Témata
Zdroj: Hofmeister

Modifikace řezných nástrojů pomocí laseru

Obrábění a úprava povrchů v mikrometrických a submikrometrických měřítkách se jeví jako jedna z klíčových výrobních technologií budoucnosti. Tato skutečnost vede k rostoucímu zájmu o vytváření struktur s cílem změnit např. tribologické či mikrofluidní vlastnosti a směřuje obecně k vyšší míře zapojení 3D laserového mikroobrábění při zpracování povrchu materiálů.
Odebírání materiálu probíhá tzv. studenou ablací pomocí ultrakrátkopulzních laserových systémů – výhodou této technologie je velká univerzálnost, protože je možné proces nastavit tak, aby vytvářel širokou škálu struktur. Navíc dochází k úběru materiálu bez jeho tepelného ovlivnění.

Reklama

Laserové technologie skutečně umožnují mnoho modifikací povrchových vlastností. Je tak třeba možné změnit frikční vlastnosti. Takovou změnu lze samozřejmě s výhodou využít pro ovlivnění chování řezných nástrojů na rozhraní mezi odcházející třískou a vlastním čelem řezného nástroje. Strukturování či jiná modifikace povrchu řezného nástroje pomocí laserových technologií může mít za následek redukci sil při obrábění, snížení množství generovaného tepla, snížení intenzity opotřebení a v konečném důsledku i vyšší trvanlivost řezného nástroje a s tím spojené snížení výrobních nákladů.

Struktura na VBD omezující tvorbu nárůstku (snímek SEM). Detail znázorňující obnažení substrátu. (Zdroj: Hofmeister)

V následujících odstavcích budou představeny různé modifikace povrchu řezných nástrojů (chráněné užitným vzorem a patentem), které byly vyvíjeny ve společnosti Hofmeister za poslední roky, a to včetně dosažených výsledků. Ty mohou být vnímány jako jakýsi výchozí bod, na který budou navazovat další aktivity, jež v současné době probíhají ve výzkumně-vývojovém projektu s partnery z Fakulty elektrotechnické a Fakulty strojní (Ústav výrobních strojů a zařízení) ČVUT v Praze. Realizace zmíněného projektu je podpořena z programu MŠMT – Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání.

Reklama
Reklama
Reklama

Zlepšení vlastností řezných charakteristik díky laserové modifikaci lze obecně shrnout do několika bodů:

  • pozitivní dopad na mechanismus utváření třísky (tzn. krátká spirálovitá tříska);
  • redukce jednotlivých složek síly řezání;
  • snížení adheze třísky;
  • redukce množství vyvíjeného tepla.

Jedním z příkladů využití pozitivního dopadu přítomnosti mikrostruktury může být jejich výroba na povrchu vyměnitelných břitových destiček (VBD). Taková úprava povrchu redukuje tvorbu nárůstku. Ten se přestává vytvářet v důsledku změněných frikčních vlastností a jeho absence má za následek, že VBD vykazuje vyšší životnost.

Břity monolitního vrtáku po 3D mikroobrábění. (Zdroj: Hofmeister)

Příklad takové struktury (hexagonů) je uveden na obrázku z řádkovacího elektronového mikroskopu. Tato mikrostruktura byla připravena na povrchu čela VBD s tenkou vrstvou, což v konečném důsledku omezilo tvorbu nárůstku, nicméně stále zde docházelo k lokálnímu obnažení až na povrch substátu. Cílem je navrhnout mikrostrukturu s určitým tvarem a orientací vůči odcházejícím třískám na čele břitu VBD tak, aby k podobným defektům vůbec nedocházelo (červená šipka na obrázku znázorňuje směr odchodu třísky).

Reklama

Mezi další ověřené aplikace patří využití 3D laserového mikroobrábění, díky kterému je možno vyrobit speciální entity na površích břitů řezných nástrojů. Ty mohou pozitivně ovlivnit proudění procesní kapaliny na povrchu řezného nástroje směrem k místu řezu, tzn. optimalizovat mikrofluidní vlastnosti. Mikrofluidní drážky mohou lépe navádět chladicí kapalinu k břitu nástroje. Díky tomu pak nedochází k takovému tepelnému namáhání ostří a jeho trvanlivost se prodlužuje. Příklad reálného řešení na hřbetní ploše břitů vrtáku ukazují následující obrázky.

Na základě výše popsaných zkušeností bylo navrženo další, komplexnější řešení, jež využívalo oba zmíněné přístupy. V rámci předchozího výzkumu s ČVUT v Praze a VÚTS byly realizovány experimenty zaměřené na tvorbu mikrostruktur přímo na utvářečích třísky řezných nástrojů. Řešitelský tým provedl rozbor mikrostrukturních a mechanických vlastností jak u referenčních vzorků, tak u nově vytvořených VBD s novým utvářečem a mikrostrukturou vytvořenými laserovou ablací. Celý proces vývoje nového typu VBD se skládal ze dvou hlavních úkolů kombinujících zmíněné dva přístupy, tj. mikroobrábění a mikrostrukturování. Nejprve byl na VBD vytvořen speciální utvářeč a následně byla na jeho povrchu vytvořena mikrostruktura.

Proces vytváření utvářeče třísky s mikrostrukturou. (Zdroj: Hofmeister)

Bylo prokázáno, že laserem vyrobený utvářeč výrazně snižuje velikost všech složek výsledné řezné síly oproti standardnímu vzorku bez této modifikace. Pro širokou oblast řezných podmínek byl při podélném soustružení titanové slitiny zaznamenán pokles: řezné síly (Fc) o 18 % až 20 %; síly posuvu (Ff) o 41 % až 48 %; pasivní síly (Fp) o 32 % až 34 %.

Výsledná řezná síla (F) poklesla v průměru o 23 %. Graf ilustruje znatelný pokles u všech pěti nově vzniklých mikrostruktur oproti (modré) referenci s označením Ref_A_6.

Potenciál a využití do budoucna

Vývoj pochopitelně není zaměřen pouze na samotné nástroje, ale i na vlastní technologii, kde dochází k experimentům i na různých typech řezných materiálů (HSS, slinuté karbidy, cermety a řezná keramika, CBN a PCD) a speciálních tenkých vrstvách připravovaných firmou Šlechta, jako např. DLC-W, CVD-D, AlCrN, AlTiN, nebo na tenkých vrstvách obsahujících vanad.

Snížení řezných sil pomocí utvářeče s mikrostrukturou. (Zdroj: Hofmeister)

Dalším dílčím cílem je ovlivnění pouze právě těchto vrstev bez narušení nosného substrátu pro obrábění těžkoobrobitelných slitin na bázi niklu a titanu. V současné chvíli na toto téma probíhá několik výzkumných aktivit, které navazují na popsané zkušenosti. Díky složení konsorcia ve výzkumně-vývojovém projektu však oproti minulým projektům dochází k intenzivnějšímu přesahu do témat, jako jsou optické vlastnosti nebo prokázání nepřítomnosti chemického ovlivnění povrchu po aplikaci laserového obrábění.

Výzkumně-vývojový projekt Nové nanostruktury pro inženýrské aplikace umožněné kombinací moderních technologií a pokročilých simulací je spolufinancován Evropskou unií.

Související články
Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Laserové mikrostrukturování

Výzkumně vývojové oddělení firmy Hofmeister již od roku 2015 systematicky buduje know-how v oblasti laserového 2D a 3D mikrostrukturování s použitím ultrakrátkých pulzních laserových zařízení. Naše laboratoř disponuje systémy o piko- a také femtosekundových délkách pulzů. Tato zařízení jsou vybavena víceosou kinematikou a dovolují zapojení speciálních optických komponent.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Související články
Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Jarní setkání strojařů v Plzni

Více než 30 vystavovatelů, téměř 50 řečníků, tři výstavní haly a jeden nezapomenutelný strojírenský zážitek. Akce Strojírenská inspirace 2024 se konala v Plzni od 4. do 6. června 2024 a zaměřila se na digitální výrobu, automatizaci a inovace ve strojírenství. Letos poprvé se toto setkání uskutečnilo v areálu Depo2015, který se stal centrem pro sdílení zkušeností a nápadů mezi odborníky z průmyslu a digitalizace.

Jsme ve stádiu Průmyslu 3.5. Ne slovy, ale činy.

Na okraji Plzně na kraji lesoparku poblíž areálu Borských polí najdete rodinnou firmu Hofmeister, kterou vede pan Václav Hofmeister. Sympatický chlapík, který neříká o svých zaměstnancích, že jsou to lidi nebo oni, ale nazývá je kolegy. Bez rozdílu.

Úspora vedlejších časů

V současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělánV současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělání a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci. í a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci.

Nový pohled na moderní CAM programování v praxi

Při své dennodenní praxi se odborníci firmy Grumant u svých zákazníků opakovaně setkávají s tím, že jsou programy připravovány přímo na strojích. Důsledkem toho jsou ztráty strojní kapacity a dále dochází ke ztrátě kontroly nad výrobním procesem z hlediska použitých strategií a řezných podmínek. Ani tam, kde se již používá CAM programování, nemusí být vyhráno. O tom, jak revolučně vidí CAM programování ve firmě Grumant, pojednává tento článek.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Na cestě ke zrození stroje, část 7: Realizace

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit