Sản xuất phụ gia của vòng bi bằng cách lắng đọng kim loại laser

Hợp tác với IBO GmbH và Viện công nghệ định hướng vật liệu Leibniz (Leibniz IWT), BIAS – Viện công nghệ chùm tia ứng dụng GmbH phát triển vòng bi sáng tạo trong thiết kế nhẹ. IBO GmbH đã sử dụng vật liệu nhôm nhẹ thay vì thép thông thường cho vòng bi lăn lớn. Không thuận lợi là các tính chất cơ học thấp ngay cả các hợp kim nhôm có độ bền cao. Do đó, một hệ thống mương bổ sung làm bằng thép chịu lực là bắt buộc. Những vòng bi lăn được gọi là vòng bi dây. Cách đua bổ sung không may ngụ ý những nhược điểm như khối lượng của các bộ phận cao hơn và kết quả là chi phí sản xuất và lắp ráp cao hơn. Do đó, lợi thế của mật độ thấp của nhôm bị giảm đi.

Do đó, mục tiêu của công việc phát triển chung là gia cố cục bộ của nhôm mềm tương đối bằng các hạt cứng và để sản xuất cấu trúc hỗn hợp này trực tiếp vào thân nhôm dưới dạng mương của vòng bi lăn. Theo cách này, hệ thống mương bổ sung làm bằng thép có thể được bỏ qua trong vòng bi lăn nhẹ. Cách tiếp cận là sử dụng công nghệ sản xuất phụ gia lắng đọng kim loại laser (LMD) để sản xuất các bộ phận ổ trục đơn. Trong quá trình sản xuất, các hạt cứng sẽ được bơm đồng thời với bột nhôm vào khu vực xử lý để củng cố các mương chịu ứng suất cao của ổ lăn.

Nguyên lý của kỹ thuật LMD được sử dụng được thể hiện trong a). So với các kỹ thuật sản xuất phụ gia dựa trên nền bột, quy trình LMD thuyết phục thông qua không gian lắp ráp gần như vô hạn và tốc độ xây dựng cao. Những lợi thế của sự lắng đọng kim loại laser là bắt buộc đối với việc sản xuất phụ gia kinh tế của vòng bi, bạc đạn quy mô lớn với đường kính lên đến 3 m. Trong các thử nghiệm đầu tiên với bột nhôm cường độ cao EN AW-7075 (50 m đến 125 m) mẫu có khuyết tật thấp có thể được sản xuất. Các phép đo độ cứng sau theo Vickers trên mặt cắt ngang cho thấy giá trị độ cứng thấp là 68 ± 7 HV0.5. Sau khi lão hóa nhân tạo ở nhiệt độ cao, độ cứng Vickers cao hơn 110 ± 12 HV0.5 được đo. Điều này cho thấy rằng đã lão hóa nhân tạo, mà không cần xử lý giải pháp trước đó sau quá trình LMD, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về độ cứng.

Để đạt được cường độ cục bộ cao hơn, các hạt cacbua vonfram hình cầu cứng (SFTC) (lên đến 3.000 HV0.1) sẽ được tiêm. Điều này cho thấy một lợi thế khác của kỹ thuật LMD. Ngoài vật liệu ma trận EN AW-7075, có thể mang các hạt SFTC đồng thời vào khu vực xử lý. Thông qua một phần tử ống Y, một phễu bột thứ hai với các hạt cứng có thể được kết nối với vòi phun bột để bơm các hạt cứng.

Trong một bước cả hai, vật liệu ma trận nhôm và các hạt cứng để gia cố có thể được đưa vào khu vực xử lý trong quá trình sản xuất mương mang, có thể được áp dụng cục bộ và đồng thời cho quá trình xây dựng. Các hạt cacbua vonfram hợp nhất hình cầu sẽ không bị nóng chảy bởi chùm tia laser và do đó sẽ bị phân tán trong ma trận nhôm. Hình cho thấy mặt cắt ngang sơ đồ của cấu trúc xây dựng để tạo ra một bộ phận chịu lực từ các hạt hàn đơn. Các hạt hàn tròn đầu tiên có bán kính tăng dần được hàn bởi LMD cạnh nhau cho đến khi đạt được đường kính ngoài yêu cầu. Sau đó, các lớp hạt hàn tròn tiếp theo được tạo ra trên cùng của lớp đầu tiên để đạt được chiều cao cần thiết.

Công việc nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện chất hàn và chất lượng xây dựng cũng như cấu trúc hỗn hợp nhôm-SFTC khá không đồng nhất. Mặc dù khả năng sản xuất gần như hình lưới của quy trình LMD, xử lý hậu kỳ là cần thiết để có được đường viền cuối cùng và tách phần ra khỏi tấm xây dựng. Để đạt được các đặc tính nhám và mỏi cần thiết cho ổ lăn, cần xác định các thông số quy trình phù hợp để gia công hỗn hợp cực kỳ không đồng nhất này với ma trận nhôm mềm và các hạt SFTC khó hơn đáng kể.

Sự kết hợp sáng tạo của nhôm với cốt thép cục bộ của SFTC đòi hỏi các phương pháp tính toán mới để thiết kế vòng bi nhẹ được sản xuất phụ gia. Với IBO GmbH, công việc phát triển chung này được hỗ trợ bởi một đối tác công nghiệp có thẩm quyền với chuyên môn sâu rộng trong thiết kế xây dựng và sản xuất vòng bi làm bằng các vật liệu khác nhau.

Sự hợp tác giữa BIAS, IBO GmbH và Leibniz IWT tập trung vào việc cho phép phát triển và sản xuất vòng bi trong thiết kế nhẹ sáng tạo. Vòng bi sáng tạo trong tương lai thuyết phục thông qua trọng lượng thấp và cường độ cao trong các khu vực chịu tải cao của mương. Do việc loại bỏ hệ thống mương dây bổ sung bằng cách nhúng các hạt cứng, phương pháp mới để sản xuất vòng bi bằng nhôm cũng mang lại lợi ích kinh tế.

Các tác giả thừa nhận tài trợ cho dự án ZF4063003SU7 của Bộ Kinh tế và Năng lượng Liên bang (BMWi) thông qua Liên đoàn các Hiệp hội Nghiên cứu Công nghiệp Đức (AiF) theo chính sách hỗ trợ Chương trình Đổi mới Sáng tạo Zentrales (ZIM) trên cơ sở một quyết định của Bundestag Đức. Tham khảo thêm một loại vòng bi áp dụng công nghệ hiện đại bật nhất như vòng bi NTN.