PL221918B1 - Sposób laserowo-mechanicznej obróbki blach stalowych w procesie produkcji elementów sprzęgła do ciągników - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób laserowo-mechanicznej obróbki blach stalowych w procesie produkcji elementów sprzęgła do ciągników.

Powierzchnie robocze maszyn i urządzeń, np. sprzęgieł, pracują w specyficznych warunkach i są narażone na różne rodzaje zużycia, m. in.: zużycie ścierne, termiczne i adhezyjne, ściskanie i zgniatanie. Istotne jest zatem odpowiednie kształtowanie właściwości powierzchniowych pracujących często w warunkach zmiennych obciążeń dynamicznych.

Najbardziej efektywne metody modyfikacji warstwy wierzchniej metali wiązką laserową to hartowanie z przetapianiem i stopowanie. Zaletami tych procesów są: możliwość lokalnej obróbki, wysoka prędkość procesów, szerokie możliwości doboru składu chemicznego, właściwości użytkowych oraz kształtowania struktury warstwy.

Podczas tych znanych obróbek występują jednak duże zmiany struktury geometrycznej powierzchni, tworzenie falistości i chropowatości powierzchni o stosunkowo dużych wysokościach nierówności (od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów), co wiąże się z koniecznością stosowania dodatkowej obróbki mechanicznej w celu poprawy gładkości powierzchni. Ponadto, po przetopieniu laserowym występują w warstwie wierzchniej na ogół duże naprężenia rozciągające, prowadzące w skrajnych przypadkach do powstawania mikropęknięć. Najczęściej stosowanym zabiegiem po obróbce laserowej, zapewniającym wymaganą niską chropowatość powierzchni lub dokładność wymiarów elementu maszynowego jest szlifowanie, które w wielu wypadkach oddziałuje niekorzystnie na stan warstwy wierzchniej. Zabieg ten powoduje zmianę jej własności mechanicznych, a także usunięcie części zmodyfikowanej laserowo warstwy wierzchniej. W praktyce, obróbkę mechaniczną prowadzi się po zakończeniu procesu naświetlania materiału wiązką lasera.

W technice napawania laserowego, podczas wytwarzania elementów maszyn z uszlachetnioną warstwą wierzchnią, stosuje się materiały dodatkowe, takie jak węgliki, borki, cermetale. Przykładowo, w polskim wynalazku wg patentu nr 207 497, w celu uzyskania napoiny o dużej odporności na korozję i jednocześnie dużej odporności na zużycie ścierne, do jeziorka napoiny podaje się drut austenityczny oraz proszek na osnowie z kobaltu.

Znamy z polskiego zgłoszenia patentowego nr P. 386 808 sposób stopowania laserowego polega na tym, że wstępnie przygotowuje się powierzchnię roboczą części przeznaczoną do stopowania warstwą cermetalową i wykonuje się rowki, korzystnie o kształcie trójkąta, przy czym kształt, głębokość zależy od wymaganego składu chemicznego warstwy cermetalowej oraz populacji, rozkładu i wielkości cząstek ceramicznych w osnowie metalicznej, i następnie rowki wypełnia się proszkiem ceramicznym o ziarnistości korzystnie 80 do 100 μm i przetapia wraz z materiałem podłoża wiązką laserową. W wyniku oddziaływania wiązki laserowej materiały topią się, powstaje jeziorko przetopieniowe, w którym w rezultacie ruchów konwekcyjnych i grawitacyjnych oraz w wyniku ciśnienia wiązki laserowej następuję intensywne wymieszanie materiałów. Po ustaniu oddziaływania wiązki powstały stop krzepnie, a materiał podłoża w jego sąsiedztwie samohartuje się.

Proces stopowania laserowego umożliwia powstanie warstwy wierzchniej o niewielkiej grubości i szczególnych właściwościach, o dużej odporności na ścieranie, działanie agresywnych środków chemicznych oraz dużej twardości i jednocześnie dużej wytrzymałości zmęczeniowe.

Szczególną odmianą stopowania jest borowanie laserowe. Metoda ta polega na stopowaniu laserem warstwy wierzchniej stali borem lub innymi fazami np. węglikiem boru. W strukturze warstwy wyróżnia się strefę przetopioną, zawierającą eutektykę borkowo-martenzytyczną oraz strefę wpływu ciepła i rdzeń.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że w tym samym procesie technologicznym prowadzi się wycinanie laserowe elementów sprzęgła, borowanie laserowe wyznaczonych powierzchni ukształtowanych wstępnie elementów oraz końcową obróbkę mechaniczną, przy czym moc wiązki laserowej w procesie borowania dobiera się odpowiednio do żądanej głębokość przetopienia.

Korzystnym jest, gdy przed rozpoczęciem procesu borowania laserowego, przeznaczoną do modyfikacji powierzchnię pokrywa się pastą stopującą, wykonaną na bazie szkła wodnego i zawierającą bor amorficzny w ilości 1 kg boru na 10 litrów pasty.

Korzystnym jest także, gdy zarówno wycinanie jak i borowanie obrabianych elementów prowadzi się na wycinarce laserowej, pracującej w linii technologicznej składającej się centrum obróbkowego, urządzenia do nakładania pasty, szlifierki karuzelowej, śrutownicy i myjni.

Ponadto, korzystnym jest, gdy na linii technologicznej są realizowane następujące operacje:

PL 221 918 B1

- wycinanie laserem detali z pasa stalowego,

- wycinanie laserem otworów i przecięć promieniowych,

- nanoszenie pasty,

- borowanie laserowe powierzchni w miejscach, na które naniesiono pastę,

- frezowanie otworów,

- szlifowanie powierzchni,

- śrutowanie krawędzi,

- mycie, płukanie, pasywowanie i suszenie detali.

Borowanie laserowe jest efektywną metodą zwiększania trwałości części maszyn i narzędzi. Wprawdzie warstwy borowane dyfuzyjnie cechuje duża odporność na zużycie przez tarcie, jednakże tego typu borki żelaza wykazują kruchość oraz pewną porowatość. Jedna z metod obniżenia kruchości jest zastosowanie borowania laserowego. Z pomiarów mikrotwardości blach borowanych laserowo wynika, że twardość strefy przetopionej warstw obrobionych jest porównywalna z mikrotwardością warstw borowanych dyfuzyjnie.

Ważna cechą charakterystyczną dla warstw borowanych laserowo, odróżniającą je od warstw borowanych dyfuzyjnie, jest łagodny (schodkowy) przebieg profilu mikrotwardości, w którym twardość maleje w głąb materiału, korzystnie obniżając duży gradient twardości, będący jednym z podstawowych wad warstw borowanych dyfuzyjnie.

Nowoczesna produkcja sprzęgła pozwoli jednocześnie wycinać, a następnie stopować elementy na jednym stanowisku wytwórczym, znacząco obniża ilość odpadów dając oszczędność nie tylko materiałową, ale i energetyczną bezpośrednio przekładającą się na ochronę środowiska. Wdrożenie nowej technologii spowoduje zwiększenie żywotności konstrukcji szerokiej gamy sprzęgieł, co ma bezpośrednie przełożenie na wzrastające wymagania klientów oraz bezpieczeństwo użytkowników tego sprzętu.

Modyfikacja powierzchni z użyciem pasty na bazie szkła wodnego z domieszką boru umożliwia utwardzenie warstwy wierzchniej detalu, bez zmiany struktury wewnętrznej metalu. Nowa technologia według przedmiotowego wynalazku pozwala na wytwarzanie nowej generacji sprzęgieł o lepszych właściwościach, w tym tribologicznych.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładów wykonania dwóch elementów sprzęgła:

- tarczy sprzęgła (fig. 1) oraz

- sprężyny talerzowej (fig. 2).

₂

Do borowania laserowego stosuje się wycinarkę laserową CO² z „latającą optyką”. Głowica laserowa wykonuje ruchy we wszystkich osiach, zaś umieszczony na nieruchomym stole obrabiany detal pozostaje także nieruchomy. Głowica wycinająca lasera jest sterowana trzyosiowo, przy czym oś Z jest programowalna. Wysoko dynamiczny i nie wymagający dozoru napęd liniowy umieszczony jest na boku maszyny i chroniony przed pyłami.

Urządzenie do nanoszenia pasty składa się z podstawy (stolika metalowego), na którym jest umieszczone urządzenie obrotowe B 1002. Na podstawie są osadzone wymienne uchwyty do mocowania części, na które nakładana jest pasta. Obok urządzenia obrotowego na podstawie znajduje się urządzenie dosuwające wraz z tłokowym zaworem dozującym Z 1005. Na podstawie umieszczony jest sterownik G 1020 oraz zbiornik na „pastę” Z 2702. Na podłodze znajduje się wyłącznik nożny Z 2001. Poszczególne zespoły są połączone odpowiednimi przewodami elektrycznymi i wężami.

Wykonanie tarczy sprzęgła:

- prowadzi się wycinanie (wypalanie) laserem krążków o zadanej średnicy, z pasa stalowego ze stali sprężynowej węglowej (C67S) w stanie walcowanym na zimno (+CR), a następnie wycinanie otworów i przecięć promieniowych, wycinanie otworu centralnego,

- obrobione detale osadza się w uchwycie urządzenia do nanoszenia pasty, na obrotowym stole,

- do wprawionego w ruch obrotowy detalu zbliża się dyszę tłokowego zaworu dozującego i nanosi się pastę wykonaną na bazie szkła wodnego i zawierającą bor amorficzny w ilości 1 kg boru na 10 litrów całej masy wokół otworu centralnego, tj. w miejscu styku tarcza-piasta, gdzie występują naprężenia docisku,

- po naniesieniu pasty następuje odsunięcie tłokowego zaworu dozującego i zatrzymanie obrotu detalu,

- na stole lasera ustawia się przyrządy specjalne, których zadaniem jest jednoznaczne ustalenie detali na stole lasera,

- na każdym z przyrządów sytuuje się pokryte pastą detale,

PL 221 918 B1

- głowica lasera po kolei w każdym detalu naświetla powierzchnie pokryte pastą wg programu

CNC,

- naświetlone detale zostaną zdjęte z przyrządów i włożone do pojemnika,

- mycie, płukanie, pasywowanie i suszenie.

Wykonanie sprężyny talerzowej rozciętej sprzęgła:

- wycinanie (wypalanie) laserem krążków o zadanej średnicy, z pasa stalowego ze stali sprężynowej stopowej ulepszonej cieplnie do 1475-1615 MPa, wycinanie otworów i przecięć promieniowych, wycinanie otworu centralnego,

- naniesienie pasty tak jak w przykładzie powyżej, z tym, że pastę nakłada się wokół otworu centralnego, tj. w miejscu największego zużycia trybologicznego (styku z łożyskiem wyciskowym sprzęgła głównego),

- naświetlanie detali w miejscach pokrytych pastą,

- szlifowanie powierzchni w celu uzyskania grubości 3,62±0,03 płaskości, chropowatości Ra 1,6 oraz usunięcia warstwy odwęglonej,

- śrutowanie celem załamania ostrych krawędzi i umocnienia powierzchni,

- mycie, płukanie, pasywowanie i suszenie.

Proponowana technologia to jeden z efektywniejszych sposobów uzyskania lepszych wskaźników użytkowych procesu kształtowania elementów urządzeń, która łączy różne oddziaływania fizykochemiczne na obrabiany materiał. Występowanie takich procesów, jak topienie, zmienia zarówno warunki fizykochemiczne wymienionych procesów, jak i właściwości obrabianego materiału. Proponowane nowe podejście, do kształtowania materiałów umożliwia połączenie na jednym stanowisku obróbczym wycinania laserowego oraz stopowania za pomocą wiązki lasera, tzw. sequential treatment (ST), dzięki któremu osiąga się wymierne zwiększenie wydajności obróbki poprzez wykonanie kilku operacji na jednym stanowisku.

Sequential treatment w porównaniu z obróbką konwencjonalną pozwoli na podniesienie konkurencyjności przedsiębiorstwa poprzez skrócenie czasu operacji, zmniejszenie liczby zabiegów oraz obniżenie kosztu wyrobu końcowego.

Claims (4)

1. Sposób laserowo-mechanicznej obróbki blach stalowych w procesie produkcji elementów sprzęgła do ciągników z wykorzystaniem technik wycinania i stopowania laserowego, znamienny tym, że w tym samym procesie technologicznym prowadzi się wycinanie laserowe elementów sprzęgła, borowanie laserowe wyznaczonych powierzchni ukształtowanych wstępnie elementów oraz końcową obróbkę mechaniczną, przy czym moc wiązki laserowej w procesie borowania dobiera się odpowiednio do żądanej głębokość przetopienia.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed rozpoczęciem procesu borowania laserowego, przeznaczoną do modyfikacji powierzchnię pokrywa się pastą stopującą, wykonaną na bazie szkła wodnego i zawierającą bor amorficzny w ilości 1 kg boru na 10 litrów pasty.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zarówno wycinanie, jak i borowanie obrabianych elementów prowadzi się na wycinarce laserowej, pracującej w linii technologicznej składającej się centrum obróbkowego, urządzenia do nakładania pasty, szlifierki karuzelowej, śrutownicy i myjni.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że na linii technologicznej są realizowane następujące operacje:

- wycinanie laserem detali z pasa stalowego,

- wycinanie laserem otworów i przecięć promieniowych,

- nanoszenie pasty,

- borowanie laserowe powierzchni w miejscach, na które naniesiono pastę,

- frezowanie otworów,

- szlifowanie powierzchni,

- śrutowanie krawędzi,

- mycie, płukanie, pasywowanie i suszenie detali.