熱処理は射出成形金型の設計にどのような影響を与えますか?

ほとんどの製品エンジニアやバイヤーは、熱処理を金型メーカーが社内で処理するもの、- ワークショップ プロセスだと考えています。実際には、設計段階と加工計画中に行われる決定によって、熱処理によって使用可能なインサートが製造されるか、それとも歪んだインサートが製造されるかが決まります。

熱処理により、おもちゃの自動車のプラスチック射出成形金型の設計者や精密射出ツールを指定する人にとって重要な工具鋼の 3 つのことが変わります。

硬度：第一の目標。焼きなましされた H13 の硬度は HRC 18 ～ 22 程度です。焼入れと焼き戻しを経た後、HRC 48 ～ 54 に達します。この硬度は、このタイプの工具や長期使用の工具に耐摩耗性と耐用年数を与えるものです-が、管理が必要な多次元のコストがかかります。

内部応力の再配分:機械加工により鋼に残留応力が生じます。熱処理 -、特に焼入れサイクル - はこれらの応力を急速に再配分し、鋼を動かします。インサートが炉に入るときに重大な残留応力が存在する場合、焼入れ中の歪みは許容範囲を完全に超えてしまう可能性があります。

音量変更:鋼は焼入れ中にオーステナイトからマルテンサイトに変態するときに膨張します。形状が非対称である場合、この体積膨張はインサート全体で均一ではなく、寸法変化の差につながります。

で発表された研究先進製造技術の国際ジャーナル(2021) は、非対称形状で事前熱処理による応力除去を行わなかった H13 金型インサートは、硬化後に臨界面で最大 0.15 mm の寸法変動を示すことを発見しました -。これは、適切な応力除去を行った対称的に機械加工されたインサートよりもおよそ 3 ～ 5 倍大きくなります。ボディ パネルの寸法公差が ±0.05 mm の金型の場合、硬化後 0.15 mm のずれによりインサートは使用できなくなります。-

硬化を通じて - 焼き入れと焼き戻しを行う

貫通硬化は、H13 および類似の熱間工具鋼の標準的な熱処理です。-インサートはオーステナイト化温度 (H13 の場合約 1,020～1,040 度) まで加熱され、完全に変態するまで保持された後、真空炉でガス焼き入れされます。-焼き入れ後、インサートは 560 ～ 600 度で 2 回焼き戻しされ、目標の硬度を達成し、焼き入れ応力を緩和します。

これは、長寿命のおもちゃの車のプラスチック射出成形金型、モーター ギア射出成形金型、または同様の要求の厳しいツールに必要な高硬度を実現するプロセスです。{0}また、あらゆる熱処理プロセスの中で最も大きな寸法変化が生じるため、完全硬化の設計には最も慎重な計画が必要です。

1,500,000+ ショットをターゲットとする玩具金型の場合、H13 から HRC 50 ～ 52 までの焼入れが適切な仕様 - であり、加工順序は焼入れ中に発生する寸法変化を考慮する必要があります。

歪みを最小限に抑えた窒化処理 - の表面硬化

窒化では、変態点（通常は 480 ～ 530 度）以下の温度で窒素が鋼の表層に拡散し、バルクで相変態することなく 0.1 ～ 0.3 mm のハードケース層が生成されます。鋼は相変化を受けないため、窒化中の寸法の移動は最小限に抑えられます -。通常、限界寸法で 0.01 ～ 0.02 mm 未満です。

窒化は、補助的な表面処理としてプリハードン鋼（P20 またはすでに硬化した H13）に適用できます。また、完全硬化は必要ないが表面硬度の向上が必要な場合、非研磨性の ABS や PP を使用する金型の主要な硬化方法としても使用できます。{{4}

未充填の ABS で 500,000～1,000,000 ショットのプログラムに基づく玩具車のプラスチック射出成形金型の場合、P20 ベース鋼のガス窒化は、未処理の P20 - と比較して表面寿命を 50～80% 延長する費用効果の高いアプローチです。歪みのリスクは無視でき、熱処理の許容値を考慮して加工シーケンスを再構築する必要はありません。

PVD および表面コーティング

TiN (窒化チタン) や TiAlN などの物理蒸着 (PVD) コーティングは、基板温度 200 ～ 400 度で金型表面に 2 ～ 8μm の硬質コーティングを施します。寸法の変​​化はごくわずかで、コーティングにより耐摩耗性が向上し、摩擦が軽減され、寸法に影響を与えることなく、完全に仕上げられた研磨済みのインサートに適用できます。

PVD コーティングは、ベーススチール (P20 または軽く硬化した H13) が適切なバルク強度を提供するが、表面がさらなる摩耗保護によって恩恵を受ける可能性がある玩具ツールのキャビティ表面に特に役立ちます。ガラス-充填樹脂を使用するモーター ギア射出成形の場合、H13 で HRC 52 の TiN または TiAlN PVD ​​を使用すると、追加の熱処理による歪みのリスクがなく、最高の耐摩耗性が得られます。

応力除去アニーリング

応力除去は、インサートの硬化が進む前に、粗加工による残留応力を軽減する準備ステップです。インサートは約 600 ～ 650 度（変態温度以下）に加熱され、十分な時間保持され、ゆっくりと冷却されます。-

荒加工中に材料が大幅に除去される工具インサートでは、応力除去はオプションではありません。これをスキップすることは、焼入れ中に過度の歪みが発生する最も一般的な原因です。投資額 - は通常、インサート セットあたり 150 ～ 400 ドル、炉で 8 ～ 12 時間の冷却時間 - がかかりますが、応力が緩和されていない歪んだインサートを廃棄するコストに比べれば少額です。-。

-プリハードン鋼- 硬化を完全に回避

適度な量の玩具車のプラスチック射出成形プログラムや、短期間の実行またはプロトタイプ ツールの場合、プリハードン鋼（HRC 30～36 で P20、HRC 40～43 で NAK80）を使用すると、全硬化ステップ全体をバイパスできます。-インサートは最終寸法に直接機械加工されており、熱処理シーケンスを必要とせずにすぐに組み立てることができます。

これにより、歪みのリスクが完全に排除され、おもちゃの車の工具のリードタイムが大幅に短縮されます。 -条件の厳しい用途では、硬度が低くなり金型寿命が短くなるというトレードオフがあります-が、未充填の ABS または PP を最大 500,000 ショットまで稼働させるおもちゃの車の金型の場合、多くの場合 P20 で十分であり、リードタイムとコストの利点は真に価値があります。

熱処理に関連して機械加工操作が実行される順序によって、最終的な寸法結果が決まります。硬化されたおもちゃの車の金型キャビティ インサートの業界-標準シーケンスは次のとおりです。-

ステップ 1 - 粗加工:焼きなました鋼ブロックから材料の大部分を最終形状の 1 ～ 3 mm 以内に取り除きます。重大な残留応力が導入されます。

ステップ 2 - 応力除去焼きなまし:600 ～ 650 度に加熱し、保持してゆっくり冷却します。これにより、鋼の相や硬さを変化させることなく、荒加工による残留応力を低減します。

ステップ 3 - 中仕上げ加工:精密面では仕上げ代 - 内で通常 0.10 ～ 0.20 mm まで機械加工します。これにより、硬化前の寸法が設定されます。-

ステップ 4 - 硬化 (真空) を通して:このタイプのツールインサートはここ - で歪みますが、これは予期され計画されています。

ステップ 5 - CMM 測定:硬化したインサートを測定して、実際の硬化後の寸法と公称値を定量化します。{0}偏差データは、仕上げ機械に各表面でどれだけの材料を除去する必要があるかを正確に伝えます。

ステップ 6 - 加工を終了します:ハードフライス加工、研削、または放電加工により、すべての重要な寸法が最終公差内に収まります。モーター ギア射出成形金型のギア歯形やマウス シェル射出成形金型の正確なスナップフィット フィーチャーなどの精密フィーチャーの場合、硬化後のワイヤ放電加工が標準的なアプローチです -。鋼の硬度の影響を受けず、±0.005 ～ 0.010 mm を日常的に達成します。

ステップ 7 - 研磨:マウス シェル射出成形金型またはおもちゃの車のプラスチック射出成形金型の表面の場合、すべての機械加工操作の後に研磨が行われます。

応力除去ステップや硬化後の CMM 測定を省略すると、金型インサートの歪みのリスクが増大し、最終仕上げを正確に計画するために必要な情報が失われてしまいます。

おもちゃの車のプラスチック射出成形金型

ABS または PP を 500,000 ～ 2,000,000 ショットで実行するおもちゃの自動車のプラスチック射出成形金型には、生産寿命の目標に応じて 2 つの実行可能な熱処理アプローチがあります。

P20 ガス窒化処理:玩具金型インサートを P20 で最終寸法に機械加工し、その後ガス窒化します。歪みが少ない（0.02mm以下）。窒化処理の場合、表面層が薄い場合の表面硬度は HRC 58 ～ 68 に相当します。このアプローチは費用対効果が高く、非研磨材料で 500,000～1000,000 ショットをターゲットとする金型プログラムでは実用的です。-

H13 貫通硬化:1,500,000+ ショットを目標とする、またはより高いサイクル率で高い金型温度で稼働するおもちゃの自動車用プラスチック射出成形金型の場合、H13 から HRC 50 ～ 52 まで硬化すると、優れたバルク硬度と耐疲労性が得られます。上記の完全な加工シーケンスに従う必要があります。

モーターギア射出成形金型

精密用途向けのモーター ギア射出成形金型では、ほとんどの場合、焼き入れが必要です。歯形公差 (±0.02 ～ 0.05 mm) とガラス充填エンジニアリング樹脂の摩耗要件の両方により、HRC 50 ～ 54 の完全に硬化されたキャビティが必要です。{3}}

モーター ギア射出成形金型では、精密な加工シーケンスが非常に重要です。硬化前に歯形を荒削りし、インサートを硬化して CMM で測定し、歯面の輪郭研削または EDM 仕上げによって最終的な歯形を実現します。{0}モーターギア射出成形金型の標準的な仕上げ加工は、硬化後のワイヤー放電加工です-。鋼の硬さの影響を受けることなく、必要な寸法精度を実現します。

マウスシェル射出成形金型

NAK80（事前硬化 HRC 40～43）を使用したマウス シェル射出成形金型の場合、完全硬化は必要ありません。-インサートは最終寸法に機械加工され、直接研磨されるため、熱処理による歪みのリスクはありません。 -体積の大きいマウス シェル射出成形金型に H13 が指定されている場合、標準シーケンスは - に適用されますが、高い鏡面仕上げを達成するには、NAK80 と比較して硬化した H13 の研磨時間とスキルがさらに必要になります。

先進製造技術の国際ジャーナル(2021): 完全荒加工→応力除去→中-仕上げ→硬化→仕上げという順序で加工されたインサートでは、硬化後の寸法偏差が平均 0.032mm でした。これに対し、応力除去ステップを行わなかったインサートの場合は 0.118mm でした-。これは、応力除去焼きなましを含めたことだけで 73% 減少しました。

着る(2020): 窒化された P20 金型表面は、模擬 ABS 射出成形接触 - の下で未処理の P20 よりも摩耗率が 68% 低いことを示し、完全硬化を行わずにおもちゃの工具を窒化することで大幅な寿命延長が達成できることを示しました。

SPE (2022): 真空熱処理では、同等の H13 チップの油焼入れと比較して歪みが平均 42% 減少しており、真空処理の寸法品質上の利点が確認されました。

表面およびコーティング技術(2021): TiN PVD- でコーティングされた H13 は、ガラス-で満たされた PA66 との接触下で、コーティングされていない H13 よりも 71% 低い摩耗率を示し、研磨樹脂を走行するモーター ギア射出成形金型のキャビティにコーティングが追加の保護を提供することが確認されました。
 

中国の玩具メーカーは、新しい ABS おもちゃの車シリーズを開発していました。このプログラムは 6 つの金型で構成されています。2 つのボディ シェル ツール、2 つのシャーシ ツール、および 2 つの小型コンポーネントの金型です。生産目標は、4 年間で年間 800,000 セットの完全なセットです - プログラム全体でおもちゃの車のツールごとに約 3,200,000 ショットになります。

6 つの金型すべてに熱処理を行わずに P20 を使用した初期コストの見積もりでは、2 つのボディ シェルのおもちゃの車のプラスチック射出成形ツールのキャビティ インサートは約 600,000 ショットで交換が必要になることがわかりました -。これは、4 年間のプログラム全体でおもちゃの車の金型ごとに 3 つの交換セットを意味します。-。このモールド ボディ シェル ツール全体のインサート交換コストの合計: 24,000 ドル。

Sunhingstones は、2 つのボディ シェルのトイカー プラスチック射出成形ツールに対して別のアプローチを推奨しました。H13 キャビティおよびコア インサートは、真空熱処理を使用して HRC 50 ～ 52 まで硬化され、完全荒加工→応力除去→半仕上げ→硬化→CMM 測定→仕上げの順序に従います。 4 つの小さいモールドはガス窒化により P20 を保持しました。

2 つのインサート ボディ シェル ツールの H13 インサート コスト プレミアムは、P20 相当を 3,400 ドル上回りました。予測される改修間隔は 600,000 回から 1,500 回に延長され、000+ ショット - により、これらの工具の 4 年間のプログラム内でインサート交換が不要になります。-}

純節約額: インサート交換の回避で約 8,200 ドル、追加の工具投資の 3,400 ドルを差し引いた額 =実質 4,800 ドルの節約4 年間のプログラム全体に加えて、本番のダウンタイムも回避できます。-

-H13 玩具製造金型インサートの認定後の寸法検査では、フル シーケンス後のすべての重要な寸法が公称値の ±0.015 mm 以内であることが確認されました。- 印刷公差は ±0.05 mm 以内です。

おもちゃの自動車のプラスチック射出成形金型、モーターギア射出成形金型、その他の精密射出ツールの熱処理歪みは、最初からそのように設計されていれば予測可能であり、管理可能です。これをうまく扱う金型製造者は、応力除去を含む適切な許容値を残し、真空硬化を指定し、仕上げ前の測定を行うなど、加工順序でそれを考慮します。それを結果論として扱う人は、最終的に高価な再加工 - やインサートの廃棄を余儀なくされる人です。

Sunhingstones では、熱処理計画は、このすべての金型、マウス シェル射出成形金型、モーター ギア射出成形金型プロジェクトの標準エンジニアリング プロセスの一部です。当社では、切削を開始する前に鋼材の仕様、目標硬度、加工順序、仕上げアプローチを文書化しています -。そのため、熱処理後の結果は、驚くべきことではなく、管理された結果となります。

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ジョージア州ロバーツら。工具鋼、第5版。 ASMインターナショナル、1998年。https://www.asmininternational.org/

ウッデホルム。工具鋼の熱処理。技術出版物、2021 年。https://www.ウッデホルム.com/

ジョージア州トッテン鋼熱処理ハンドブック、第2版。 CRC プレス、2006 年。https://www.routledge.com