Laserowa mikroobróbka powierzchni narzędzi - Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie


Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

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

Styczeń-luty 1/2 (88/89) 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.

Gaz ziemny - paliwo przyszłości

Gaz ziemny - paliwo przyszłości

W technice motoryzacyjnej trwa „wyścig zbrojeń”. Z roku na rok powstaje coraz więcej nowych lub odkurzonych koncepcji napędu samochodów. Przyzwyczailiśmy się już do układów hybrydowych, coraz śmielej wkraczają silniki elektryczne i ogniwa paliwowe...

Koncepcja silników dwusuwowych nowej generacji; część 1. Jak dojrzewały pomysły.

Koncepcja silników dwusuwowych nowej generacji; część 1. Jak dojrzewały pomysły.

Jest rok 1970. Komuna w pełni. Nie ma internetu, Discovery, czy Galileo. Dostęp do nowinek technicznych tylko za pomocą Młodego Technika, szczątkowych audycji telewizyjnych lub prywatnymi kanałami. Naście lat na karku...

Obróbka wykończeniowa materiałów lekkich; część 3

Obróbka wykończeniowa materiałów lekkich; część 3

Materiały lekkie, takie jak stopy aluminium o gęstości ρ ≈ 2,7 g/cm3 (przedstawione w części I naszego cyklu), stopy magnezu o gęstości ρ ≈ 1,8 g/cm3 (omówione w części II), stopy tytanu o gęstości ρ ≈...

Ręczne skrobanie powierzchni stykowych obrabiarek

Ręczne skrobanie powierzchni stykowych obrabiarek

Ręczne skrobanie jest obróbką służącą wykończeniu powierzchni stykowych, do dziś stosowaną w przemyśle. Czy w obliczu tak ogromnego rozwoju technologii i nowoczesności wdrażanych rozwiązań ręczna obróbka może okazać się najlepsza? Co przemawia za...

Różne oblicza inżynierii odwrotnej

Różne oblicza inżynierii odwrotnej

W dobie coraz częściej wykorzystywanego wytwarzania metodą rapid prototyping/rapid forming, na większą uwagę zasługuje wykorzystywanie metody odtwarzania fizycznych części w środowisku CAD, czyli tzw. projektowanie odwrotne (reverse engineering). Zapewne przyczynia się do...

Ewolwentowa powierzchnia śrubowa; część 1

Ewolwentowa powierzchnia śrubowa; część 1

Spotkania z użytkownikami systemu CATIA, a także dyskusje prowadzone na forach internetowych są dla mnie zawsze inspirujące. Cykl artykułów, który niniejsza publikacja rozpoczyna, powstał niejako w odpowiedzi na pytanie zadane właśnie na forum...

Spawalność miedzi i jej stopów; część 2

Spawalność miedzi i jej stopów; część 2

Nasi dziadowie spawali miedź palnikiem acetylenowo-tlenowym z silnym podgrzewaniem, w specjalnie budowanych piecach. Nasi ojcowie zaczęli spawać miedź i jej stopy łukiem elektrycznym. W latach 80-tych XX wieku Polska stała się  potentatem w produkcji miedzi...

Endoskopowe badania silników wewnętrznego spalania

Endoskopowe badania silników wewnętrznego spalania

Konstruktorzy pierwszych silników spalinowych zapewne marzyli o tym, aby zajrzeć do wnętrza własnej konstrukcji podczas jej pracy. Znacznie ułatwiłoby to modernizację projektu poprzez wykrycie słabych punktów. Pozwoliłoby również wcześnie przewidzieć nadchodzącą...

Spawanie metodą TIG stopów aluminium o różnej zawartości Mg

Spawanie metodą TIG stopów aluminium o różnej zawartości Mg

Stopy aluminium to materiały szeroko stosowane w światowym przemyśle. Najważniejsze i najliczniejsze zastosowania znajdują w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, budowlanym, elektrotechnice i transporcie, a trudnoodkształcalne stopy aluminium serii 5xxx stosowane są...