزنههای قالب پیشرونده، و حفرههای قالب دقیق تبدیل شده است. Wire EDM مواد را با فرسایش جرقه کنترل شده با استفاده از یک الکترود سیمی با روکش برنجی یا روی که به طور مداوم تغذیه می شود حذف می کند و آن را کاملاً از سختی قطعه کار مستقل می کند. سیستمهای EDM سیم پنج محوره مدرن میتوانند اجزای قالب کاربید را تا تلورانسهای ابعادی در محدوده ± 0.002 میلیمتر برش دهند و پس از توالیهای برش ریز به پایان رساندن سطح کمتر از Ra 0.3 میکرومتر برسند. یک ملاحظه حیاتی در سیم EDM کاربید، لایه باز ریختهشده است - یک ناحیه نازک از مواد جامد مجدد به عمق تقریباً 2-10 میکرومتر که حاوی تنشهای پسماند کششی و ریز ترکها است. برش های چند لایه با کاهش تنظیمات انرژی به تدریج لایه بازسازی شده را از برش های قبلی حذف می کند، و کیفیت سطح نهایی EDM باید تأیید شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ گونه ریخته گری مجدد بر روی سطوح لبه برشی که به عنوان محل شروع ترک در تولید عمل می کنند، باقی نمی ماند.
پس از عملیات سنگزنی و EDM، لبههای برش، شعاعهای شکلدهی، و سطوح خالی قالبهای مهر زنی کاربید تنگستن معمولاً با پوشش یا پرداخت الماس به پایان میرسد تا هرگونه آسیب ماشینکاری باقیمانده از بین برود و به مشخصات کیفی سطح نهایی برسد. چسباندن دستی با خمیر الماس روی صفحات لبه فولادی یا چدنی سخت شده - با استفاده از نمرات تدریجی ریزتر از 15 میکرومتر تا 1 میکرومتر یا کمتر - بی نظمی های سطح را از بین می برد و هندسه لبه ثابتی را ایجاد می کند که برای کیفیت برش و عمر قالب ضروری است. برای قالبهای کاربید و قالبهای سکهای با دقت بالا، پرداختهای سطح نهایی زیر 0.05 میکرومتر بر روی سطوح شکلدهی برای دستیابی به مشخصات کیفیت سطح قطعه و به حداقل رساندن چسبندگی مواد در حین مهر زنی مورد نیاز است.
حتی قالب مهر زنی کاربید تنگستن با بالاترین کیفیت نیز در صورت کار با فاصله نادرست پانچ به قالب، روغن کاری ناکافی یا تنظیم نامناسب پرس، پیش از موعد از کار می افتد. این پارامترهای عملیاتی تأثیر بزرگی بر عمر قالب، کیفیت قطعه و خطر شکستگی فاجعه بار کاربید در طول تولید دارند.
فاصله بهینه پانچ تا قالب برای قالبهای پرکننده و سوراخکننده کاربید تنگستن معمولاً محکمتر از ابزارهای فولادی ابزار معادل است - معمولاً 3 تا 8 درصد ضخامت ماده در هر طرف برای بیشتر فلزات در مقایسه با 8 تا 12 درصد برای قالبهای فولادی ابزار. فاصلههای محکمتر به دلیل مقاومت در برابر سایش و پایداری ابعادی کاربید ایجاد میشود و سطوح برش تمیزتری با غلتش، عمق براق و زاویه ناحیه شکست کمتر ایجاد میکند. با این حال، فاصله بسیار تنگ، نیروهای برشی را روی لبههای برش کاربید متمرکز میکند، بریدگی لبه را تسریع میکند و خطر ترک خوردن صفحه پانچ یا قالب را افزایش میدهد. بهینه سازی ترخیص باید با بررسی کیفیت لبه برش با استفاده از یک مقایسه کننده نوری کالیبره شده یا میکروسکوپ الکترونی روبشی برای تأیید زاویه ناحیه شکست و ارتفاع فرز مورد نظر قبل از تعهد به مقادیر تولید تأیید شود.
روانکاری مناسب برای به حداکثر رساندن عمر قالب مهر زنی کاربید از طریق کاهش اصطکاک در محل اتصال پانچ به ماده، جلوگیری از جمع شدن مواد روی سطوح قالب و کنترل دمای قالب در حین کار با سرعت بالا بسیار مهم است. برای اکثر عملیات مهر زنی پیشرونده کاربید بر روی نوار فولادی و فولادی ضد زنگ، یک روغن مهر زنی سولفوره یا کلردار با ویسکوزیته سبک که از طریق پوشش غلتکی یا سیستم اسپری با وزن فیلم کنترل شده 0.5 تا 2.0 گرم بر متر مربع استفاده می شود، روانکاری کافی را فراهم می کند. بر روی نوار مسی و برنجی، فرمولاسیون های غیرکلرینه برای جلوگیری از لک شدن خورنده مورد نیاز است. روان کننده های فیلم خشک - از جمله پوشش های دی سولفید مولیبدن و PTFE اعمال شده بر روی نوار - در کاربردهایی که آلودگی روغن قطعات مهر شده غیرقابل قبول است، مانند تماس الکتریکی و ساخت دستگاه های پزشکی استفاده می شود.
شکنندگی کاربید تنگستن تحت تنش کششی و خمشی به این معنی است که قالبهای مهر زنی کاربید نسبت به عدم تراز فشاری، خطاهای موازی لغزشی و بارگذاری خارج از مرکز که توسط ابزار فولاد ابزار قابل تحمل است، بسیار حساس هستند. اجرای قالب های کاربید در پرس فرسوده یا نامناسب یکی از سریع ترین راه ها برای ایجاد خرابی زودرس قالب است. پرس مورد استفاده برای ابزار کاربید باید موازی لغزش به بستر را در 0.010 میلی متر در سطح کامل قالب نشان دهد، و حفاظت اضافه بار هیدرولیکی در 110-120 درصد نیروی برش محاسبه شده تنظیم شده است تا در صورت تغذیه نادرست یا دو ضربه قبل از وقوع آسیب فاجعه بار قالب، حرکت پرس را متوقف کند. سنسورهای محافظ قالب با قطع سریع - نظارت بر تغذیه نوار، جهش قطعه، و انحراف پین محافظ قالب - تجهیزات استاندارد در خطوط قالب کاربید پیشرو هستند و از طریق جلوگیری از یک رویداد شکستگی فاجعهبار کاربید به سرعت هزینه خود را پرداخت میکنند.
یکی از مزیت های اقتصادی قابل توجه قالب های مهر زنی کاربید تنگستن نسبت به فولاد ابزار، توانایی بازسازی ابزارهای فرسوده با سنگ زنی مجدد دقیق سطوح برش، بازیابی لبه های برش تیز و هندسه فاصله صحیح است. یک قالب کاربیدی که به خوبی نگهداری شده باشد، معمولاً میتواند 20 تا 50 بار قبل از برداشتن ذخایر انباشته، قالب را به زیر حداقل مشخصات ارتفاع کاهش دهد، و عمر مفیدی را چندین برابر بیشتر از عمر ابزار اولیه بین آسیابها ارائه دهد.
تصمیم بین کاربید تنگستن و فولاد ابزار برای کاربرد قالب مهر زنی شامل متعادل کردن سرمایه گذاری اولیه ابزار در برابر کل هزینه مالکیت در طول دوره تولید است. مقایسه زیر چارچوبی عملی برای این تصمیم در میان مرتبط ترین ابعاد عملکرد و اقتصادی ارائه می دهد.
| پارامتر | قالب کاربید تنگستن | قالب فولادی ابزار (D2 / M2) |
| سختی | 85-93 HRA (≈1400-1800 HV) | 58-65 HRC (≈650-830 HV) |
| عمر ابزار معمولی | 5 تا 50 میلیون ضربه (وابسته به برنامه) | 100000 تا 1 میلیون سکته مغزی |
| هزینه ابزار اولیه | 3-8× بالاتر از فولاد ابزار | پایه |
| هزینه هر قطعه (حجم بالا) | به طور قابل توجهی پایین تر | بالاتر به دلیل تعویض مکرر |
| ثبات ابعادی | عالی (مدول بالا) | خوب (مدول پایین تر) |
| مقاومت در برابر ضربه / ضربه | متوسط (شکننده - وابسته به درجه) | خوب - عالی |
| ماشینکاری / قابلیت تعمیر | مشکل (فقط الماس / EDM) | خوب (ماشین کاری معمولی) |
| بهترین برای | مواد ساینده با حجم بالا، تحملهای کم | نمونه های اولیه، حجم کم، شکل گیری سه بعدی پیچیده |
نقطه متقاطع اقتصادی - حجم تولید که بالاتر از آن هزینه کمتر کاربید به ازای هر قطعه، سرمایه گذاری اولیه ابزارآلات اولیه بالاتر آن را جبران می کند - معمولاً بسته به پیچیدگی قالب، سختی ماده قطعه کار و فاصله آسیاب مجدد قابل دستیابی با هر ماده، بین 500000 تا 2 میلیون قطعه کاهش می یابد. برای هر برنامه مهر زنی که پیش بینی می شود بیش از 2 میلیون قطعه باشد، هزینه کل تجزیه و تحلیل مالکیت تقریباً به طور کلی به نفع ساخت قالب مهر زنی کاربید تنگستن نسبت به جایگزین های فولاد ابزار است.