Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie

 

Wszędzie tam,

gdzie powstają

nowe konstrukcje

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

Lipiec/sierpień 7/8 (82/83) 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.

Brough Superior; legenda powraca

Brough Superior; legenda powraca

Marka Brough Superior ciągle jest synonimem najwyższej jakości, stylu i doskonałych osiągów. Motocykle z jej logo są ozdobą najcenniejszych kolekcji. Jedną z największych sensacji ubiegłorocznych targów motocyklowych w Mediolanie była zapowiedź powrotu marki. Ryszard Romanowski Właściwie...

O projektowaniu aut od kuchni: Audi Q7

O projektowaniu aut od kuchni: Audi Q7

W roku 2000 zarząd Audi A.G. rozważał wprowadzenie na rynek dużych, siedmioosobowych SUV’ów. Koncepcja zakładała budowę dużego SUV’a na specjalnie w tym celu stworzonej własnej platformie. Pojazd miał być z założenia tańszy, nie tylko...

Stanisława Lisowskiego życie w terenie

Stanisława Lisowskiego życie w terenie

Stanisław Lisowski jest wielokrotnym mistrzem w rajdach samochodów terenowych. Wielu twierdzi, że to właśnie on w latach osiemdziesiątych wymyślił formułę tych rajdów. Niewielu zdaje sobie sprawę, że wiele lat wcześniej związany był...

Wyzwania technologiczne powstałe przy budowie korwety typu GAWRON

Wyzwania technologiczne powstałe przy budowie korwety typu GAWRON

Niniejszy tekst stanowi próbę opisania zagadnień technicznych, jakie pojawiły się w trakcie dotychczasowej realizacji budowy korwety wielozadaniowej typu GAWRON w latach 2001-2012, a od roku 2012 – okrętu patrolowego typu ŚLĄZAK. Budowa okrętu...

Symulacje numeryczne MES w projektowaniu hełmu strażackiego

Symulacje numeryczne MES w projektowaniu hełmu strażackiego

Uzyskanie konstrukcji hełmu strażackiego spełniającego wszystkie rygorystyczne wymagania dotyczące absorpcji energii oraz odporności na uderzenia udarowe wymaga sporego doświadczenia kadry inżynierskiej. Zwykle, wykorzystując tradycyjny proces projektowy wykonuje się kilka, kilkanaście...

Tworzenie złożeń i analiza kinematyczna w BricsCAD

Tworzenie złożeń i analiza kinematyczna w BricsCAD

Zastosowanie prostych i intuicyjnych mechanizmów wspomagających pracę konstruktora, posiadających jednak duże możliwości tworzenia złożeń, poważnie ogranicza lub nawet całkiem eliminuje ryzyko powstawania błędów od samego początku pracy. Krystian Binarski Pracę ze złożeniami można...

Definicja mechanizmu w CATIA V5

Definicja mechanizmu w CATIA V5

W rozmowach z konstruktorami (także na forach internetowych) bardzo często poruszany jest temat definicji mechanizmów w systemie CATIA V5. Wielu z tych, którzy tworzą swoje projekty w tym systemie i...

Jak diagnozować przyczyny błędów obróbki CNC detali? cz. 1

Jak diagnozować przyczyny błędów obróbki CNC detali? cz. 1

W mojej ponad 30-letniej praktyce badań dokładności i problemów z dokładnością obróbki na obrabiarkach często spotykałem się z pytaniami typu:– Dlaczego wychodzi mi dużo braków przy obróbce w ruchu interpolowanym, mimo sprawdzenia obrabiarki „laserem” i wprowadzeniu...

Zgrzewanie tarciowe FSW zamiast konwencjonalnych technologii łączenia Analiza zastosowania w cienkościennych metalowych strukturach lotniczych

Zgrzewanie tarciowe FSW zamiast konwencjonalnych technologii łączenia  Analiza zastosowania w cienkościennych metalowych strukturach lotniczych

Firmy z sektora lotniczego poszukują wciąż nowych rozwiązań, metod łączenia elementów struktur lotniczych i implementacji ich w procesie wytwarzania. Produkcja zaawansowanych metalowych konstrukcji lotniczych wymaga zastosowania i integracji wielu technik. Polski przemysł lotniczy wykorzystuje...