W procesach obróbki objętościowej na zimno wciąż jeszcze stosowane są różnorodne środki smarne. Ponieważ jednak praktyka ta negatywnie oddziałuje zarówno na środowisko naturalne, jak i rentowność produkcji, coraz większą wagę przywiązuje się do całkowitego wyeliminowania ich z tego procesu. Rozwiązaniem może być zastosowanie obróbki objętościowej na sucho, która pozwala na ograniczenie kosztów produkcji związanych z utylizacją środków smarnych, a także redukuje liczbę etapów procesu produkcyjnego przez rezygnację z nanoszenia, a następnie usuwania środka smarnego z obrabianego materiału. Jednak aby osiągnąć zamierzony efekt obróbki, konieczne jest wtórne zabezpieczenie powierzchni przed zużyciem przez zastosowanie nowych systemów tribologicznych.

Badania nad tego typu systemami realizowane są w ramach projektu (SPP16676) prowadzonego przez Instytut Przeróbki Plastycznej (niem. Institut für Bildsame Formgebung – IBF) Reńsko-Westfalskiej Uczelni Technicznej w Aachen dzięki funduszom Niemieckiej Wspólnoty Badawczej (niem. Deutsche Forschungsgemeischaft – DFG). Głównym celem inicjatywy jest opracowanie nowych warstw powierzchniowych znajdujących zastosowanie w procesie bezsmarowego wyciskania aluminium i jego stopów. Badaniu podlegają zarówno możliwości udoskonalenia topografii powierzchni przez zastosowanie polerowania laserowego, nowatorskie techniki powlekania powierzchni, a także potencjał wykorzystania rozwiązań zaczerpniętych z obu tych nurtów badawczych służących przezwyciężeniu problemów tribologicznych. Prace nad polerowaniem laserowym prowadzone są w Katedrze Techniki Laserowej (niem. Lehrstühl für Lasertechnik) z wykorzystaniem laserów impulsowych i ciągłego działania. Dzięki takiej kombinacji uzyskano wpływ na mikro- i makrochropowatość powierzchni stalowych. W procesie powlekania wykorzystano z kolei warstwę Mo2BC. Powłoka ta – doskonalana od 2009 r. w Katedrze Chemii Materiałów (niem. Lehrstühl für Werkstoffchemie) – cechuje się wysoką sztywnością przy relatywnie niewielkiej ciągliwości i dlatego dobrze sprawdza się w procesach formowania przy wysokich obciążeniach.  

Test porównawczy do badania zużycia materiału
Aby przeprowadzić charakterystykę i ocenę wpływu nowo opracowanych technik obróbki powierzchniowej na stopień zużycia materiału, Instytut Przeróbki Plastycznej przygotował autorski test porównawczy. Zastosowany w nim tribometr do pomiaru nacisku i skręcania (ilustracja 1) pozwala na odtworzenie parametrów procesowych i warunków tribologicznych wyciskania współbieżnego wyrobów pełnych wykonanych z miękkich tworzyw (np. czystego aluminium). W procesie tym średnica obrabianego przedmiotu kształtowana jest przy użyciu matrycy (ilustracja 2). Aby zapewnić porównywalność wyników uzyskanych w procesie formowania i badaniu tribologicznym, test powinien zostać poprzedzony symulacją procesu wyciskania przy użyciu Metody Elementów Skończonych pozwalającą na wyznaczenie typowego dla niego widma obciążenia dla szczeliny czynnej między przedmiotem obrabianym a matrycą.

Proces wyciskania współbieżnego wyrobów pełnych charakteryzuje się wysokimi wartościami naprężeń stykowych (nawet 6,5-krotnie wyższymi od wartości początkowej naprężenia płynięcia plastycznego obrabianego materiału), a także wzrostem powierzchni przedmiotu (nawet czterokrotnie w stosunku do powierzchni początkowej). W efekcie dochodzi do pękania warstwy pasywacyjnej tlenku aluminium, a tym samym bezpośredniego styku reaktywnego aluminium z powierzch nią narzędzia przy wysokim nacisku powierzchniowym sprzyjającym zużyciu adhezyjnemu jego powłoki.

Nowy tribometr do badania nacisku i skręcania pozwala na określenie charakterystyki owego zużycia na podstawie dwuelementowych próbek wykonanych z materiału przedmiotu obrabianego i narzędzia – analogicznych do tych wykorzystywanych w rzeczywistym procesie wyciskania. Próbka przedmiotu wykonana z czystego aluminium wprawiana jest w ruch obrotowy przez silnik elektryczny umożliwiający uzyskanie prędkości obrotowych rzędu 20-80 s-1 (odpowiadających maksymalnej prędkości ślizgowej równej 45 mm/s). Próbka narzędzia (np. ze stali DIN 1.2379) jest z kolei za pomocą siłownika pneumatycznego dociskana do próbki przedmiotu obrabianego z siłą do 18 kN (odpowiadającą naciskowi stykowemu rzędu 200 MPa). Co istotne, test umożliwia płynną regulację i rejestrację przyłożonej siły osiowej.

Specjalna geometria próbek
Zakłócenie ruchu rotacyjnego próbki narzędzia umożliwia ukształtowanie się w końcu ruchu względnego między próbkami. Liczba rotacji jest stale rejestrowana przez koło enkodera po stronie napędu. W celu dokonania charakterystyki tarcia w punkcie styku na bieżąco rejestrowany jest również moment obrotowy przenoszony przez obracającą się stronę. Przeprowadzone przy użyciu tribometru testy pokazują wyraźnie, że poziomy momentu obrotowego różnią się w zależności od rodzaju badanej powierzchni narzędzia.

Najistotniejszą cechą opracowanego tribometru jest możliwość obciążania próbki obrabianego materiału naprężeniami stykowymi o wartości wielokrotnie przekraczającej wartość początkową naprężenia płynięcia plastycznego obrabianego materiału. Jest to wynik zastosowania specjalnej geometrii próbek: próbka przedmiotu obrabianego została otoczona w strefie styku pierścieniem ograniczającym z mosiądzu, który uniemożliwia niekontrolowany wyciek materiału przez szczelinę styku, a tym samym pozwala na zastosowanie naprężeń stykowych znacznie przekraczających wartość naprężenia płynięcia plastycznego.

Wolna przestrzeń dla bezpośredniego styku
Aby jeszcze dokładniej określić uwarunkowania tribologiczne wyciskania współbieżnego wyrobów pełnych, między pierścieniem ograniczającym a materiałem przedmio tu obrabianego pozostawiono wolną przestrzeń. Zabieg ten – wraz ze wzrostem obciążenia w początkowej fazie eksperymentu – przyczynił się do odkształcenia aluminium – aż do całkowitego wypełnienia strefy styku i przerwania pasywacyjnej warstwy tlenku aluminium. W ten sposób doszło do bezpośredniego styku reaktywnego aluminium z badaną powierzchnią stali narzędziowej – analogicznego do tego, który ma miejsce w procesie wyciskania bezsmarowego.

Gładka powierzchnia stryku próbek umożliwia stosowanie i testowanie różnorodnych nowatorskich technik obróbki powierzchniowej, a następnie badanie struktury powierzchni przy użyciu technik mikroskopowych w celu uzyskania dokładnego obrazu jej zużycia. Na ilustracji 4 widoczne są próbki przed i po przeprowadzeniu testu tribometrem. Wypolerowana wcześniej powierzchnia narzędzia wykazuje wyraźną adhezję aluminium uformowanego w koncentryczne kręgi. Zgodnie z przewidywaniami próbka aluminiowa – pod wpływem kontaktu z próbką stalową – została poddana procesowi formowania, a wolna przestrzeń w sąsiedztwie pierścienia ograniczającego uległa całkowitemu wypełnieniu. Koncentryczne ślady zatarcia można również zauważyć w strefie styku.

Tanie i szybkie badanie powierzchni
W przeciwieństwie do czasochłonnej i kosztownej obróbki matryc do wyciskania nowa metoda pozwala na szybkie i relatywnie proste badanie nowych warstw powierzchniowych pod kątem ich przydatności w procesie wyciskania na sucho.

Po wstępnej selekcji w testach z wykorzystaniem tribometru najbardziej obiecujące struktury są poddawane dalszym badaniom właściwości ściernych z wykorzystaniem rzeczywistych geometrii części (matryc). Do ich przeprowadzenia wykorzystuje się przedstawioną na ilustracji 5 głowicę narzędziową oraz prasę hydrauliczną zlokalizowaną w Instytucie Przeróbki Plastycznej. Zastosowanie matryc o poziomym rowkowaniu gwarantuje możliwość obróbki powierzchni i badania przydatności nowych tribologicznych warstw powierzchniowych w realnych procesach obróbczych.