Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

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

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

Wrzesień 9 (84) 2014  
spis treści

Artykuł na życzenie

ed

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.

Romantyzm latania i konstrukcje Jerzego Wolfa

Romantyzm latania i konstrukcje Jerzego Wolfa

Z dr inż. Zbigniewem Czerwikiem pilotem, nestorem polskiego motolotniarstwa i honorowym prezesem Aeroklubu Łódzkiego rozmawia Ryszard Romanowski – Kiedy zaczął pan latać na lotniach i motolotniach?– Ten Niemiec, Alzheimer, który do mnie przyjeżdża, zakłóca...

O projektowaniu aut od kuchni: Volvo V70

O projektowaniu aut od kuchni: Volvo V70

Szwedzcy projektanci byli i są pionierami w kwestii bezpieczeństwa użytkowników pojazdów samochodowych. Doskonałe w tej dziedzinie rezultaty osiągnęli drogą ewolucyjnego procesu zwiększania bezpieczeństwa kolejnych generacji modeli aut Volvo. Piotr Bednarski W czasach przejęć i konsolidacji w branży samochodowej...

Gun Engine; przełomowy silnik Hołubowicza

Gun Engine; przełomowy silnik Hołubowicza

Można śmiało powiedzieć, że w dziedzinie silników spalinowych niewiele się dzieje. Wystarczy dokładnie przyjrzeć się większości stosowanych obecnie konstrukcji aby dojść do wniosku, że wywodzą się one wprost z konstrukcji sprzed co...

Historia pewnego wynalazku; cz. III

Historia pewnego wynalazku; cz. III

Od wydrukowania dwóch pierwszych części o tytule jak wyżej minęły już przeszło trzy lata i jest to jeszcze jedno potwierdzenie tezy, że praca inżyniera to raczej bieg długodystansowca czy wręcz maratończyka, a nie...

Ceramika techniczna; wyzwanie dla konstruktora

Ceramika techniczna; wyzwanie dla konstruktora

Sprawdzając pojęcie „ceramika” w encyklopedii można dowiedzieć się, że słowo to pochodzi z języka greckiego i oznacza wyroby z wypalanej gliny, takie jak terakota, kamionka, fajans, gres, porcelana, a także cegła. Przykładem największych artystycznych osiągnięć...

Projektowanie wkładu kominkowego w TurboCAD

Projektowanie wkładu kominkowego w TurboCAD

W kilku poprzednich artykułach opisujących pracę w TurboCAD zostały zaprezentowane możliwości projektowe systemu w oparciu o wybrane polecenia. Teraz skoncentrujemy się na przedstawieniu kolejnych faz projektowania podczas opracowywania gotowego wyrobu, jakim jest wkład kominkowy...

Rama i nie tylko, czyli podwozia motocyklowe

Rama i nie tylko, czyli podwozia motocyklowe

Niemiecki Hildebrant & Wolfmuller był pierwszym seryjnie produkowanym motocyklem na świecie. Obaj wspólnicy uzyskali nań patent 20 stycznia 1894 roku. Od tej chwili do dnia dzisiejszego konstrukcje podwozi motocyklowych przeszły...

Jak diagnozować przyczyny błędów obróbki CNC detali; cz. 2

Jak diagnozować przyczyny błędów obróbki CNC detali; cz. 2

Chociaż artykuł ten opisuje przede wszystkim jak diagnozować błędy wykonania detali przy obróbkach specjalnych na tokarkach, to może on być także wskazówką ogólną, jak podejść do diagnostyki przyczyn błędów obróbki...

Obróbka wykończeniowa materiałów lekkich; cz. II

Obróbka wykończeniowa materiałów lekkich; cz. II

Magnez (Mg), stanowiący 2% masy skorupy ziemskiej, jest jednym z najlżejszych metali o gęstości 1,74 g/cm3; jako czysty pierwiastek cechuje się niewielkimi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. Jego zalety, takie jak wysokie ciepło spalania...