Transfer inovácií 20/

Transkript

1 OBRÁBĚNÍ LASEREM KALENÉHO POVRCHU Ing. Miroslav Zetek, Ph.D. Ing. Ivana Česáková Ing. Josef Sklenička Katedra technologie obrábění Univerzitní 22, Plzeň Abstract The technology of surface hardening of machine parts has been known for many years. At present the hardening by the laser beam in various industries going to the fore. In this case are placed the requirements for uniform hardness of the workpiece surface to a predefined depth and also with regard to the amount of material removed after machining. It is known that the hardness of the layer is very variable with depth hardening which is dependent on the input parameters used laser beam and the properties of hardened material. Due to we get in the varying depth of this layer the different hardness. It causes the variety of machining cutting tool loads and it can cause that the cutting process is not optimal. Therefore, the contribution will be focused on cutting forces load in individual layers hardened tracks for various input laser which influence cutting when machining material EN 90MnCrV8. Key words: laser hardening, cutting force, surface hardness ÚVOD Laser byl vynalezen ve dvacátém století a od prvního využití uplynulo již téměř šedesát let a i v posledních letech laserová technika zaznamenává stálý dynamický vývoj. Objevují se nová konstrukční provedení laserů a do praxe se začínají dostávat i takové systémy, které ještě před několika lety byly prakticky nevyrobitelné či pohybově nedokonalé. V souladu s požadavky na náročnější trendy průmyslové výroby je snaha o stále vyšší kvalitu laserového paprsku, a tím i jeho vyšší výkon. Jako přístroj se dnes využívá v medicíně, technologii, astronomii, geodézii, metrologii, chemii, biologii, spektroskopii, energetice, technice spojů, automatizaci, dálkovém řízení, ve výpočetní technice, vojenské technice, ale i při studiu a vývoji termojaderné fúze jako nového zdroje energie. Co se týká oblasti strojírenské výroby, kde se používá laser, tak se i přes jeho univerzální použití stále hovoří o nekonvenční technologii výroby. Při zaměření do této oblasti se laser používá při měření, pozorování, tváření, nanášení materiálů, čištění, tepelném zpracování (svařování, zpevňování povrchů) a obrábění. Konfokální laserový mikroskop umožňuje 3D pozorování s vysokým rozlišením (zvětšení až 14400x), měření v reálném čase a měření profilu jemných povrchů. Při tváření (za tepla) se použitím laseru dosáhlo snížení požadavku na přetvárné síly. Používá se však také při mikrotváření a tváření za studena. Nanášením materiálu laserem lze vyrobit tvarově náročné kovové díly, kde odpadá investice do výrobních nástrojů a technologií. Lze také upravit či opravit povrchy již vyrobených součástí. Při kvalitním tepelném zpracování součástí laserem dochází k prodloužení jejich životnosti o 50 až 400%. Při svařování je největší výhodou malé tepelně ovlivněné pásmo. Obr. 1 Využití laseru ve strojírenství KALENÍ POVRCHU LASEREM Kalení laserovým paprskem používáme u ocelí a slitin, které mají obsah uhlíku od 0,15 do 0,5%. V některých případech lze kalit i oceli s obsahem uhlíku 0,05 %, kde však nebude docíleno takové tvrdosti. Touto metodou můžeme prodloužit životnost součásti až o desítky procent, proto je toto kalení často využíváno u značně namáhaných strojních součástí, např. boky ozubených kol, klikové a vačkové hřídele, stěny válců spalovacích motorů a v současné době se tato metoda hojně využívá také na kalení hran forem pro vstřikování plastů, vodící plochy u tvářecích strojů a řezné hrany nástrojů z nástrojové oceli. Další výhodou je odstranění nutnosti dalšího dodatečného opracování. Povrch je odolný proti opotřebení a korozi a zároveň jádro odolává mechanickému namáhání. Laserový paprsek se od běžného světelného paprsku liší tím, že má malou divergenci, je monochromatický a koherentní. Šířka paprsku dosahuje až 5mm, pro kalení větších ploch se využívá křížení stop, nebo položíme vedle sebe více laserových paprsků. Jednotlivé stopy se navzájem ovlivňují, a tím vzniká jemnozrnná struktura o vysoké tvrdosti. Tloušťka kalené vrstvy je standardně 0,2 1,2 mm, rychlost ohřevu je C/s. Při procesu povrchového kalení je nežádoucím jevem natavování povrchových vrstev 36

2 materiálu, proto je zapotřebí zajistit určitou minimální rychlost pohybu laserového svazku. Existují dvě možné a v současné době používané technologie pohybu laserového paprsku: příčně lineární příčně kývavý Příčně lineárního pohybu je využíváno v kombinaci s defokusovaným paprskem. Obr. 2 zobrazuje příčný řez s profilem zakalených stop vytvořených paprskem s Gaussovým rozložením energie. Střed stopy zároveň představuje oblast s největší hloubkou zakalení. Pro vytvoření komplexně povrchově zakalené plochy je nezbytné, aby se stopy laserového svazku překrývaly. K nevýhodám této technologie patří nejednotná hloubka prokalení a vytvoření strukturně měkčí tepelně ovlivněné oblasti v místech překrytí jednotlivých stop (obr.2b). Optimální profil zakalené vrstvy (uniformní hloubka prokalení, malá tepelně ovlivněná oblast) popisuje obr.2c. Obr. 3 Vysokovýkonný diodový laser EXPERIMENT Hlavním cílem experimentů je především určení optimálního nastavení vstupních parametrů laseru, tak aby zakalený povrch bylo možné načisto obrobit za předpokladu, že tvrdost povrchu i po obrobení bude stále stejná se stále dostačující tloušťkou této vrstvy. Použitým materiálem byla ocel tř , kdy zkoumaný povrch byl rozdělen do jednotlivých kvadrátů, ve kterých byly vždy jiné vlastnosti kalené vrstvy (matice 17x 8 různých parametrů) tak, jak je znázorněno na obr.4. Obr. 2 Profil zakalených stop Pro experimenty bylo využito pouze prvního způsobu tepelného zpracování rovinného povrchu a měnily se plynule pouze vstupní parametry paprsku bez použití napojování kalených stop. To mělo za následek, že hloubka a šířka zakalené oblasti byla rozdílná tak jako i tvrdost vzniklého povrchu v jednotlivých oblastech daných stop. Pro kalení povrchu bylo využito na základě spolupráce s výzkumným centrem Nové technologie při ZČU v Plzni vysokovýkonného diodového kontinuálního 4kW laseru HPDD Coherent ISL 4000L, který je vhodný především pro technologie laserového tepelného zpracování a technologie laserového povlakování. Pro kalení povrchu se v experimentech využilo především vlnové délky 808nm. Obr. 4 Dělení materiálu dle použitých podmínek laseru Díky tomu bylo docíleno tvrdosti materiálu v jednotlivých kvadrátech až 60 HRC, a tedy pro obrábění byla zvolena strategie HSC frézování [3], frézovací hlavou s kruhovými VBD z cermetu, který je pro tyto materiály vhodnější [2] než např. keramické [1]. Řezné podmínky byly po celou 37

3 dobu testu bez ohledu na tvrdost materiálu konstantní s těmito hodnotami: Řezná rychlost: v c = 450 m/min posuv na zub: f z = 0,05 mm axiální hloubka řezu: a p = 0,5 mm radiální šířka řezu: a e = 1,5 mm Radiální šířka řezu byla volena, tak aby bylo možné popsat průběh řezných sil po šířce stopy kalení, která byla od 5 do 12mm. Pro měření řezných sil byl použit tří složkový piezoelektrický dynamometr fy Kistler, a tedy obrobek byl upnut přímo na upínací plochu dynamometru pomocí šesti šroubů, což zaručuje dostatečnou tuhost. Vstupní parametry tvrdosti po kalení diodovým laserem byly tyto, obr.5: Z obrázku je patrná proměnlivost tvrdosti povrchu ve směru podélném s kalenou stopu, která se projevuje změnou velikosti řezné síly ve směru Z. Pokud si časovou osu rozdělíme na jednotlivé díly, tak celkový počet odpovídá přesně 17 dílům po celkové délce stopy H. Podobné průběhy byly zachyceny i u ostatních stop. V případě sledování změny velikosti řezné síly F Z kolmo na stopu zjistíme, že průběh řezné síly po šířce laserové stopy je také proměnlivý. Na krajích je tvrdost, resp. řezná síla nejnižší a směrem ke středu stopy se postupně zvyšuje až ke svému maximu. Obr. 5 Průběh tvrdosti v jednotlivých kvadrátech Vliv proměnlivé tvrdosti na řezný proces Jak již bylo zmíněno, z hlediska řezného procesu byl vyhodnocován především silový účinek jednotlivých parametrů laserového kalení v jednotlivých stopách. Je pravděpodobné, že síla a to především ve směru Z (síla FZ) se bude úměrně měnit s hodnotou tvrdosti materiálu, tak jak ukazuje obr.6., který zachycuje průběh řezné síly ve směru Z po celé délce stopy H (viz. obr.4). Obr. 6 Průběh řezné síly F Z (ve směru osy Z) stopy H ve všech 17 místech Obr. 7 Průběh tvrdosti povrchu v jednotlivých kvadrátech Je zřejmé, že průběh tvrdosti se mění s šířkou stopy, tak jak se mění velikost řezných sil. Pro zpřesnění průběhu sil a tedy i tvrdosti povrchu by bylo zapotřebí zmenšit radiální hloubku záběru, což by vedlo k přesnému vykreslení křivky průběhu tvrdosti odpovídající rozložení svazku paprsku. Dále je vidět u obr.7, že původní materiál měl menší tvrdost povrchu na kraji obrobku, zatím co mezi jednotlivými stopami byla tvrdost již vyšší i přes to, že byl obrobek mezi jednotlivými stopami dostatečně ochlazen. Při zhodnocení jednotlivých průběhů řezných sil ve všech místech obrobku v závislosti na použité intenzitě paprsku po obrobení hloubky řezu 0,5 mm je zřejmé, že tvrdost se razantně změnila a bylo zjištěno, že v mnoha místech je hluboce pod 50 HRC, což je pro provozní součástky či formy a zápustky nevyhovující. 38

4 Obr. 8 Průběh tvrdosti po prvním a druhém přejezdu Při obrobení další vrstvy 0,5 mm materiálu se již ve většině případů přibližujeme k původním hodnotám tvrdosti materiálu obr.8. Pouze v místech s největší intenzitou kalení je tvrdost zachována nad 50HRC. Ve většině případů jsou to však stopy, které po zakalení laserem byly charakteristické zhoršenou kvalitou a deformací povrchu. Díky tomu, že obrábění probíhalo v režimu HSC do tvrdého materiálu, kvalita získaného povrchu z hlediska drsnosti byla v rozmezí Ra 0,05μm až 1,7μm a Rt 0,6μm až 3,6μm. Souhrn výsledků Vliv vstupních parametrů laseru je rozhodující z hlediska získané tvrdosti povrchu a to především do jaké hloubky je tvrdost o stálé hodnotě, do jaké šířky je konstantní a jakým způsobem je ovlivněna povrchová vrstva z hlediska jakosti a geometrických parametrů. Při těchto vstupních experimentech bylo zvoleno široké spektrum vstupních parametrů a díky tomu bylo dosaženo většiny možných typů hodnot získané tvrdosti a vzniklého tvaru povrchu. Bylo docíleno jak povrchu bez geometrické změny, tak i povrchů, které byly deformovány oproti původnímu tvaru. Tyto proměnné úzce souvisí s vlastní tvrdostí povrchu a hloubkou prokalení. Nyní je nutné určit optimální nastavení laseru, tak aby bylo vyhověno požadavkům na jakost a přesnost obrobeného povrchu. Pokud je nutné zvýšit pouze povrchovou tvrdost v hodnotách 50 až 55 HRC, lze to, na základě těchto experimentů, docílit bez významné geometrické změny. Nevýhodou je, že tato tvrdost je max. do hloubky 0,8 mm, což by nemuselo vyhovovat v případě nutnosti dalšího obrábění s většími přídavky než 0,5 mm. Pokud však bude třeba zajistit vyšší hodnotu tvrdosti než právě zmíněné, dochází k ovlivnění tvarové přesnosti a je nutné po tepelném zpracování získaný povrch obrobit. Výhodou je, že zvýšená tvrdost je až do hloubky 1,2 mm, což znamená, že při obrobení 0,5 mm je tloušťka zakalené vrstvy stále dostačující. Zde nastává hlavní otázka, jakou metodu při obrábění kalených povrchů je optimální použít a s tím související zvolené řezné podmínky, především pak hloubka řezu a tedy kolik materiálu je možné ještě obrobit, tak aby tvrdost povrchu byla v požadované mezi. Na základě získaných výsledků je zřejmé, že je nutné najít kompromis mezi deformací povrchu a požadovanou tvrdostí povrchu, kdy při použité technologii obráběné HSC je možné volit hloubky řezu při použití kruhových VBD z cermetu od 0,1 mm. Dle získaných výsledků při obrobení 0,5 mm je zřejmé, že tento požadavek o zachování tvrdosti splňuje 40% zvolených parametrů. Na druhou stranu je nutné, aby tvrdost povrchové vrstvy byla konstantní do určité hloubky od finálního povrchu. Potom by tuto podmínku splňovalo již pouhých 15% zvolených vstupních parametrů. Proto zvolené parametry povrchového kalení je nutné volit v závislosti dle použití strojní součásti a tedy dle požadovaných parametrů jakosti a přesnosti výchozího kaleného povrchu. ZÁVĚR Příspěvek poukazuje na dnešní možnosti zvyšování užitných vlastností strojních součástek či zařízení. Využitím nových přístupů k teplenému zpracování povrchu součástí je jednou z možností jak docílit hospodárného a ekonomicky výhodného cílového stavu daných součástí. Pokud je zapotřebí zajistit i kvalitní a přesný povrch, vyplatí se použít moderních metod obrábění jako je HCS technologie frézování zajišťující parametry drsnosti srovnatelné s technologií broušení, což vede k celkovým úsporám nákladů na dokončovací operace. Při optimální volbě parametrů povrchového kalení laserem s kombinací optimálních podmínek obrábění je možno docílit za velmi krátkou dobu s minimálním počtem strojních operací velmi tvrdého povrchu s vysokou přesností rozměrů a jakostního profilu vyráběné součásti, což vede bezesporu ke značným finančním úsporám a zvýšení ekologičnosti výrobního procesu. Tento příspěvek vznikl na základě řešení grantu SGS

5 Literatura: [1] Čep, R.; Sadílek, M. Determination of ceramic materials mechanical properties by using of identant techniques. Annals of the university of Petrosani - Mechanical Engineering., Vol. 11 (XXXVIII), 2009, pp , ISSN: [2] Česáková, I.; Zetek, M.; Sklenička, J.: Vliv tenké vrstvy na kvalitu obrobeného povrchu a silové zatížení cermetového nástroje. Strojírenská technologie, 2010, roč. 14, č. zvláštní, s ISSN: [3] Fulemová, J.; Janda, Z.; Řehoř, J.: Studium řezného procesu při tvrdém HSC frézování řeznou keramikou. Strojírenská technologie, 2010, roč. 15, č. 1, s ISSN: