Wszędzie tam,
gdzie powstają
nowe konstrukcje

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

Kwiecień 4 (103) 2016
spis treści

Artykuł na życzenie

................................

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.

Przedwojenne polskie patenty oraz rozwiązania techniczne dla przemysłu lotniczego; cz. 3

Jakub Marszałkiewicz Zespołowe podwozie Kubickiego(1)W połowie lat 30-tych(2) w zakładach PZL opracowano bardzo nowoczesny samolot bombowy PZL-37 Łoś, który dla polskiego przemysłu był...

Ciekawe mechanizmy: „pływająca” śruba

W budowie obrabiarek, zwłaszcza specjalnych, występuje często konieczność tworzenia specyficznych mechanizmów do konkretnego zastosowania. Są to najczęściej mechanizmy specjalnie projektowane jako...

Projekt nadwozia samochodu koncepcyjnego od szkicu do makiety

W artykule przedstawiono projekt wstępnej stylizacji nadwozia pojazdu HEX-XT. Opisano różne etapy projektu, zaczynając od pierwszych szkiców koncepcyjnych, przez wstępny...

Edward Turner konstruktor i wizjoner

Wśród wielu znanych konstruktorów silników i motocykli Edward Turner jest wyjątkiem. Bez kapitału i dyplomów renomowanych uczelni stworzył maszyny, które na stałe...

Konstruowanie gniazd hydraulicznych

W konstrukcji elementów hydraulicznych bardzo często tworzy się różnego rodzaju elementy, w których występuje powtarzalność kształtów. Przykładem może być wykonywanie gniazda hydraulicznego...

Przegląd współczesnych konstrukcji niskospadowych pikoturbin i mikroturbin wodnych

W artykule przedstawiono współczesne trendy w konstrukcji piko- i mikroturbin wodnych przeznaczonych do zabudowy na obiektach energetyki rozproszonej, charakteryzujących się małymi spadami i małym...

Badania symulacyjne kształtowania elektrod do zgrzewania punktowego

Celem przeprowadzonych symulacji było wsparcie procesu projektowania technologii wytwarzania elektrod metodą kształtowania plastycznego. Analiza numeryczna posłużyła jako pomoc do zaprojektowania...

Odrzutowe hybrydy wkraczają do Europy

Wykorzystanie mikroturbin do napędu samochodów ciągle jest w fazie prac koncepcyjnych i eksperymentów. Urządzenie te stosowane są coraz powszechniej do wytwarzania energii...