Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

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

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

Marzec 3 (90) 2015
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.

CZ; motocykle ze Strakonic

CZ; motocykle ze Strakonic

Czy pamiętają Państwo czeskie motocykle CZ? Niektórzy jednym tchem wymówią – Jawa-CZ. Rzeczywiście, był w historii czas, gdy obie firmy współpracowały...

Koncepcja silników dwusuwowych nowej generacji; cz. 2 Szczegóły techniczne rozwiązań

Koncepcja silników dwusuwowych nowej generacji; cz. 2 Szczegóły techniczne rozwiązań

Jak zbudować silnik dwusuwowy, który pozbawiony byłby wszelkich dotychczasowych jego wad; silnik, który musiałby posiadać wymuszone ciśnieniowe smarowanie, komorę wstępnego...

Supersamochody nanoFlowcell … na wodę z solą

Supersamochody nanoFlowcell … na wodę z solą

Wystarczy włożyć puszkę aluminiową i kawałek blachy z miedzi do wody z dodatkiem soli kuchennej aby cieszyć się niemal 1 V prądu i uruchomić...

Proces modelowania geometrycznego opakowania w Creo Parametric

Proces modelowania geometrycznego opakowania w Creo Parametric

W artykule przedstawiony zostanie sposób modelowania butelki okrągłej (w programie Creo Parametric 2.0), wykorzystujący powszechnie stosowane w branży opakowaniowej techniki, uwzględniający specyfikę projektowanego...

Ewolwentowa powierzchnia śrubowa; część 2

Ewolwentowa powierzchnia śrubowa; część 2

Jeśli zadaniem konstruktora jest definicja ewolwentowej powierzchni śrubowej, to należałoby się zastanowić skąd przymiotnik „ewolwentowa” w nazwie. Odpowiedź można łatwo znaleźć...

Drukowane samochody

Drukowane samochody

Możliwości drukarek 3D robią się coraz większe, a ich rozwój po raz kolejny udowadnia, że granicą innowacyjności jest jedynie wyobraźnia. Wydrukowane...

Zrobotyzowane spawanie cienkościennych zespołów kadłubów silników lotniczych

Zrobotyzowane spawanie cienkościennych zespołów kadłubów silników lotniczych

Nowoczesne, komercyjne silniki odrzutowe przeznaczone do napędu samolotów pasażerskich składają się z wielu złożonych zespołów konstrukcyjnych, których produkcja realizowana jest przy...

Kompleksowe badania matryc kuźniczych

Kompleksowe badania matryc kuźniczych

Celem badań opisanych w artykule było określenie wielkości zużycia matryc do kucia zaczepu budowlanego o nośności 2,5 t metodą nieniszczącą, za pomocą...