Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

Wrzesień
Czerwiec
Październik
Kwiecień
Kwiecień
Czerwiec
Listopad
Listopad
Marzec
Kwiecień
Listopad
Listopad
Październik
Maj
Styczeń/luty
Marzec
Maj
Styczeń/luty
Październik
Maj

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

Listopad 11 (86) 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.

3D-MID: wtryskiwanie obwodów elektrycznych

3D-MID: wtryskiwanie obwodów elektrycznych

Wypraski wykonywane w technice 3D-MID (Moulded Interconnect Devices) stanowią obecnie dość duży segment rynku tworzyw sztucznych, a ich wytwarzanie ma charakter produkcji wielkoseryjnej (lub wręcz masowej). W zdecydowanej większości przypadków są to zastosowania...

XL Sport; Ducati w Volkswagenie

XL Sport; Ducati w Volkswagenie

Paryski salon samochodowy Mondiale Automobile 2014 nie przyniósł wielu przełomowych nowości. Można przypuszczać, że na razie biura projektowe wielkich koncernów opakowują w coraz to nowe, blaszane kreacje znaną technikę, okraszając ją...

Błędy i odkształcenia wyprasek

Błędy i odkształcenia wyprasek

Tworzywa sztuczne to dziś najczęściej wykorzystywany materiał konstrukcyjny. Łatwość uzyskania prawie dowolnych kształtów, niska masa oraz koszt produkcji czynią ten materiał bardzo ekonomicznym rozwiązaniem w stosunku do np. produktów metalowych. Bernard Pacula Czasami...

O projektowaniu aut od kuchni: Projekt samonośnego nadwozia samochodowego

O projektowaniu aut od kuchni: Projekt samonośnego  nadwozia samochodowego

Przyjrzyjmy się poglądowo procesowi projektowania samonośnego nadwozia samochodowego w szerszym kontekście projektu kompletnego pojazdu. Piotr Bednarski Pojęcie „szkielet nadwozia” podkreśla istotę konstrukcji nadwozia – szkielet ma za zadanie wytrzymać wszelkie typowe dla środowiska...

Rola badań trwałościowych w weryfikacji konstrukcji inżynierskich

Rola badań trwałościowych w weryfikacji konstrukcji inżynierskich

Wykorzystywanie w ostatnich dekadach zaawansowanych systemów inżynierskich CAD znacznie skróciło proces projektowania. Pomimo tego samo projektowanie, a następnie szeroko wykorzystywane obliczenia numeryczne obarczone są pewnym błędem. Jego wyeliminowanie to ciągle kwestia badań...

Kształtowanie połączeń klejonych tworzyw sztucznych

Kształtowanie połączeń klejonych tworzyw sztucznych

Klejenie, jak każda technologia, ma swoje ograniczenia i wymagania. Nie można więc przekładać wprost rozumowania stosowanego przy innych technologiach. Marek Bernaciak Podstawą jest zrozumienie, że klejenie preferuje pewne kierunki i rodzaje obciążeń, a innych nie...

Wielowirnikowce w natarciu

Wielowirnikowce w natarciu

Dziedziną awiacji, która rozwija się w zawrotnym tempie są bezzałogowe statki powietrzne. Największe zainteresowanie budzą maszyny budowane dla celów militarnych. Chodzi głównie o bezzałogowe samoloty służące rozpoznaniu lub przenoszące uzbrojenie. Tymczasem od...