Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

Wrzesień
Grudzień
Wrzesień
Marzec
Lipiec/sierpień
Listopad
Lipiec/sierpień
Czerwiec
Lipiec/sierpień
Listopad
Styczeń/luty
Kwiecień
Listopad
Grudzień
Czerwiec
Październik
Marzec
Marzec
Marzec
Kwiecień

Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi


O trwałości narzędzi decyduje głównie warstwa wierzchnia, która w wyniku zastosowania rożnych procesów technologicznych może mieć grubość rzędu od 1 μm do kilku milimetrów. Stan warstwy wierzchniej decyduje o własnościach tribologicznych. Natomiast w przypadku obciążeń mechanicznych nadzwyczaj ważną rolę odgrywa podłoże, jego przygotowanie oraz wzajemne korelacje pomiędzy warstwą wierzchnią a podłożem. 

Michaił Ignatiev, Volf Leszczynski, Hanna Wisniewska-Weinert,
Jacek Borowski, Tomasz Wiśniewski


Wraz z postępującym procesem zużycia narzędzi [1] pogarsza się jakość wyrobu. Z drugiej strony udział kosztów narzędzi w całkowitym koszcie wytworzenia wyrobu często osiąga wielkość 30%. Z tego względu w narzędziach do kucia stosuje się wymienne wkładki, których  powierzchnia jest zwykle pokrywana metodą CVD/PVD [2]. Dopuszczalne wielkości zmian wymiarowych narzędzi zależą od klasy dokładności kształtowania wyrobów. Powtarzalne cykle produkcyjne wpływają na zmiany wymiarowe narzędzi spowodowane ich zużyciem m.in. takim czynnikiem jak lokalny wzrost temperatury [3]. 
Środki smarujące zapobiegają zatarciu i powodują zachowanie integralności narzędzi i materiału obrabianego [4]. Jednak najczęściej stosowane jako środek smarny stearynian fosforu i olej o różnej lepkości, nie eliminują naprężeń ścinających na styku współpracujących elementów. W badaniach realizowanych w Instytucie Obróbki Plastycznej wykazano, że nanocząstki MoS2 i WS2 posiadają unikalne właściwości tribologiczne [5]. Metoda dostarczania nanocząstek o bardzo dobrych właściwościach smarujących, w sposób ciągły, do obszaru współpracujących elementów, została po raz pierwszy zastosowana w narzędziach kuźniczych do kształtowania elementów na zimno (podczas realizacji projektu EUROSTARS o akronimie NERGFORT). Została opracowana idea implementowania grafenopodobnych nanocząstek smarów stałych (MoS2 i WS2) na powierzchnię narzędzi (specjalne mikrozagłębienia w pewnych obszarach na powierzchni narzędzi). Powoduje to powolne uwalnianie na powierzchnię tych nanocząstek i, zgodnie z założeniami, zmniejsza współczynnik tarcia i zużycie materiału [6]. Powstaje cienki film na styku elementów współpracujących.
W celu wykonania mikrozagłębień na nanocząstki smaru stałego, smarujących powierzchnie narzędzi, zastosowano metodę grawerowania laserowego, pozwalającą na wykonanie dokładnych mikrozagłębień i ich odpowiedniej geometrii (głębokość średnica, szerokość i kształt).
W pierwszych próbach badań zastosowano wysokoenergetyczny pulsacyjny laser włóknowy domieszkowany iterbem do wykonania mikrokanalików. Laser miał następujące parametry: długość fali 1,06 μm; średnia moc 10-50 W; częstotliwość impulsu 20-200 kHz; energia impulsu 2 mJ; optymalny czas trwania impulsu 120 ns; punkt ogniskowy 20 μm. Parametry te pozwoliły na formowanie dokładnej sieci mikrokanalików o następujących typowych wymiarach zagłębień: średnica 20-50 μm i głębokości 5-10 μm (rys. 1).

rys_1_laserowa
Rys. 1  Struktury mikrokanalika wytworzonego przez laser włóknowy domieszkowane iterbem dla  impulsu lasera o czasie trwania 120ns i energii 2 mJ
 
Główną przeszkodą w uzyskaniu właściwych mikrokanalików jest twardy stopiony metal zarówno na dnie, jak i blisko granicy mikrokanalików. Wymaga to dodatkowych operacji technologicznych np. polerowania powierzchni narzędzi. Dlatego zmieniono układ laserowy i zmniejszono czas trwania impulsu z 120 ns do 15 ns. Nowy układ laserowy miał maksymalną energię impulsu 15 mJ. Eksperymentalnie zoptymalizowano parametry wytwarzania mikronakanalików metodą laserową: zmienne parametry obejmowały prędkość skanowania i energię impulsu.

rys2
Rys. 2  Ogólny schemat interakcji wiązki laserowej z materiałem

 

Najnowsze wydanie


280

Grudzień 12 (87) 2014
spis treści

Artykuł na życzenie

Sonda

Poniżej zamieszczamy fragmenty artykułów z najnowszego wydania, na które można głosować w naszej internetowej sondzie.
Artykuł, który zdobędzie największą ilość głosów zostanie opublikowany w całości.

Zegar na wieży Zamku Królewskiego w Warszawie; cz. 1 Historia powstania

Zegar na wieży Zamku Królewskiego w Warszawie; cz. 1  Historia powstania

Zegar Zamku Królewskiego w Warszawie, znajdujący się na dominującej nad Placem Zamkowym Wieży Zygmuntowskiej, zwanej także Wieżą Zegarową, obchodził w tym roku swoje wyjątkowe jubileusze. Siedemdziesiąt pięć lat temu – 17 września...

Ocena zgodności linii produkcyjnej (zautomatyzowanego systemu wytwarzania)

Ocena zgodności linii produkcyjnej (zautomatyzowanego systemu wytwarzania)

Ocena zgodności linii produkcyjnej lub zautomatyzowanego systemu wytwarzania jest bardzo słabo bądź nieprecyzyjnie opisana w obowiązujących przepisach i oficjalnych komentarzach do nich, stąd wiele problemów z interpretacją tych  przepisów, z...

Wiktor Schauberger; genialny leśniczy

Wiktor Schauberger; genialny leśniczy

Wiktor Schauberger jest postacią tajemniczą, która często powraca w dyskusjach o latających spodkach i tzw. wolnej energii. Chyba nikt nie spodziewał się, że zjawiska, które zgłębiał wykorzystywane będą w 2014 roku i to w tak konkurencyjnej...

Spawalność miedzi i jej stopów; część 1

Spawalność miedzi i jej stopów; część 1

Miedź i jej stopy charakteryzują się niezwykle dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, i dlatego są bardzo ważnym materiałem do produkcji urządzeń elektrycznych. Ze względu na dużą przewodność cieplną  i odporność na szok termiczny miedź...

Instalacje rurowe w konstrukcji silnika

Instalacje rurowe w konstrukcji silnika

Od początku tworzenia konstrukcji silników czy pomp, niezależnie od czynnika roboczego, zawsze stosowane były elementy rurowe. Istnieje wiele sposobów tworzenia ich geometrii. Jedne z nich wymagają dodatkowych środowisk, inne nie. Bernard...

Projektowanie wałka prowadzącego

Projektowanie wałka prowadzącego

W jednym z wcześniejszych artykułów zamieszonych w Projektowaniu i Konstrukcjach Inżynierskich (PiKI), dotyczących projektowania w TurboCAD, został zamieszczony opis wykonania wałka ze spiralnym rowkiem. Cały projekt zakładał, że do jego wykonania z jednego kawałka materiału...

Zaawansowana analiza wtrysku w NX

Zaawansowana analiza wtrysku w NX

W wersji 9.0 programu NX pojawiło się nowe narzędzie Easy Fill Advanced pozwalające przeprowadzić zaawansowaną analizę wtrysku. Symulacja jest integralną częścią aplikacji Mold Wizard służącej do projektowania form wtryskowych. Marcin Antosiewicz Analiza...

Toyota Mirai; samochód nowej ery

Toyota Mirai; samochód nowej ery

Dzień 15 grudnia 2014 stanie się jedną z ważniejszych dat w historii motoryzacji. Tego dnia bowiem rozpocznie się sprzedaż pierwszego seryjnie produkowanego auta napędzanego energią elektryczną wytwarzaną przez ogniwa paliwowe. Ryszard...