Aumento de la fricción estática con láser

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Durante una presentación realizada en septiembre de 2018 en el marco de la reunión de la Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes (AGMA, por su abreviatura en inglés), Gerhard Flores habló sobre la necesidad de producir superficies planas y curvas con la funcionalidad de alta fricción estática para transmisiones de potencia antideslizantes ajustadas por fuerza.

Según Flores, esta necesidad es especialmente importante para la estructuración de la biela y la leva para una alta resistencia al torque o las conexiones frontales de las ruedas dentadas, los engranajes o los ajustes del árbol de levas. Detalló que se están sustituyendo soluciones costosas como capas de diamante, recubrimientos o diseño de ajuste de forma. En cambio, ahora se realiza manufactura innovadora mediante un proceso de láser modificado con micro estructuras expuestas definidas. El requisito previo para una alta fricción es exponer micro rebabas de fusión de una altura micrométrica menor con estructuras de material martensí­tico. Como resultado, las superficies de alta fricción estática se pueden producir económicamente con la repetibilidad de tolerancias pequeñas en producciones de alto volumen. Este es el resumen de su presentación:

La producción de superficies que generan conexiones de fricción estática con la contraparte se realiza cada vez más con un rayo láser modificado. Las superficies de contacto caracterizadas por adhesión están dispuestas con topografí­as que aseguran el funcionamiento de las piezas de trabajo y se pueden producir de manera rentable. Los requisitos de las conexiones incluyen cargas por torques y fuerzas de corte. El sistema se mantiene en un estado de fricción adhesiva durante las diferentes condiciones operativas y no permite ningún movimiento relativo de las áreas de contacto.

La caracterí­stica principal del sistema adhesivo se reveló en una prueba de esfuerzo. En ella, las superficies de contacto endurecidas y estructuradas se cargan contra las no estructuradas y sin endurecer con una fuerza axial de 80 kN durante 60 segundos para un ángulo de giro de 4 grados. El curso del torque se indicó como valor objetivo. Las áreas de contacto (di = 15 m, da = 30 mm) estaban secas y libres de grasa. En la unión de adhesivo y fricción de deslizamiento hay un valor máximo de adhesivo.

Usando el banco de fricción adhesiva o el agregado funcional se pueden evaluar los efectos de la estructura. Cada estructura que aumenta la fricción del adhesivo se caracteriza por un contorno de perfil elevado que influye en su contraparte. A continuación, se producen múltiples perfiles de micro forma para absorber las fuerzas cortantes. Además, los perfiles de microforma dan como resultado una conexión por fricción con un alto coeficiente de fricción adhesiva. Debido al efecto térmico del rayo láser, la dureza es modificada debido al corto tiempo de calentamiento.

Existen diferencias significativas en las superficies de fricción adhesiva estructurada por láser de las levas, las bielas, las conexiones frontales y las superficies de sustratos pretratados. Las topografí­as de levas pueden levantarse con elevaciones de perfil bajo y sin profundización. El material se derrite uniformemente. Las lí­neas de estructura de las bielas son superpuestas equidistantes. Tanto los árboles de levas como las bielas pueden absorber el torque de las juntas del cubo del eje. Entre las estructuras de las conexiones frontales a menudo se producen profundizaciones causadas por la transferencia de material. Por último, las superficies de los sustratos pretratados exhiben una estructura escamosa con micro rebajes y son adecuadas para unir materiales de capa a sustratos.

La estructuración láser de superficies de fricción adhesiva en conexiones de tipo de fricción rí­gida puede sustituir a las conexiones de bloqueo positivo u otras conexiones de tipo de fricción costosas como las capas intermedias de diamante. El coeficiente de fricción adhesivo alcanzable depende de la profundidad de la altura, la forma del perfil de rugosidad estructurada por láser, la disposición de la densidad de la estructura, las propiedades martensí­ticas de los materiales tratados con láser, la fuerza normal y si el lubricante está incrustado en las superficies de contacto o no.

Diferentes conexiones con resistencia a la torsión tienen diferentes superficies de contacto cilí­ndricas. Una conexión por contracción con la superficie interna estructurada con láser de la leva y el eje, permite que el árbol de levas sea fabricado de una forma rentable en la producción en serie. En el caso del eje de conexión de sujeción y el cubo, las superficies de contacto estructuradas con láser se acoplan mediante sujeción. Esto reemplaza la costosa alternativa de conexiones positivas. De esta manera, las conexiones de pasadores o accesorios pueden reemplazarse por superficies de contacto de tipo fricción con una alta fricción adhesiva generada por el proceso de estructurado con láser.

Otra categorí­a son las conexiones de fricción de las superficies funcionales lisas para la transmisión de las fuerzas de corte de los pares. La superficie frontal estructurada con láser, a menudo diseñada con un elemento de alineación, reemplaza soluciones costosas como el acoplamiento de juntas con bloqueo de forma con herramientas frontales o diamante insertado o capas intermedias de SiC como rebanadas para el aumento del valor de fricción. Las aplicaciones relacionadas con el motor de combustión como el piñón, el ajustador del árbol de levas, el rodamiento de bolas o el bastidor del chasis se están convirtiendo en alternativas a las soluciones costosas con rebanadas y capas intermedias.

La estructuración láser de las bielas se realiza mediante el pasador del cigí¼eñal, que une la biela y el cigí¼eñal. El diseño del cojinete consiste en el ojo de la barra, la carcasa del cojinete y el pasador de la biela del cigí¼eñal. Hay un movimiento relativo de rotación entre el pasador de la biela y el lado interno de la carcasa del cojinete. La junta se presenta como un cojinete de deslizamiento y trabaja con baja fricción; sin embargo, no se permite ningún movimiento entre el lado exterior de la carcasa del cojinete y el orificio de la biela. Aquí­, se requiere una adhesión suficientemente alta para absorber las fricciones dentro del rodamiento deslizante. A continuación, es necesaria una conexión de fricción para proporcionar la resistencia a torsión adecuada por medio de una topografí­a elevada de la biela y la adhesión resultante.

Para el proceso de estructuración de láser, se utiliza un láser de cuerpo sólido con óptica de escaneo. Las dos fuentes de haz están dispuestas sobre el ojo de la barra de conexión lateralmente, el orificio de la biela. Las fuentes de haz trabajan simultáneamente y estructuran cada una de las dos áreas con el orificio de la biela. En cada unidad, el haz pulsante es guiado por los escáneres de galvanómetro con dos espejos de galvanómetro cada uno. No hay desplazamiento o posicionamiento del rayo accionado mecánicamente y el movimiento focal se lleva a cabo rápidamente, lí­nea por lí­nea, con la mayor precisión y simultáneamente por la óptica móvil de los cabezales de escaneo integrados.

La estructuración por láser de las levas tiene lugar después de que el eje y las levas se mecanizan como piezas individuales y se ensamblan mediante procesos de conexión de tipo fricción térmica. Para lograr la suficiente resistencia a la torsión de las levas, sus orificios están estructurados para mejorar la adherencia.

Las conexiones de tipo fricción se aplican en varios sectores de ingenierí­a mecánica y diseño de vehí­culos para la transmisión de fuerzas de corte y torsión. Las conexiones de caras frontales con superficies de contacto lisas son estructuradas con láser en la producción en serie. El ajustador del eje de levas, los piñones de cadena o los engranajes son el foco de la válvula central de Schaeffler con el eje de levas en la producción en serie. Esta valiosa tecnologí­a reduce las emisiones de dióxido de carbono. Mediante la estructuración láser del rodamiento principal, se puede obtener una alta resistencia a la torsión de la carcasa del rodamiento mediante áreas aproximadamente estructuradas en una conexión de tipo cilí­ndrico, así­ como por transferencia de calor en las áreas lisas no estructuradas.

En conclusión, la ventaja de la estructuración láser con escaneo integrado es que los segmentos de estructuración en superficies curvas y planas pueden dimensionarse y posicionarse libremente. Además, los datos de estructura y las tolerancias de los diferentes valores de superficie se pueden ajustar mediante el parámetro de haz. El proceso de estructuración es completamente automatizable y se puede integrar en una lí­nea de producción. La estructuración láser permite un aumento de la fricción estática de hasta cinco veces. En comparación con las capas intermedias de diamante, los costos y el número de piezas son significativamente más bajos.

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