dr hab. inż. Piotr Rusek, prof IZTW
dr inż. Kazimierz Czechowski
mgr inż. Iwona Wronska
Istota wynalazku:
Istotę przedstawionego wynalazku stanowi sekwencyjna technologia modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali. Innowacyjność opracowanego sposobu polega na wykorzystaniu zjawiska synergii dwóch procesów obróbki powierzchniowej - azotowania i poprzedzającego go nagniatania. Możliwe jest dzięki temu generowanie ujednorodnionych naprężeń ściskających w warstwie wierzchniej detali, co w wielu zastosowaniach jest bardzo korzystne.
Wykorzystane w opracowanej metodzie narzędzie nagniatające, opracowane w Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW) (Patent nr 219877), umożliwia wykonanie zabiegu obróbki wykończeniowej na jednym stanowisku roboczym zaraz po procesie toczenia. Zastosowana w narzędziu końcówka diamentowa (opracowana również w IZTW) z częścią roboczą z kompozytu diamentowego (Patent nr 212600), pozwala na nagniatanie materiałów o bardzo wysokiej twardości, np. materiałów wykorzystywanych na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno.
Weryfikację opracowanej technologii przeprowadzono na dwóch materiałach narzędziowych, z których jednym była powszechnie stosowana w praktyce przemysłowej stal NC11LV (Sverker 21 - oznaczenie producenta), a drugim nowoczesna stal uzyskiwana drogą metalurgii proszków - Vanadis 6. Obie stale toczono po obróbce cieplnej („na twardo”), stosując ostrza skrawające z polikrystalicznego azotku boru (PCBN). Parametry obróbki zostały tak dobrane, aby chropowatość powierzchni po toczeniu (określona parametrem Ra), mieściła się w przedziale 0,70÷0,85 µm. Następnie powierzchnie te poddawano obróbce nagniataniem ślizgowym wspomnianym wcześniej kompozytem diamentowym przy parametrach gwarantujących największe wygładzenie powierzchni w stosunku do gładkości powierzchni uzyskanej podczas obróbki poprzedzającej (największy współczynnik KRa, gdzie KRa = Ra’/Ra ; Ra’ [µm] i Ra [µm] odpowiednio wartości parametru po wykończeniowej obróbce toczeniem i nagniataniu). Ostatni zabieg obróbki powierzchniowej obejmował proces azotowania gazowego w zakresie temperatur stosowanych dla danego materiału.
Zaobserwowany efekt synergii polegał na uzyskaniu korzystnego w sensie wartości jak i jednorodności stanu naprężeń dla próbek po sekwencyjnej obróbce - toczenie, nagniatanie i azotowanie - w porównaniu z próbkami poddanymi toczeniu i nagniataniu bądź toczeniu i azotowaniu.
Prezentowane zgłoszenie patentowe uzyskało następujące nagrody:
- Medal Targów Obróbki Metali, Obrabiarek i Narzędzi STOM-TOOL 2016, Kielce, 9-11 marca 2016
- Srebrny Medal na Międzynarodowej Warszawskiej Wystawie Wynalazków IWIS, Warszawa, 12-14 października 2015
- Srebrny Medal na Międzynarodowych Targach Innowacji Gospodarczych i Naukowych INTARG, Kraków, 25-26 czerwca 2015
Potencjał komercjalizacyjny wynalazku:
Potencjał komercjalizacyjny opracowanego wynalazku dotyczy produkcji narzędzi do obróbki plastycznej na zimno (ang. cold working processes). Procesy te są powszechnie stosowane w masowej produkcji odpowiedzialnych elementów m.in. dla przemysłu motoryzacyjnego czy lotniczego, od których oczekuje się wysokich właściwości wytrzymałościowych. Według danych zamieszczonych w raporcie „Grand View Research” globalna wartość rynku narzędzi do obróbki plastycznej metali stanowiła w 2014 r. ponad 120 miliardów $. Prognozy sięgające 2022 r. wskazują, że rynek ten osiągnie sumę 180 miliardów $. Masowy charakter produkcji, podczas której często stosowana jest obróbka plastyczna na zimno, daje szanse na poważne oszczędności w kosztach wytwarzania, dzięki korzystnym innowacjom zarówno w budowie jak i w technologiach modyfikacji warstwy powierzchniowej narzędzi wykorzystywanych np. w procesach wykrawania i przebijania. Należy również zaznaczyć, że wraz ze wzrostem wykorzystania metali w dziedzinach, takich jak transport, przemysł lotniczy, motoryzacyjny i precyzyjny, zapotrzebowanie na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno, również wzrośnie. Potwierdzają to także dane zawarte w raporcie “Metal Stamping Market: Global Industry Analysis and Opportunity Assessment 2015-2025”.
Opracowane rozwiązanie jest odpowiedzią na zapotrzebowanie przemysłu w zakresie zwiększenia trwałości powszechnie stosowanych narzędzi do obróbki plastycznej na zimno. Wzrost ich trwałości przyczyni się do zmniejszenia kosztów jednostkowych produkcji przemysłowej. Kolejną korzyścią jest zmniejszenie ilości przezbrojeń, a tym samym kosztów z tym związanych. Podsumowując, korzyści z tytułu wprowadzenia opracowanego sposobu modyfikacji warstwy wierzchniej narzędzi do obróbki plastycznej na zimno szacować można od kilkunastu do kilkudziesięciu milionów złotych rocznie.
Podkreślić należy, że opracowane rozwiązanie stanowić będzie podstawę do dalszych prac badawczo-rozwojowych mających na celu m.in. opracowanie zaleceń technologicznych dla innowacyjnego sposobu kształtowania warstwy powierzchniowej narzędzi do obróbki plastycznej na zimno realizowanych w ramach projektu "Opracowanie innowacyjnej technologii kształtowania właściwości użytkowych narzędzi do obróbki plastycznej na zimno". Projekt ten został przyznany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w VII edycji programu LIDER dla dr inż. Daniela Toboły.
