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    激光熔覆為刀座提供磨損保護
    材料來源:lfwc           錄入時間:2021/6/3 19:08:53

    文/Ursula Herrling-Tusch

    在木料加工廠,每天需要對無數根長達22m的原木進行去皮和測量,最終把它們加工成木材。“該加工過程中所使用的生產線設備和工具,會經受極大的工作負荷。”這一看法來自德國一家先進的鋸木廠Egielshoven公司。當談到如何修復重度磨損的圓形刀座時,該公司給出的解決方案是使用Pallas公司的激光熔覆工藝。這是專門針對高壓零件的修復工藝。

    Eigelshoven公司成立于1887年,其帶鋸的日生產量可達到1000立方米。目前,他們業務主體的80%是云杉,20%是道格拉斯冷杉。該鋸木廠50%的客戶來自德國,30%來自比利時、荷蘭以及盧森堡,還有10%來自法國和英國,剩余的客戶來自海外。該公司以“對尺寸公差要求嚴苛、對表面質量要求始終如一,以及較高的加工和處理質量”而在業內極富盛名。

    從樹干到結構性木材

    原木被運離木場之前會進行切割處理,原木喇叭狀的根部就會被鋸掉。隨后,對原木進行去皮,并檢測其中是否含有金屬碎片、釘子以及彈頭。在激光測量好原木的長度、直徑以及所有規定的特征參數(如翹曲或橢圓度)后,在下一個環節——橫切環節中,這些測量數據會被分配到用戶訂單中。這個基于電腦的加工過程,將決定哪種長度的原木被橫切,以滿足哪位客戶的要求。

    原木來到鋸木廠,在這里完整的客戶訂單數據將被下載到一臺四線程的軋機中,它是由四把帶有磁力引導系統的帶鋸構成的。在一個內聯進程中,每根原木此后都會以28~105m/min的速度通過長80m、寬15m的帶鋸生產線。根據先前制定的最佳切割方案,原木會自動旋轉到正確的方向。

    在下一個階段中,切削機將去除原木上兩個相對彎曲的側面。該加工過程中所使用的圓形刀具被固定在夾具上。采用電腦輔助的嵌套計劃,帶鋸將根據客戶訂單將原木從中間切開,而帶鋸也會對剩余材料執行進一步的有效加工。

    接下來,原木將旋轉90°角,第二臺切削機將會去除其余的兩個曲面,從而形成一個矩形的塊狀木材。隨后,塊狀木材會在具有一個水平軸和六個垂直軸的可調圓鋸之下,被切割成木板。在分類單元中,無用的木板片會被剔除,合格的木板被堆疊并捆扎好后提供給顧客。最終,切割成形的木材要經過一系列環節:規劃到毫米精確度的精準截斷、全自動六軸加工(連接)、浸漬和干燥。

     刀具決定速度

    每天1000立方米的日生產量,將會對切削設備中的圓形刀具夾緊裝置帶來極大的工作負荷。木材上的殘余樹皮、不規則狀物或是樹枝導致的粗糙表面,將被磨成光滑表面。這些粗糙的表面往往事先被固定在一個直徑750mm、厚300mm的鑄鐵轉子圓盤上,通過附近4把15cm×28cm的刀具切除。另外4把僅7cm×7cm的較小刀具,用于木材的光滑平整作業。通過矩形刀具夾緊裝置,將這些刀具固定在轉子圓盤上(見圖1)。

    圖 1:四個圓形刀座暴露在極端環境之中:需要去除殘余的樹皮以及不規則狀物體,還需要把倒角磨成光滑的平面。

    與軋機中的所有鋸刀一樣,轉子圓盤上的這些刀具每天都需要更換,換下的刀具在Eigelshoven公司的研磨車間中被再次打磨削尖。對于切削質量和速度,轉子圓盤的切割器中夾持小刀的刀座發揮著至關重要的作用。由于長期摩擦過程會導致刀具磨損,隨著時間的推移,會在刀座左右兩側形成損壞點。木材進入到這些凹陷處,就會由于木材纖維的磨損碎片而導致無效切割。與此同時,切削設備的效能也將大幅降低,進而難以維系目標日產量。

    在考慮到更換這樣一個刀座產生的高額成本,Eigelshoven公司技術總監Rainer Oprei一直在尋求一種持久耐用的修復方案,因為在軋機中每天運行的此類旋轉切削頭共有4個。但是,由于前期的嘗試效果并不好,這使他懷疑是否真的能找到所謂的持久耐用的修復方案。令人欣慰的是,之后他見證了Pallas公司在修復幾個磨損軸承方面所取得的成功。這使他備受鼓舞,再次嘗試尋找修復方案。

    當他遇到夾具因磨損而不得不進行更換的問題時,他選擇求助于Pallas公司。Pallas公司給出的建議是采用激光熔覆實現受損結構的表面重構。憑借精準的熱輸入,這種制備工藝實現了具有最小翹曲的高精度表面涂敷層?梢酝ㄟ^同心布置的噴嘴,將涂層材料熔覆到待處理的表面區域,并且涂層材料與母材一起熔化。在熔池中兩種材料之間通過冶金方式結合成為具有較低稀釋的致密涂層。此外,該涂層所具有的近凈輪廓質量,將意味著能將后續處理的成本控制在最低限度(見圖2)。

    圖 2:由于精準的熱輸入,激光熔覆使得受損結構的表面重構成為可能。

    一點一點修復

    Pallas公司正面臨一項特殊挑戰,即夾具存在不同程度的磨損。磨損區域的硬度也呈現出極不均勻的分布,硬度上的差異高達40HRC。正因為如此,Pallas公司決定使用不同耐蝕能力、材料硬度等級為50~63HRC的不同材料,對全部4個夾具進行試驗。然而,受損夾具表面的不均勻狀態,使得無法采用任何高速連續鋼涂層的加工方法,這意味著需要更多的人工介入(見圖3)。

    圖 3:Pallas采用硬度等級為63HRC的高速鋼作為磨損保護層,涂敷在圓形刀座上。

    Pallas公司激光部門負責人Rodion Honisch,為一項任務開發了一種模塊化程序。該任務使用Laserline公司的一臺6kW半導體激光器,波長位于900~1030±10nm的近紅外波段,該激光器可以工作在連續波和脈沖模式。該激光器的輸出脈沖能與受損區域的特定形態相適配。Pallas公司還開發了一種激光硬化工藝,并且安裝了相應的激光設備。

    采用這樣的方法,Rodion Honisch能夠選擇從哪里開始重構——既可以從側面開始,也可以從下沿開始。在極短的激光脈沖下(激光僅持續200ms),將激光能量選擇性地應用到材料上,以便能一點一點地逐漸修復復雜的幾何結構。鑒于近凈輪廓質量的優點,具有涂層的刀座只需要極少的后續處理(見圖4)。

    圖 4:涂層材料采用同心布置的噴嘴涂敷于待處理表面,并且涂層材料與母材一起熔化。

    連續運轉一年后無磨損

    Oprei將這些已修復的圓形刀座安裝回一臺鋸木廠的切削機中,以便測試激光熔覆在該機器日常運轉的惡劣條件下的耐用性能。一年后,Oprei在檢測磨損程度時驚訝地發現:在四把刀座中,經過激光熔覆修復的一把刀座竟絲毫沒有磨損跡象,而其余三把有極小的磨損痕跡。一般說來,經過一年的運轉后,圓形刀座將被完全磨損。Oprei委托Pallas公司修復一把磨損嚴重的圓形刀座,這次使用了特定的修復材料,該材料已經在第一次修復中充分顯示出優越性。

    對于Pallas公司而言,后續的訂單也意味著必須尋求一種降低手工處理的新方法,以確保修復工作具有交稿的成本效益。這個問題涉及刀座的形狀,因為它可能會阻礙到激光頭的定位?紤]到磨損樣式,Pallas公司激光部門負責人Rodion Honisch還進一步從磨損形貌著手,通過對磨損點的預銑削,來完成表面的均一化處理。他的方案是將大約深度為7mm的表面完全銑削掉,以便于所涂敷的重構涂層能夠充分牢固地熔入母材之中。由于刀座被過度磨損,所以第一步是用奧氏體不銹鋼1.4404(316L)構建出一個略微隆起的連接邊緣,然后在其上完成已磨損部分的基本結構重構。在此基礎上,還需要熔敷一層硬度為63HRC的高速鋼作為磨損保護層。

    經過表面處理的鑄鐵轉子,在一個月前已經運回了Eigelshoven公司,目前正在應用中。Oprei信心滿滿,他表示現在轉子已經滿足了他對長期使用壽命的期望。修復處理能比購買一個新單元節約80%的成本,也也是該解決方案的一個可取之處。通過激光熔覆工藝,切削機上的刀具獲得了更持久的磨損保護。


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