Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

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

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

Październik 10 (85) 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.

Silnik spalinowy dwusuwowy o płukaniu pulsacyjnym

Silnik spalinowy dwusuwowy o płukaniu pulsacyjnym

Silniki dwusuwowe królowały w niższych pojemnościach skokowych przez dziesięciolecia. Jeszcze w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku rozwijano konstrukcje większych pojemności przeznaczone do samochodów. Dwusuwy miały niezaprzeczalne zalety. Jedną z nich była prostota budowy, a co...

O projektowaniu aut od kuchni: Ford C-Max / Grand C-Max

O projektowaniu aut od kuchni: Ford C-Max / Grand C-Max

W 2006 r. europejska dywizja Forda przystąpiła do projektowania drugiej generacji modelu C-Max. Model powstawał na bazie globalnej platformy C, czyli wykorzystywanej na całym świecie płyty podłogowej aut klasy Forda Focusa. Piotr...

Modelowanie powierzchniowe w konstrukcji motocykla

Modelowanie powierzchniowe w konstrukcji motocykla

Podczas konstruowania coraz to nowszych produktów, silny nacisk kładzie się na niebanalny wygląd, lecz także na inne walory użytkowe. W przemyśle konsumenckim objawia się to często dość futurystycznymi kształtami tworzonych produktów...

Podnośnia Niederfinow

Podnośnia Niederfinow

Podnośnia statków w Niederfienow łączy Odrę, poprzez Hawelę i Łabę, z europejskim systemem dróg wodnych. Nie jest jedyną ani największą na świecie ale posiada niepowtarzalny urok ogromnego dzieła dawnej sztuki...

Parametryzacja w modelowaniu

Parametryzacja w modelowaniu

Rysowanie i modelowanie bezpośrednie w procesie projektowania ma swoje niezaprzeczalne zalety. Modelowanie takie jest szybkie i umożliwia łatwe tworzenie geometrii ale także szybkie tworzenie modyfikacji. Brak jednak parametrów, którymi można sterować, jest w przypadkach...

Generacja siatki w programie Fluent Meshing

Generacja siatki w programie Fluent Meshing

Generacja siatki na potrzeby symulacji komputerowej przepływu jest istotnym elementem w całym procesie przygotowania modelu. Od jakości i gęstości siatki zależy jakość uzyskanych w symulacji wyników, jednocześnie proces generacji siatki może być bardzo...

Wizja maszynowa vs klasyczne rozwiązania mechaniczne w robotyce

Wizja maszynowa vs klasyczne rozwiązania mechaniczne w robotyce

Jeszcze do niedawna robotyzacja wymagała mechanicznego pozycjonowania elementów przenoszonych/obrabianych tak, aby pozycje dla robota były jednoznacznie określone i powtarzalne. Realizowały to mechaniczne układy oparte o siłowniki, bandy i prowadnice. Od...

Rurowa turbina Kaplana; badania modelowe i założenia typoszeregu

Rurowa turbina Kaplana; badania modelowe i założenia typoszeregu

Spośród niewykorzystywanych obecnie zasobów hydroenergetycznych w Polsce o potencjale wynoszącym 6,5 TWh/rok, znacząca część (około 1,7 TWh/rok) przypada na obiekty tak zwanej małej energetyki wodnej – MEW (pod tym pojęciem przyjmuje się...