ปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ในการผลิตแผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น

บทคัดย่อ: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (PHE) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านอุตสาหกรรม เช่น ปิโตรเคมี การแปรรูปอาหาร HVAC และการผลิตไฟฟ้า เนื่องจากมีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง โครงสร้างที่กะทัดรัด และความสามารถในการปรับขนาดที่ยืดหยุ่น แผ่นซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของ PHE ส่วนใหญ่จะขึ้นรูปโดยการปั๊ม การดัด หรือการขึ้นรูปม้วน และคุณภาพและประสิทธิภาพการผลิตจะถูกกำหนดโดยตรงจากประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ อายุการใช้งานของแม่พิมพ์เพลท PHE ได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการที่สัมพันธ์กัน รวมถึงคุณสมบัติของวัสดุแม่พิมพ์ ระดับการออกแบบแม่พิมพ์ ความแม่นยำของกระบวนการผลิต พารามิเตอร์กระบวนการขึ้นรูป และการใช้งานและการบำรุงรักษาในแต่ละวัน การควบคุมปัจจัยใดๆ เหล่านี้อย่างไม่มีเหตุผลจะนำไปสู่ความล้มเหลวของแม่พิมพ์ก่อนเวลาอันควร เช่น การสึกหรอ การแตกร้าว การเสียรูป และการเกาะติด ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิต ลดประสิทธิภาพการผลิต และส่งผลต่อความแม่นยำด้านมิติของเพลต PHE เอกสารนี้จะจำแนกและวิเคราะห์ปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์เพลท PHE อย่างเป็นระบบ สำรวจกลไกของแต่ละปัจจัยที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ รวมกรณีทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติเพื่อตรวจสอบระดับผลกระทบของปัจจัยต่างๆ และเสนอคำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพที่สอดคล้องกัน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเลือกวัสดุแม่พิมพ์ การออกแบบโครงสร้าง กระบวนการบำบัดความร้อน พารามิเตอร์กระบวนการขึ้นรูป และระดับการบำรุงรักษาเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด: การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมและการบำบัดความร้อนสามารถปรับปรุงความแข็งและความเหนียวของแม่พิมพ์ ลดความเสียหายจากการสึกหรอและความเมื่อยล้า การออกแบบโครงสร้างทางวิทยาศาสตร์สามารถหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเครียดและยืดอายุการใช้งาน กระบวนการผลิตที่แม่นยำช่วยให้มั่นใจในความแม่นยำของมิติแม่พิมพ์และคุณภาพพื้นผิว พารามิเตอร์การขึ้นรูปที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมช่วยลดภาระของแม่พิมพ์ และการบำรุงรักษาที่ได้มาตรฐานจะทำให้แม่พิมพ์เสื่อมสภาพช้าลง การศึกษานี้ให้พื้นฐานทางทฤษฎีและแนวทางปฏิบัติในการยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์เพลต PHE การลดต้นทุนการผลิต และปรับปรุงเสถียรภาพคุณภาพของเพลต PHE

คำสำคัญ:แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ วัสดุแม่พิมพ์ การออกแบบโครงสร้าง กระบวนการผลิต พารามิเตอร์การขึ้นรูป การซ่อมบำรุง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเพลทเป็นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนที่จำเป็นในการผลิตทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ซึ่งรับรู้ถึงการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างตัวกลางสองตัวขึ้นไปผ่านการไหลของของเหลวสลับกันบนทั้งสองด้านของแผ่นลูกฟูก แผ่น PHE ซึ่งมีความหนาบาง (ปกติ 0.3–1.5 มม.) โครงสร้างลูกฟูกที่ซับซ้อน และข้อกำหนดความแม่นยำด้านมิติสูง อาศัยแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำสูงในการขึ้นรูปเป็นอย่างมาก แม่พิมพ์ไม่ได้เป็นเพียงเครื่องมือหลักสำหรับการขึ้นรูปเพลทเท่านั้น แต่ยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์อีกด้วย อายุการใช้งานของแม่พิมพ์เพลท PHE โดยปกติจะประเมินโดยจำนวนจังหวะการขึ้นรูป: ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ แม่พิมพ์คุณภาพสูงสามารถขึ้นรูปได้ 200,000–500,000 จังหวะ ในขณะที่แม่พิมพ์หรือแม่พิมพ์ที่ด้อยกว่าซึ่งได้รับผลกระทบจากปัจจัยที่ไม่สมเหตุสมผลอาจล้มเหลวหลังจากผ่านไปเพียง 50,000–150,000 จังหวะ

ความล้มเหลวของแม่พิมพ์ก่อนกำหนดจะนำความสูญเสียทางเศรษฐกิจอย่างร้ายแรงมาสู่องค์กร: ในด้านหนึ่งการเปลี่ยนแม่พิมพ์จะทำให้ต้นทุนการผลิตแม่พิมพ์เพิ่มขึ้น (คิดเป็น 20–30% ของต้นทุนการผลิตทั้งหมดของเพลต PHE) ในทางกลับกัน การหยุดทำงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแม่พิมพ์จะลดประสิทธิภาพการผลิต และการเบี่ยงเบนมิติของเพลตที่ผลิตระหว่างความล้มเหลวของแม่พิมพ์อาจทำให้ผลิตภัณฑ์เป็นของเสียได้ ตามสถิติอุตสาหกรรม มากกว่า 60% ของความล้มเหลวของแม่พิมพ์เพลท PHE มีสาเหตุมาจากการควบคุมปัจจัยที่มีอิทธิพลหลักที่ไม่เหมาะสม มากกว่าการสึกหรอตามธรรมชาติ ดังนั้น การชี้แจงปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์และการเรียนรู้กลไกการกระแทกอย่างเชี่ยวชาญจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบแม่พิมพ์ ปรับปรุงกระบวนการผลิต การสร้างมาตรฐานการทำงานและการบำรุงรักษา และการยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์

ปัจจุบัน การวิจัยที่มีอยู่เกี่ยวกับแม่พิมพ์เพลท PHE มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบแม่พิมพ์และการปรับปรุงกระบวนการขึ้นรูปเป็นหลัก แต่ยังขาดการเรียงลำดับอย่างเป็นระบบและการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับปัจจัยที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ ในการผลิตจริง องค์กรหลายแห่งเพิกเฉยต่อผลกระทบที่ครอบคลุมจากปัจจัยหลายประการ ส่งผลให้อายุการใช้งานของแม่พิมพ์สั้นลงและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไม่เสถียร ตัวอย่างเช่น องค์กรบางแห่งเลือกวัสดุแม่พิมพ์ที่ไม่เหมาะสมเพื่อลดต้นทุน ส่งผลให้แม่พิมพ์สึกหรออย่างรวดเร็ว บางคนละเลยกระบวนการบำบัดความร้อน ส่งผลให้แม่พิมพ์มีความแข็งและความเหนียวไม่เพียงพอ และแตกง่าย บางส่วนไม่ได้กำหนดพารามิเตอร์การขึ้นรูปให้เป็นมาตรฐาน เพิ่มภาระของแม่พิมพ์ และเร่งความล้มเหลวจากความเมื่อยล้า

เอกสารนี้จะแยกแยะปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์เพลท PHE อย่างครอบคลุม โดยแบ่งออกเป็น 5 ประเภท ได้แก่ ปัจจัยวัสดุแม่พิมพ์ ปัจจัยการออกแบบแม่พิมพ์ ปัจจัยกระบวนการผลิตแม่พิมพ์ พารามิเตอร์กระบวนการขึ้นรูป และปัจจัยการใช้งานและการบำรุงรักษา โดยจะวิเคราะห์กลไกผลกระทบของแต่ละปัจจัยโดยละเอียด ตรวจสอบกับกรณีทางวิศวกรรม และเสนอคำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพที่ตรงเป้าหมาย การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงที่ครอบคลุมสำหรับองค์กรต่างๆ เพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของแม่พิมพ์และลดต้นทุนการผลิต

วัสดุของแม่พิมพ์เพลท PHE จะกำหนดคุณสมบัติเชิงกลโดยตรง (ความแข็ง ความเหนียว ความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานการกัดกร่อน) และคุณสมบัติทางความร้อน (การนำความร้อน ความต้านทานความล้าจากความร้อน) ซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐานของการรับประกันอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ แม่พิมพ์เพลท PHE มักจะต้องรับภาระแบบวงจร เช่น แรงปั๊ม แรงเสียดทาน และความเครียดจากความร้อนในระหว่างการใช้งาน ดังนั้นวัสดุแม่พิมพ์จึงต้องมีประสิทธิภาพที่ครอบคลุมเป็นเลิศ ปัจจัยวัสดุหลักที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ ได้แก่ ประเภทวัสดุ องค์ประกอบทางเคมี และคุณภาพการอบชุบ

การเลือกวัสดุแม่พิมพ์เพลท PHE มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกระบวนการขึ้นรูปเพลท (การปั๊มเย็น การปั๊มร้อน การขึ้นรูปม้วน) และวัสดุของเพลท (สแตนเลส โลหะผสมไททาเนียม อลูมิเนียมอัลลอยด์) วัสดุที่แตกต่างกันมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในด้านความแข็ง ความเหนียว ความต้านทานการสึกหรอ และคุณสมบัติอื่นๆ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความสามารถของแม่พิมพ์ในการต้านทานการสึกหรอและความล้า

วัสดุแม่พิมพ์แผ่น PHE ทั่วไป ได้แก่ เหล็กแม่พิมพ์งานเย็น เหล็กแม่พิมพ์งานร้อน และเหล็กโลหะผสม ซึ่งแต่ละชิ้นมีสถานการณ์การใช้งานและคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกันไป:

เหล็กแม่พิมพ์งานเย็น (เช่น Cr12MoV, Cr12, D2) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแม่พิมพ์ปั๊มเย็นสำหรับแผ่น PHE (กระบวนการขึ้นรูปทั่วไป) มีความแข็งสูง (HRC 60–65 หลังการอบชุบด้วยความร้อน) ทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม และมีเสถียรภาพในมิติที่ดี ซึ่งสามารถต้านทานการเสียดสีและการสึกหรอระหว่างแม่พิมพ์และแผ่นในระหว่างการปั๊มเย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ความเหนียวของมันค่อนข้างต่ำ และมีแนวโน้มที่จะแตกหักง่ายภายใต้แรงกระแทกขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น เมื่อปั๊มแผ่นสแตนเลสหนา (ความหนา > 1.0 มม.) หากแรงกระแทกมากเกินไป แม่พิมพ์ Cr12MoV อาจแตกก่อนเวลาอันควร ตามสถิติทางวิศวกรรม อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ปั๊มเย็น Cr12MoV สำหรับแผ่นเหล็กสแตนเลส 316L มักจะอยู่ที่ 150,000–250,000 จังหวะภายใต้เงื่อนไขการใช้งานที่เหมาะสม

เหล็กแม่พิมพ์งานร้อน (เช่น H13, H11, 4Cr5MoSiV1) เหมาะสำหรับแม่พิมพ์ปั๊มร้อนของวัสดุแผ่นที่มีความแข็งสูง (เช่น โลหะผสมไททาเนียม, สแตนเลสที่มีความแข็งแรงสูง) มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ทนต่อความล้าจากความร้อน และความเหนียวได้ดี และสามารถรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงภายใต้สภาวะการทำความร้อนและความเย็นแบบวงจร (อุณหภูมิการขึ้นรูป 800–1200°C) ตัวอย่างเช่น แม่พิมพ์เหล็ก H13 สามารถทนต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิสูงในระหว่างการปั๊มร้อนแผ่นโลหะผสมไทเทเนียม และอายุการใช้งานสามารถเข้าถึง 200,000–300,000 จังหวะ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของเหล็กแม่พิมพ์งานร้อนนั้นสูงกว่าเหล็กแม่พิมพ์งานเย็น ซึ่งจะทำให้การลงทุนเริ่มแรกของแม่พิมพ์เพิ่มขึ้น

โลหะผสมเหล็ก (เช่น 42CrMo, 35CrMo) มักใช้เป็นฐานแม่พิมพ์หรือส่วนประกอบของแม่พิมพ์ที่ไม่สำคัญ มีความเหนียวและความแข็งแรงเชิงกลที่ดี แต่ความต้านทานการสึกหรอต่ำ จึงไม่เหมาะสำหรับโพรงแม่พิมพ์ที่สัมผัสกับแผ่นโดยตรง หากใช้โลหะผสมเหล็กสำหรับโพรงแม่พิมพ์ อัตราการสึกหรอจะเพิ่มขึ้น 30–50% และอายุการใช้งานจะลดลงเหลือน้อยกว่า 100,000 จังหวะ

นอกจากนี้ การใช้วัสดุใหม่ เช่น วัสดุเซรามิกและวัสดุคอมโพสิตในแม่พิมพ์เพลต PHE ก็ค่อยๆ เพิ่มขึ้น แม่พิมพ์เซรามิกมีความทนทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม แต่มีความทนทานต่ำและมีแนวโน้มที่จะแตกหัก วัสดุคอมโพสิต (เช่น วัสดุคอมโพสิตเซรามิกที่ทำจากเหล็ก) รวมข้อดีของเหล็กที่มีความเหนียวสูงและความต้านทานการสึกหรอสูงของเซรามิก ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ได้ 1.5–2 เท่า แต่ต้นทุนการผลิตสูง และปัจจุบันใช้เฉพาะในการผลิตแผ่น PHE ระดับไฮเอนด์เท่านั้น

องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุแม่พิมพ์ส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกลและผลการรักษาความร้อน องค์ประกอบหลักในเหล็กกล้าแม่พิมพ์ ได้แก่ คาร์บอน (C) โครเมียม (Cr) โมลิบดีนัม (Mo) วานาเดียม (V) และซิลิคอน (Si) และอัตราส่วนเนื้อหามีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของแม่พิมพ์:

คาร์บอน (C) เป็นองค์ประกอบหลักที่กำหนดความแข็งและความต้านทานการสึกหรอของเหล็กแม่พิมพ์ ยิ่งปริมาณคาร์บอนสูง ความแข็งและความต้านทานต่อการสึกหรอของเหล็กก็จะยิ่งสูงขึ้น แต่ความเหนียวก็จะยิ่งต่ำลง สำหรับเหล็กแม่พิมพ์งานเย็น ปริมาณคาร์บอนมักจะอยู่ที่ 1.0–1.5% ซึ่งช่วยรักษาสมดุลระหว่างความแข็งและความเหนียว สำหรับเหล็กกล้าแม่พิมพ์งานร้อน ปริมาณคาร์บอนอยู่ที่ 0.3–0.5% ซึ่งรับประกันความแข็งแรงและความเหนียวที่อุณหภูมิสูง

โครเมียม (Cr) สามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานการกัดกร่อน และความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กแม่พิมพ์ การเติม Cr อาจทำให้เกิดคาร์ไบด์ (Cr7C3) ในเหล็ก ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้า Cr12MoV มี Cr 11–13% ซึ่งมีความต้านทานการสึกหรอดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม Cr ที่มากเกินไปจะเพิ่มความเปราะบางของเหล็ก ทำให้มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน

โมลิบดีนัม (Mo) และวานาเดียม (V) สามารถปรับเกรนของเหล็กแม่พิมพ์ ปรับปรุงความเหนียวและเสถียรภาพทางความร้อน และลดแนวโน้มการเปลี่ยนรูปจากการอบชุบด้วยความร้อน Mo ยังสามารถปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงของเหล็กแม่พิมพ์งานร้อนได้ ในขณะที่ V สามารถสร้างวานาเดียมคาร์ไบด์แข็งได้ ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ ตัวอย่างเช่น เหล็ก H13 มี Mo 1.0–1.5% และ 0.8–1.2% V ซึ่งมีความต้านทานความล้าจากความร้อนที่ดีและมีความเสถียรของขนาด

ซิลิคอน (Si) และแมงกานีส (Mn) สามารถปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็งและความแข็งแรงของเหล็กแม่พิมพ์ได้ แต่ปริมาณที่มากเกินไปจะลดความเหนียวของเหล็ก ตัวอย่างเช่น หาก Si มากเกินไปจะทำให้เหล็กเปราะ และ Mn ที่มากเกินไปจะเพิ่มแนวโน้มของการแตกร้าวจากการบำบัดด้วยความร้อน

องค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ (เช่น ซัลเฟอร์ (S) ฟอสฟอรัส (P)) ในเหล็กแม่พิมพ์จะส่งผลร้ายแรงต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ S จะเกิดซัลไฟด์ที่ละลายต่ำ ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานการสึกหรอและความเหนียวของเหล็ก P จะทำให้เกิดความเปราะของเหล็ก ทำให้มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวภายใต้แรงกระแทก ดังนั้นควรควบคุมปริมาณ S และ P ในเหล็กกล้าแม่พิมพ์คุณภาพสูงให้ต่ำกว่า 0.03%

การอบชุบด้วยความร้อนเป็นกระบวนการสำคัญในการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุแม่พิมพ์ และคุณภาพของวัสดุจะกำหนดความแข็ง ความเหนียว และความต้านทานการสึกหรอของแม่พิมพ์โดยตรง กระบวนการบำบัดความร้อนทั่วไปสำหรับแม่พิมพ์เพลท PHE รวมถึงการหลอม การชุบแข็ง การแบ่งเบาบรรเทา และการปรับสภาพพื้นผิว การรักษาความร้อนที่ไม่เหมาะสมจะนำไปสู่ข้อบกพร่อง เช่น ความแข็งไม่เพียงพอ ความแข็งไม่สม่ำเสมอ รอยแตกร้าว และการเสียรูปของแม่พิมพ์ ซึ่งทำให้อายุการใช้งานสั้นลงอย่างมาก

การหลอมส่วนใหญ่จะใช้เพื่อขจัดความเครียดภายในของแม่พิมพ์เปล่า ลดความแข็ง และปรับปรุงความสามารถในการแปรรูป หากอุณหภูมิการหลอมต่ำเกินไปหรือเวลาในการยึดเกาะไม่เพียงพอ ความเค้นภายในของแม่พิมพ์เปล่าจะไม่สามารถกำจัดได้ทั้งหมด ซึ่งจะนำไปสู่การเสียรูปหรือการแตกร้าวในระหว่างการตัดเฉือนและการใช้งานในภายหลัง หากอุณหภูมิการหลอมสูงเกินไป เม็ดเหล็กจะโตขึ้น ส่งผลให้ความเหนียวของแม่พิมพ์ลดลง

การชุบแข็งและการอบคืนตัวเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนหลักเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของแม่พิมพ์ การชุบแข็งคือการให้ความร้อนแก่เหล็กแม่พิมพ์จนถึงอุณหภูมิออสเทนไนซ์ (850–1,050°C) ให้อบอุ่นเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (ระบายความร้อนด้วยน้ำ ระบายความร้อนด้วยน้ำมัน) เพื่อให้ได้มาร์เทนไซต์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความแข็งและความต้านทานการสึกหรอของแม่พิมพ์ การอบคืนตัวคือการให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์ที่ดับแล้วจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด (150–600°C) รักษาอุณหภูมิไว้ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ เพื่อขจัดความเครียดภายในที่เกิดขึ้นระหว่างการชุบแข็ง ปรับปรุงความเหนียว และลดความเปราะ การจับคู่พารามิเตอร์การชุบแข็งและการอบคืนตัวเป็นสิ่งสำคัญ: หากอุณหภูมิการดับสูงเกินไป แม่พิมพ์จะร้อนเกินไป ส่งผลให้เกรนหยาบและเปราะ ถ้าอัตราการเย็นตัวเร็วเกินไป แม่พิมพ์จะแตก หากอุณหภูมิการแบ่งเบาบรรเทาต่ำเกินไป ความเครียดภายในไม่สามารถกำจัดได้ และแม่พิมพ์มีแนวโน้มที่จะแตกหักง่าย หากอุณหภูมิการอบคืนตัวสูงเกินไป ความแข็งของแม่พิมพ์จะลดลง และความต้านทานต่อการสึกหรอจะลดลง

การรักษาพื้นผิวเป็นวิธีสำคัญในการปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อนของพื้นผิวแม่พิมพ์ กระบวนการเตรียมพื้นผิวทั่วไป ได้แก่ ไนไตรด์ การชุบโครเมี่ยม และการหุ้มด้วยเลเซอร์ ไนไตรด์สามารถสร้างชั้นไนไตรด์แข็ง (ความแข็ง HRC 70–80) บนพื้นผิวแม่พิมพ์ ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก และสามารถยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ได้ 50–100% การชุบโครเมี่ยมสามารถสร้างชั้นโครเมียมที่เรียบและแข็งบนพื้นผิวแม่พิมพ์ ช่วยลดแรงเสียดทานและการสึกหรอ แต่ชั้นโครเมียมจะลอกออกได้ง่ายหากกระบวนการชุบไม่เหมาะสม การหุ้มด้วยเลเซอร์สามารถสะสมชั้นโลหะผสมที่มีความแข็งสูงไว้บนพื้นผิวแม่พิมพ์ ซึ่งมีแรงยึดเกาะที่ดีกับวัสดุฐาน และสามารถซ่อมแซมพื้นผิวแม่พิมพ์ที่สึกหรอได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์เก่า

ตามกรณีทางวิศวกรรม อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ที่มีการอบชุบด้วยความร้อนที่มีคุณสมบัติเหมาะสมคือ 2-3 เท่าของอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ที่มีการอบชุบด้วยความร้อนอย่างไม่มีเงื่อนไข ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิต PHE ครั้งหนึ่งเคยใช้แม่พิมพ์ Cr12MoV โดยไม่มีการอบคืนตัวที่เหมาะสม ส่งผลให้แม่พิมพ์มีความแข็งสูงเกินไป (HRC 68) และความเหนียวต่ำ แม่พิมพ์แตกหลังจากปั๊มเพียง 80,000 จังหวะ หลังจากการให้ความร้อนซ้ำ (ดับที่ 950°C อบคืนตัวที่ 200°C) ความแข็งของแม่พิมพ์ถูกปรับเป็น HRC 62–64 และยืดอายุการใช้งานเป็น 220,000 จังหวะ

การออกแบบแม่พิมพ์เป็นส่วนหลักในการพิจารณาการกระจายความเค้น ความสามารถในการรับน้ำหนัก และอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ การออกแบบแม่พิมพ์ทางวิทยาศาสตร์และสมเหตุสมผลสามารถหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเครียด ลดภาระของแม่พิมพ์ และปรับปรุงความสม่ำเสมอของแรงและการกระจายความร้อน ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งาน ในทางตรงกันข้าม การออกแบบที่ไม่สมเหตุสมผลจะนำไปสู่การรับน้ำหนักมากเกินไปในท้องถิ่น การสึกหรออย่างรวดเร็ว และการแตกร้าวของแม่พิมพ์ก่อนเวลาอันควร ปัจจัยการออกแบบหลักที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ ได้แก่ การออกแบบโครงสร้าง การออกแบบความแม่นยำของมิติ และการออกแบบระบบทำความเย็น

การออกแบบโครงสร้างของแม่พิมพ์เพลท PHE ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโครงสร้างโพรง โครงสร้างนำทาง โครงสร้างการดีดออก และโครงสร้างฐานแม่พิมพ์ ความสมเหตุสมผลของโครงสร้างเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อสภาวะแรงของแม่พิมพ์ระหว่างการทำงาน

โครงสร้างโพรงเป็นส่วนหลักของแม่พิมพ์ ซึ่งสร้างรูปร่างลูกฟูกของแผ่น PHE โดยตรง แผ่น PHE มีโครงสร้างลูกฟูกที่ซับซ้อน (เช่น ก้างปลา ลอนแนวนอน และแนวตั้ง) ดังนั้นโครงสร้างของโพรงจึงค่อนข้างซับซ้อนเช่นกัน ประเด็นสำคัญของการออกแบบคาวิตี้ที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์มีดังนี้: (1) การออกแบบมุม: มุมที่แหลมคมในคาวิตี้จะทำให้เกิดการรวมตัวของความเครียด และความเค้นที่มุมคมสามารถสูงถึง 5-10 เท่าของความเค้นโดยเฉลี่ย ซึ่งทำให้เกิดรอยแตกได้ง่าย ดังนั้นควรออกแบบมุมของโพรงให้มีมุมโค้งมน (รัศมี R ≥ 0.5 มม.) เพื่อกระจายแรงเค้น (2) การออกแบบโครงสร้างลอน: ความสูงของลอน ระยะห่าง และมุมของลอนควรสอดคล้องกับข้อกำหนดการออกแบบแผ่น และการเปลี่ยนระหว่างลอนควรราบรื่นเพื่อหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเครียดในท้องถิ่น ตัวอย่างเช่น หากการเปลี่ยนแปลงระหว่างลอนสูงชันเกินไป แม่พิมพ์จะได้รับแรงไม่สม่ำเสมอในระหว่างการปั๊ม ทำให้เกิดการสึกหรอและการเสียรูปในท้องถิ่น (3) การออกแบบความหนาของโพรง: ความหนาของโพรงควรสมเหตุสมผลเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแข็งแกร่งและแข็งแรงเพียงพอ ถ้าความหนาบางเกินไป แม่พิมพ์จะเสียรูปภายใต้แรงปั๊ม ถ้าความหนาเกินไปจะทำให้น้ำหนักของแม่พิมพ์และต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น

โครงสร้างไกด์ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าแม่พิมพ์บนและล่างอยู่ในตำแหน่งที่แม่นยำระหว่างการปั๊ม หลีกเลี่ยงการเยื้องศูนย์และการชนกัน โครงสร้างไกด์ทั่วไปประกอบด้วยเสานำทางและปลอกไกด์ การออกแบบโครงสร้างไกด์ควรรับประกันความแข็งแกร่งและความแม่นยำในการวางตำแหน่งที่เพียงพอ: (1) เสาไกด์และปลอกไกด์ควรทำจากวัสดุที่มีความแข็งสูง (เช่น GCr15) และผ่านการบำบัดความร้อนเพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอ (2) ระยะห่างพอดีระหว่างเสานำและปลอกนำควรเหมาะสม (0.01–0.03 มม.) หากระยะห่างมากเกินไป ความแม่นยำของตำแหน่งจะลดลง ทำให้เกิดการชนกันของแม่พิมพ์ หากระยะห่างน้อยเกินไป ความต้านทานแรงเสียดทานจะเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการสึกหรอของโครงสร้างตัวนำ (3) จำนวนและรูปแบบของเสานำทางควรเหมาะสม สำหรับแม่พิมพ์เพลท PHE ขนาดใหญ่ ควรจัดเรียงเสานำทางอย่างน้อย 4 เสาอย่างสมมาตรเพื่อให้แน่ใจว่ามีแรงสม่ำเสมอ

โครงสร้างการดีดออกใช้เพื่อดีดแผ่นที่ขึ้นรูปออกจากโพรงแม่พิมพ์ ความสมเหตุสมผลของโครงสร้างการดีดออกส่งผลต่อแรงเสียดทานระหว่างแผ่นเพลทกับแม่พิมพ์ และส่งผลต่อการสึกหรอของแม่พิมพ์ ประเด็นสำคัญของการออกแบบโครงสร้างการดีดออกคือ: (1) แรงดีดออกควรสม่ำเสมอเพื่อหลีกเลี่ยงแรงมากเกินไปเฉพาะที่ซึ่งนำไปสู่การเสียรูปของแผ่นโลหะและการสึกหรอของแม่พิมพ์ (2) ควรจัดจุดดีดออกไว้ที่ตำแหน่งที่แผ่นสัมผัสกับแม่พิมพ์อย่างใกล้ชิด (เช่น ขอบของแผ่น ด้านล่างของลอน) เพื่อให้แน่ใจว่าแผ่นดีดออกได้อย่างราบรื่น (3) พื้นผิวของหมุดดีดตัวควรเรียบเพื่อลดแรงเสียดทานกับแผ่น หากหมุดอีเจ็คเตอร์ไม่เรียบ แผ่นเพลทและโพรงแม่พิมพ์จะเกิดรอยขีดข่วน เร่งการสึกหรอ

โครงสร้างฐานแม่พิมพ์เป็นส่วนรองรับของแม่พิมพ์ซึ่งมีแรงปั๊มระหว่างการทำงาน ฐานแม่พิมพ์ควรมีความแข็งแกร่งและแข็งแรงเพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปภายใต้แรงปั๊มขนาดใหญ่ ประเด็นสำคัญของการออกแบบฐานแม่พิมพ์คือ: (1) ควรเลือกวัสดุฐานแม่พิมพ์ตามแรงปั๊ม สำหรับแม่พิมพ์แผ่น PHE ขนาดใหญ่ (ขนาดแผ่น > 1,000 มม. * 500 มม.) ควรใช้โลหะผสมเหล็ก (เช่น 42CrMo) สำหรับฐานแม่พิมพ์เพื่อให้แน่ใจว่ามีความแข็งแกร่ง (2) ความหนาของฐานแม่พิมพ์ควรเหมาะสม หากความหนาไม่เพียงพอ ฐานแม่พิมพ์จะเสียรูป ส่งผลให้แม่พิมพ์ด้านบนและด้านล่างไม่ตรงแนว และแม่พิมพ์เสียหาย (3) การเชื่อมต่อระหว่างฐานแม่พิมพ์และโพรงแม่พิมพ์ควรมีความแน่นหนาเพื่อหลีกเลี่ยงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างการปั๊ม

ความถูกต้องของมิติและคุณภาพพื้นผิวของแม่พิมพ์ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการขึ้นรูปของแผ่น PHE และอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ แผ่น PHE มีข้อกำหนดความแม่นยำของขนาดสูง (ความคลาดเคลื่อน ±0.1–0.3 มม. สำหรับขนาดหลัก เช่น ความสูงของลอนและระยะพิทช์) ดังนั้นแม่พิมพ์จะต้องมีความแม่นยำของขนาดสูงกว่า (ความคลาดเคลื่อน ±0.05–0.1 มม.)

หากความแม่นยำของมิติแม่พิมพ์ไม่เพียงพอ ปัญหาต่อไปนี้จะเกิดขึ้น: (1) แผ่นที่ขึ้นรูปมีการเบี่ยงเบนมิติ ซึ่งไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดการประกอบของ PHE (2) ช่องว่างระหว่างแม่พิมพ์บนและล่างไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดแรงไม่สม่ำเสมอในระหว่างการปั๊ม การโอเวอร์โหลดเฉพาะจุด และการสึกหรอของแม่พิมพ์อย่างรวดเร็ว (3) ความพอดีระหว่างแม่พิมพ์กับแผ่นแน่นหรือหลวมเกินไป ขนาดที่พอดีเกินไปจะเพิ่มการเสียดสีและการสึกหรอ ขนาดที่หลวมเกินไปทำให้เกิดการขึ้นรูปที่ไม่สมบูรณ์ จำเป็นต้องปั๊มซ้ำ ซึ่งจะทำให้แม่พิมพ์มีน้ำหนักเพิ่มขึ้น

คุณภาพพื้นผิวของแม่พิมพ์ (ความหยาบของพื้นผิว ความเรียบ) ก็มีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานเช่นกัน พื้นผิวของโพรงแม่พิมพ์ควรเรียบ (Ra ≤ 0.4 μm) เพื่อลดแรงเสียดทานระหว่างเพลตกับแม่พิมพ์ ลดการสึกหรอ และป้องกันไม่ให้เพลทเกาะติดกับแม่พิมพ์ หากความหยาบผิวของโพรงแม่พิมพ์สูงเกินไป (Ra ≥ 1.6 μm) ค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีจะเพิ่มขึ้น 30–50% และอัตราการสึกหรอของแม่พิมพ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ความเรียบของพื้นผิวแม่พิมพ์ควรสูงเพื่อให้แน่ใจว่าแม่พิมพ์และแผ่นสัมผัสกันสม่ำเสมอระหว่างการปั๊ม หลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเครียดในท้องถิ่น

สำหรับแม่พิมพ์ปั๊มร้อนและแม่พิมพ์ปั๊มเย็นความเร็วสูง การออกแบบระบบทำความเย็นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการยืดอายุการใช้งาน ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป แม่พิมพ์จะสร้างความร้อนจำนวนมากเนื่องจากการเสียดสีและการเสียรูปของแผ่นพลาสติก หากไม่สามารถกระจายความร้อนได้ทันเวลา อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดความล้าจากความร้อน การเสียรูป และการสึกหรอ

ประเด็นสำคัญของการออกแบบระบบทำความเย็นคือ: (1) เค้าโครงช่องระบายความร้อนควรสม่ำเสมอและครอบคลุมช่องแม่พิมพ์ทั้งหมด เพื่อให้แน่ใจว่าแม่พิมพ์จะเย็นสม่ำเสมอและหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น สำหรับช่องลูกฟูกที่ซับซ้อน ควรจัดช่องระบายความร้อนตามทิศทางลอนเพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละส่วนของช่องระบายความร้อนเท่ากัน (2) อัตราการไหลของสารทำความเย็น (น้ำ น้ำมัน) ควรเหมาะสม อัตราการไหลควรสูงพอที่จะระบายความร้อนที่เกิดจากแม่พิมพ์ออกไป แต่อัตราการไหลที่สูงเกินไปจะทำให้การใช้พลังงานและเสียงเพิ่มขึ้น (3) เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องระบายความร้อนควรมีความเหมาะสม (8–12 มม.) หากเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเกินไป ช่องจะปิดกั้นได้ง่าย ส่งผลต่อความเย็น หากเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เกินไป ความแข็งแรงของโครงสร้างแม่พิมพ์จะลดลง

ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตเพลต PHE โลหะผสมไทเทเนียมเคยใช้แม่พิมพ์ปั๊มร้อนโดยไม่มีระบบระบายความร้อนที่เหมาะสม ในระหว่างการปั๊มขึ้นรูปด้วยความเร็วสูง อุณหภูมิของแม่พิมพ์เพิ่มขึ้นเป็น 300°C ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนของคาวิตี้ และลดความแม่นยำของมิติของเพลต หลังจากเพิ่มช่องระบายความร้อนที่สม่ำเสมอ (อัตราการไหล 5–8 ลิตร/นาที) อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะถูกควบคุมให้ต่ำกว่า 150°C ปรากฏการณ์ความล้าจากความร้อนลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ขยายจาก 120,000 จังหวะเป็น 250,000 จังหวะ

กระบวนการผลิตแม่พิมพ์เพลท PHE จะกำหนดความแม่นยำของมิติ คุณภาพพื้นผิว และโครงสร้างภายในของแม่พิมพ์โดยตรง และส่งผลต่ออายุการใช้งาน แม้ว่าวัสดุแม่พิมพ์และการออกแบบจะสมเหตุสมผล แต่กระบวนการผลิตที่ไม่เหมาะสมจะทำให้เกิดข้อบกพร่องของแม่พิมพ์ (เช่น รอยแตกร้าว รอยตำหนิ ความแข็งไม่สม่ำเสมอ) ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานสั้นลง ปัจจัยกระบวนการผลิตที่สำคัญที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ ได้แก่ ความแม่นยำในการตัดเฉือน กระบวนการปรับสภาพพื้นผิว และความแม่นยำในการประกอบ

กระบวนการตัดเฉือนของแม่พิมพ์เพลท PHE รวมถึงการกลึง การกัด การเจียร EDM (การตัดเฉือนด้วยไฟฟ้า) และการตัดลวด กระบวนการตัดเฉือนแต่ละกระบวนการมีข้อกำหนดที่เข้มงวดในเรื่องความแม่นยำ และการทำงานที่ไม่เหมาะสมจะนำไปสู่ข้อบกพร่องของแม่พิมพ์

การเจียรเป็นกระบวนการสำคัญในการรับรองความถูกต้องของมิติและคุณภาพพื้นผิวของแม่พิมพ์ ความแม่นยำในการบดส่งผลโดยตรงต่อความเรียบและความขรุขระของพื้นผิวของโพรงแม่พิมพ์ หากกระบวนการเจียรไม่เหมาะสมจะเกิดปัญหาต่อไปนี้: (1) การไหม้จากการเจียร: เนื่องจากความเร็วการเจียรมากเกินไปหรือการระบายความร้อนไม่เพียงพอ พื้นผิวแ