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

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.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

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.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

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.

Moderní technologie v mechanice

Vyškovský výrobce teleskopických krytů, kapotáží a jiných výrobků z plechu firma Hestego společně se svojí sesterskou společností KSK Precise Motion, kuřimským výrobcem kuličkových šroubů, uspořádali pro své zákazníky a dealery z tuzemska i zahraničí Technický open house. Během třech dní se této akce zúčastnila celá řada návštěvníků z Německa, Rakouska, Švýcarska, Itálie, Turecka, Ruska, Polska a dalších zemí, kteří využili pozvání a nahlédli tzv. pod pokličku technického rozvoje a výroby samotné. Naše redakce byla též přítomna, a tak vám přinášíme malé poohlédnutí.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

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.

Stroje a technologie: letět ještě výš

Okolo nás pole, před námi malá obecní silnice a nápis „Business Park Holzhausen“. Nic nenaznačuje, že v tomto malém městě poblíž letiště v Linci za okamžik objevíme obrovský technologický potenciál. Společnost Peak Technology byla založena v roce 2007 Dieterem Grebnerem. Zaměřuje se na dodávky komplexních ultralehkých kompozitů na bázi karbonových vláken pro Formuli 1 či letecký průmysl.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

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