Laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem nadstopów niklu - kinematyka toczenia podczas

Laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem (ang. laser-assisted machining), to obszar związany ze wspomaganiem konwencjonalnego skrawania, w którym, do nadania cech wymiarowo-kształtowych WW i jej właściwości, stosuje się nie tylko energię mechaniczną ale dodatkową energię w postaci oddziaływania cieplnego wiązki laserowej [148]. Laserowe wspomaganie obróbki skrawa-niem odbywa się na zasadzie integracji skrawania i obróbki cieplnej, w wyniku której możemy roz-różnić obróbkę hybrydową, łączoną lub kompletną [48, 139]. Ważnym aspektem obróbki hybrydowej jest efekt synergii (zasada „1+1=3”).

Wspomaganie obróbki skrawaniem realizowane jest przez udział wielu procesów dodatkowych, przy czym w ostatnich latach, w polskich ośrodkach badawczych, najczęściej stosowanymi są: chło-dzenie kriogeniczne [47, 139, 155], obróbka z wysokim ciśnieniem CCS [50, 74, 139] czy też obróbka z nagrzewaniem laserowym [64, 101, 104, 106, 107, 139]. Pojęcia wspomagania obróbki oraz obróbki hybrydowej w nomenklaturze zagranicznej są bardzo szeroko ujmowane. Na przykład w przeciwień-stwie do Lauwers’a i in. [75], autor prezentowanej rozprawy uważa, że nie powinno utożsamiać się pojęcia procesów hybrydowych oraz wspomaganych. Przypadki, w których za efekt wspomagania uważa się kontrolę parametrów procesu np. szlifowania, w celu uzyskania warstwy zahartowanej, nie można uważać za proces hybrydowy.

Za obróbkę wspomaganą, można uważać taki sposób kształtowania elementu, w którym zastoso-wanie dwóch lub więcej sposobów obróbki ma na celu zwiększenie wydajności procesu. Rozumie się przez to na przykład laserowe nagrzewanie WW, w celu zmiękczenia warstwy skrawanej przez ostrze skrawające (rys. 2.25a). Obróbka hybrydowa, to połączenie dwóch lub więcej sposobów obróbki, w którym ich wzajemne oddziaływanie wiąże się ze zmianą kształtu obrabianego przedmiotu, jak i dodatkowym efektem technologicznym. Może to być np. realizowane poprzez nagrzewanie materiału w celu realizacji konkretnej obróbki cieplnej i obróbki skrawaniem. Materiał nagrzany jednak nie staje usunięty w postaci wióra ale w wyniku równoczesnego oddziaływania ostrza i wiązki lasera zo-staje np. zahartowany (rys. 2.25b).

Rys. 2.25. Laserowe wspomaganie skrawania: a) obróbka wspomagana LAM oraz b) obróbka hybrydowa LAM (opracowanie własne)

W licznych pracach badawczych najczęstszym zastosowaniem LAM jest oddziaływanie na war-stwę skrawaną w celu poprawy wydajności skrawania np. ceramiki narzędziowej [57] czy też stopu Inconel 718 [85]. W pracach o szczególnie wyraźnym efekcie realizacji zasad obróbki hybrydowej są publikacje [64, 101, 103]. Kawalec zastosował laser do jednoczesnego hartowania i skrawania [64].

Efektem hybrydowym jest wytworzenie struktury martenzytycznej w WW i jej cieplne zmiękczenie w trakcie toczenia, przez co materiał zahartowany jest lepiej skrawalny. Przestacki udowodnił, że na-grzewanie laserowe w obróbce nie tylko zwiększa trwałość ostrza [103], ale i w wyniku oddziaływa-ostrze

31

nia wiązki lasera i ostrza, w WW następuje zjawisko sedymentacji twardych cząstek SiC w osnowie aluminium (rys. 2.26). Efektem obróbki hybrydowej jest nie tylko kształtowanie elementu ale i nada-nie nowych właściwości warstwy wierzchnada-niej, jakie nada-nie byłoby możliwe w przypadku osobnego od-działywania lasera i ostrza na materiał [103].

Rys. 2.26. Widok mikrostruktury kompozytu A359/20SiCp po a) konwencjonalnej obróbce skrawaniem oraz b) hybrydowym laserowym wspomaganiu toczenia [103]

W literaturze polskiej definicje obróbki hybrydowej, łączonej czy też zespolonej, szczegółowiej opisane były przez m.in. Oczosia [89] oraz Grzesika [46, 47, 50]. Pozycje te jednak wymagają dopre-cyzowania ze względu na szybki rozwój technik wspomagających procesy konwencjonalnej obróbki skrawaniem, a w szczególności procesy wspomagania laserowego toczenia, w tym zdefiniowania pod-stawowych rodzajów ruchów i zależności między nimi.

Opisując kinematykę procesu wspomagania laserowego toczenia, należy uwzględnić dwie jego odmiany tzw. tryby wspomagania (rys. 2.27):

− wspomaganie ciągłe – laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem przez cieplne zmiękczenie nagrzewanej warstwy skrawanej podczas jednoczesnego nagrzewania i skrawania,

− wspomaganie sekwencyjne – laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem poprzez zmianę mikrostruktury warstwy wierzchniej materiału obrabianego w wyniku następującego po sobie kolejno procesu nagrzewania laserowego i skrawania.

a) b)

Rys. 2.27. Laserowe wspomaganie skrawania w trybie a) ciągłym (CLAM) oraz b) sekwencyjnym (SLAM) (opracowanie własne)

Do kształtowania przedmiotu za pomocą toczenia konwencjonalnego niezbędna jest obrabiarka, w tym przypadku tokarka, która nadaje ruchy podstawowe przedmiotowi obrabianemu oraz narzędziu.

W laserowo wspomaganym toczeniu dodatkowym elementem zmieniającym swoje położenie wzglę-dem przedmiotu obrabianego jest głowica lasera. Układ ruchów obrotowych i prostoliniowych nada-wany przedmiotowi obrabianemu, narzędziu oraz głowicy laserowej będzie określany mianem kine-matyki procesu laserowego wspomagania toczenia. W przypadku toczenia konwencjonalnego (bez

głowica lasera wiązka lasera ostrze skrawające

materiał nagrzany

materiał o zmienionych właściwościach

przerwa czasowa

a) b)

32

udziału energii lasera), ruch główny realizuje przedmiot obrabiany, który obraca się zgodnie z zadaną prędkością obrotową n [obr/min]. W zależności od warunków procesu, prędkość obwodowa nazywana jest prędkością skrawania vc [m/min]. Prędkość linowego przemieszczania się narzędzia, ruch posuwowy, realizowany jest z prędkością ruchu posuwowego vf [mm/min]. W warunkach lase-rowego wspomagania toczenia wyróżnić można ponadto ruch posuwowy wiązki lasera vfl [mm/min]

nazywany prędkością liniową skanowania. Ruch główny nagrzewania realizowany jest z prędkością obwodową na powierzchni elementu obrabianego vl [mm/min].

Dążąc do osiągnięcia założonych efektów technologicznych laserowego wspomagania skrawania, obszarem parametrów zmiennych, są parametry technologiczne i geometryczne narzędzia, występują-ce w prowystępują-cesie skrawania, jak również technologiczne i geometryczne, związane z wiązką lasera. Nale-ży rozumieć je jako ustawienie głowicy podczas nagrzewania laserowego oraz zmienne geometryczne, określające relacje między miejscem padania wiązki a miejscem dekohezji materiału.

W przypadku analizy procesu nagrzewania dla różnych odmian kinematycznych procesu LAM i późniejszego doboru parametrów nagrzewania, ważnym aspektem jest zmienna w przypadku tocze-nia poprzecznego (rys. 2.28b) oraz stała podczas toczetocze-nia wzdłużnego (rys. 2.28a), odległość pomię-dzy miejscem nagrzewania a miejscem dekohezji materiału.

Rys. 2.28. Kinematyka laserowego wspomagania toczenia a) wzdłużnego b) poprzecznego;

1 – głowica lasera, 2 – materiał obrabiany, 3 – narzędzie skrawające (opracowanie własne)

Istotnym faktem, w przypadku analizy procesu nagrzewania dla różnych odmian kinematycznych procesu, jest położenie powierzchni nagrzewanej względem powierzchni skrawanej (rys. 3.5). W za-leżności od geometrycznego odwzorowania ostrza w materiale, właściwości materiału obrabianego oraz od rzeczywistej odległości łukowej miejsca nagrzewania od miejsca skrawania możemy wyróżnić trzy odmiany nagrzewania laserowego w procesie laserowego wspomagania skrawania: wyprzedzają-ce (rys. 2.29a), mieszane (rys. 2.29b) oraz jednoczesne (rys. 2.29c).

Zastosowanie odpowiedniego kąta pochylenia κrl osi wiązki w płaszczyźnie podstawowej układu narzędzia, zmienia kształt nagrzewanej powierzchni na eliptyczną dla wiązki pierwotnie kołowej oraz dodatkowo zabezpiecza optykę przed odbiciem wiązki i uszkodzeniem elementów roboczych lasera.

Wartość tego kąta może mieć znaczenie w momencie padania na powierzchnię elementu A, skrawną B czy obrobioną C (rys. 2.29). Element może zostać pokryty powłoką antyrefleksyjną lub absorpcyjną, która zapobiegnie odbiciu światła lasera. Powierzchnia skrawana, ze względu na mo-ment, w którym powstaje, często jeszcze wolna od tlenków co czyni ją połyskliwą. Zbyt duża ilość energii dostarczonej do powierzchni skrawanej, może przyczynić się do termicznej degradacji ostrza.

Nagrzewanie mieszane, może przyczynić się do zmniejszenia efektu utwardzenia materiału na więk-n

n

vc vf

vl vfl

1

2 3

vl

v_f v_fl

vc

n

n

a) b)

33

szej głębokości niż w przypadku nagrzewania wyprzedzającego. Nagrzewanie jednoczesne, przy pra-widłowym dobrze wartości kąta φ może zwiększyć efektywność procesu przez zmniejszenie mocy lasera niż by to miało miejsce w przypadku pozostałych metod.

Rys. 2.29. Odmiany kinematyczne nagrzewania laserowego toczenia wzdłużnego w warunkach LAM z uwzględnieniem położenia strefy padania wiązki lasera względem powierzchni skrawanej:

a) wyprzedzające, b) mieszane, c) jednoczesne;

A – powierzchnia elementu, B – powierzchnia skrawana, C – powierzchnia obrobiona (opracowanie własne) Schematy przedstawione na rysunku 2.29 opisują warunki np. obórki zgrubnej gdzie wartość promienia ostrza skrawającego jest nieistotna. W przypadku obróbki dokładnej powierzchnia skrawa-nia nie jest stożkiem, co przedstawiono na rysunku 2.30. Położenie wiązki opisane na rysunku 2.30 wpływa na wzajemne oddziaływanie wiązki lasera-ostrza-materiału obrabianego, a tym samym rodzaj procesu: wspomaganie skrawania, obróbkę hybrydową lub tryb wspomagania. Osiągany efekt techno-logiczny może być taki, jak opisano wyżej w przypadku obróbki zgrubnej.

a) b) c)

Rys. 2.30. Schemat toczenia wzdłużnego zewnętrznego ze wspomaganiem laserowym dla małych głębokości skrawania ap < rε w wersji wspomagania w wyniku: a) nagrzewania powierzchni elementu, b) nagrzewania powierzchni elementu i powierzchni obrabianej, c) powierzchni obrabianej; A – powierzchnia elementu, B – powierzchnia skrawana, C – powierzchnia obrobiona, 1 – ostrze skrawające, 2 – element obrabiany, 3 – pole

nagrzewania (opracowanie własne)

Odległość kątowa wiązki lasera, między strefą skrawania a miejscem skupienia wiązki laserowej na powierzchni materiału obrabianego φ (rys. 2.31), jest jednym z kluczowych parametrów procesu LAM. Odległość ta, określa rzeczywistą drogę miedzy miejscem nagrzewania wiązką lasera a

miej-n n n

κrl

A

B C

1 2 3

v_fl

v_l

v_fl

v_l

v_fl

v_l

a) b) c)

A B C

34

scem, w którym w materiale zachodzą zmiany termodynamiczne. Zadanie zbyt dużej wartości kąta może zniwelować efekt cieplnego zmiękczenia WW, z kolei zbyt mała wartość ma negatywny wpływ na układ OUPN. W celu zmiany pola przekroju z kołowego na eliptyczny można wprowadzić dodat-kowe pochylenia o kąt φ’ (rys. 2.31b). Dodatkowo, podobnie jak w przypadku kąta κrl,pochylenie kątowe φ’, zabezpiecza optykę przed odbiciem wiązki i uszkodzeniem elementów roboczych lasera.

Rys. 2.31. a) Odległość kątowa osi wiązki lasera od powierzchni natarcia ostrza skrawającego, b) pochylenie kątowe głowicy laser względem stycznej do przekroju poprzecznego obrabianego elementu

(opracowanie własne)

Szczególnym wyzwaniem technologicznym a zarazem konstrukcyjnym narzędzi jest toczenie wzdłużne wewnętrzne ze wspomaganiem laserowym. Schemat procesu przedstawiono na rysunku 2.32. Proces obróbki wewnętrznej części wiąże się z takimi problemami jak możliwość jednoczesnego wprowadzenia głowicy lasera i noża tokarskiego do elementu. Skrawanie wiąże się z pojawieniem wiórów, a te, mając ograniczone możliwości opuszczenia ze strefy obróbki, mogą być przyczyną uszkodzenia głowicy lasera, bądź obrobionej powierzchni.

Rys. 2.32. Schemat toczenia wzdłużnego wewnętrznego ze wspomaganiem laserowym (opracowanie własne) Znane są również rozwiązania, w których możliwe jest zastosowanie dwóch laserów nagrzewają-cych dwie powierzchnie. Taki schemat procesu, można odnaleźć w rozwiązaniu patentowym [125].

Autor rozwiązania zastosował różne źródła energii wiązki lasera (CO2 oraz Nd:YAG). Nie zostało to wskazane w zastrzeżeniu, ale dwa różne źródła energii, cechują się różnymi długościami fali wiązki lasera (rys. 2.33). Rozwiązanie to umożliwia nagrzewnie strefy A jedną wiązką oraz B drugą wiązką lasera. Dodatkowo to rozwiązanie staje się istotne, ze względu na charakter powierzchni przed obrób-ką, obrabiana i obrobioną, które cechują się różnymi współczynnikami emisyjności, refleksyjności oraz są inaczej usytuowane pod względem geometrycznym do każdego ze źródeł. Tym samym inaczej

φ

φ'

n n

n

vf

v_fl

v_l

v_c

a) b)

35

rozchodzić się będą strumienie ciepła i inne będą bilanse cieplne dla procesów. Rozwiązanie to mimo zalet technologicznych wiąże się z dużymi nakładami na infrastrukturę techniczną.

Rys. 2.33. Laserowe wspomaganie skrawania z zastosowaniem dwóch źródeł energii [125] za [133]

Nieprawidłowy dobór parametrów skrawania, w tym zależności określających kinematykę proce-sy laserowego wspomagania skrawania może wiązać się z możliwością uszkodzenia elementów ukła-du OUPN. Zbyt wysoka temperatura wióra powoukła-dująca jego przetopienie, a następnie połączenie z powierzchnią narzędzia skutkuje efektami jak na rysunku 2.34. Oddziaływanie wiązką lasera w stre-fie C, na powierzchni obrabianej, może wiązać się z możliwością bezpośredniego stopienia ostrza w wyniku zbyt wysokiej temperatury w strefie skrawania (rys. 2.35).

Rys. 2.34. Negatywny efekt oddziaływania cieplnego wiązki lasera na narzędzie będące efektem złych parame-trów nagrzewania podczas laserowego wspomagania skrawania stopu Inconel 718 [85]

Rys. 2.35. Negatywny efekt oddziaływania cieplnego wiązki lasera na ostrza CBN podczas tocznia CLAM (wyniki prób własnych)

36