Considerazioni analitiche dei sistemi leganti altamente porosi per rettifica di precisione
Introduzione
La produttività è il parametro principale nelle applicazioni di rettifica nelle industrie. Il processo è caratterizzato dal tempo del ciclo e dalla qualità della superficie (dimensione, rugosità, interazioni termiche…), e questi fattori sono influenzati principalmente dalla specifica dello strumento di rettifica. La scelta giusta della grana, la sua qualità nonchè la struttura viene effettuata per ottimizzare questo strumento. Nel settore dell'industria, gli strumenti ad alta porosità con una porosità di grana omogenea sono sempre più diffusi. Qui di seguito illustreremo come le prestazioni di rettifica siano influenzati dalla porosità.
Strutture porose senza poro induttore
La porosità è senza dubbio una delle principali proprietà di una mola di rettifica, in grado di influenzarne le prestazioni, positivamente. Da un lato i pori consentono di fornire liquidi refrigeranti nella zona di rettifica, e dall'altro lato facilitano la rimozione di trucioli e residui. Inoltre, grazie allla presenza di "ponti" sottili nel sistema a legante poroso, l'interazione tra il legante e il piano di lavoro è ridotta significativamente, evitando cosi surriscaldamento e danni (Fig. 1).
 | Fig. 1: Interazione tra legante e piano di lavoro. Rispetto al legante standard (sinistra), il legante del Vitrium³-(destra) consente una sensibile riduzione di danni termici sul piano [SGA13]. |
Saint-Gobain ha sviluppato due processi speciali, che consentono di creare una struttura altamente porosa senza l'aggiunta di idrocarburi come naftalina o altri tipicamente utilizzati nell'industria. Questa tecnologia ha avuto un impatto positivo sulle proprietà degli trumenti ed inoltre è un passo imprtante a favore della protezione dell'ambiente.[Uppa13]
Le due tecnologie sono VORTEX e ALTOS:
VORTEX 2: Al fine di giungere ad un'alta porosità e ad una struttura omogenea, Saint-Gobain ha sviluppato grane speciali per questi prodotti. La Fig. 2 mostra come la struttura aperta 29 può essere prodotta con la tecnologia VORTEX 2, mentre prodotti con leganti standard non saranno cosi robusti.
 | Fig. 2: Comparazione tra prodotti standard e VORTEX 2. La tecnologia Vortex consente una più alta porosità rispetto ai prodotti standard, senza alcun tipo di pori induttori. [Hube12]. |
Un altro vantaggio consiste nella elevata omogeneità, una struttura aperta e permeabile delle mole, essenziale per il passaggio dei liquidi refrigeranti nella zona di rettifica. Fig. 3 mostra che un prodotto concorrente, con pori induttori presenta molti difetti e buchi, mentre le mole VORTEX 2 sno totalmente omogenee.
 | Fig. 3: Influenza di poli induttori sull'omogeneità. Con la tecnologia VORTEX i pori sono aperti ed equamente distribuiti. |
ALTOS:Le mole di rettifica caratterizzate da tecnologia ALTOS vengono prodotte con grane ceramiche estruse(TG e TGX). Saint-Gobain ha sviluppato e realizzato queste grane (ossido di alluminio sinterizzato) con un diverso rapporto tra lunghezza larghezza; TG = 4/1 e TGX = 8/1. Le forme allungate dei grani portano ad un orientamento casuale durante il processo di miscelazione e quindi una porosità aperta ed una elevata permeabilità, senza l'utilizzo di induttori. Calcoli e modelli hanno dimostrato che i grani allungati (barre) hanno la forma ottimale per creare strutture altamente porose, vedere Fig. 4 [Zhan06].
 |  Fig. 4: Mostra la struttura altamente porosa di una mola ALTOS con un orientamento casuale delle aste cilindriche [Zhan06]. |
Impatto di una struttura porosa sul processo di rettifica
L'assorbimento di potenza può essere utilizzato per una corretta analisi del processo di rettifica. Esso è influenzato dalle interazioni micro e macroscopiche tra grana, legame, e piano di lavoro.[Subr00].
La potenza di rettifica P’ può essere descritta come una funzione lineare della velocità specifica di asportazione Q'w. Come buona approssimazione può essere usata la seguente regressione lineare [Malk89]:
P‘ = Ec . Q‘w + P‘th
Dove P‘: potenza specifica
Ec: energia specifica di rettifica (= pendenza della retta)
Q’w: tasso di rimozione del materiale specifico
P’th: potenza di soglia specifica (= intersezione con asse P’)
Fig. 5 mostra il trend funzionale della potenza di ALTOS, VORTEX 2, e mole di rettifica con allumina(EKw). I risultati sono i seguenti:
Energia specifica rettifica Ec: La pendenza inferiore di ALTOS e Vortex 2 rispetto all'allumina mostra la loro minore energia specifica rettifica Ec.
Questo significa:
- Tasso di rimozione del materiale superiore a parità di potenza (…“rettifica più veloce “)
- Potenza inferiore a parità di tasso di rimozione materiale (…rettifica più "fredda")
Specialmente ALTOS mostra un chiaro vantaggio con elevato Q’w, ed anche VORTEX 2 è supeirore all'allumina in ogni caso. La potenza di soglia Pth è simile per VORTEX 2 , mentre è nettamente superiore ad ALTOS. La potenza di soglia Pth indica, a che livello di potenza avviene il processo di scheggiatura iniziale, che significa un tasso di rimozione del materiale piccolo infinitesimale. guardando la regione in basso Q’w in Fig. 5 notiamo che VORTEX 2 e ossido di alluminio richiedono una potenza inferiore rispetto ad ALTOS.
 | Fig. 5: Potenza specifica P‘ versus tasso di rimozione materiale Q’w per allumina (EKw). |
Qual è la ragione di questi risultati?
VORTEX 2: la struttura della mola altamente porosa, riduce l'interazione con il piano di lavoro, conducendo ad una minore energia specifica Ec rispetto ad allumina bianco. Le potenze sono simili, la grana VORTEX 2 mostra un comportamento simile ad allumina bianca.
Le mole ALTOS sono costituite da grana estrusa TGX. Grazie alla sua robustezza e la struttura microcristallina la potenza pth è piuttosto elevata. Tuttavia, i benefici di ALTOS sono predominanti alle più alte velocità di asportazione del Materiale Q'w: l'elevata porosità (=bassa interazione con il piano di lavoro) e l'effetto autoaffilante della grana consentono una rimozione estremamente elevata del materiale Q’w ad una bassa potenza P’, senza alcun danno termico al piano di lavoro!
Queste proprietà sono state dimostrarte in molti test.
Fasi di sviluppo successive
Un importante obiettivo di sviluppo in Saint-Gobain è determinato dalle mole che consentono un'elevata velocità di asportazione del materiale con basso danno termico; la zona blu in Fig. 5 mostra la previsione.
 | Fig. 6: SEM-images: struttura microcristallina di SG e Norton QUANTUM 2a fase |
La tecnologia QUANTUM di Norton raffigura grani con una durezza inferiore allo standard SG , questo è causato da una seconda fase nella struttura microcristallina. Pertanto il comportamento a frattura è significativamente cambiato, il che significa che le fratture e nuovi spigoli sono già formati ad un carico minore. Di conseguenza, si riduce la soglia di potenza Pth , e il tasso di rimozione del materiale può essere superiore al 30% a parità di potenza. Questa struttura garantisce il successo delle mole Norton Quantum in molte applicazioni, ad alta e bassa Q'w.
Il passaggio successivo è la combinazione di queste tecnologie:
VORTEX 2 + NORTON QUANTUM +VITRIUM³= NORTON QUANTUM-X …è una mola altamente porosa, che presenta una grana migliorata della tecnologia QUANTUM di norton. A causa della bassa potenza di soglia Pth Norton QUANTUM-X può essere usato a basse velocità di asportazione del materiale Q'w; ma la porosità aperta riduce l'interazione termica, che consente alla mola di ottenere maggiore velocità di asportazione del materiale. Questo è un grande inizio di mole versatili adatti per molte applicazioni!
Case studies
I seguenti casi di stufio mostrano che sono disponibili prodotti che ottimizzano la produttività: elevate velocità di asportazione del materiale e tempi di ciclo inferiori, basate su mole con una bassa energia specifica di rettifica, bassa potenza di soglia ed alta porosità:
Rettifica ingranaggi con ALTOS
- Applicazione: Profile grinding, Gleason-Pfauter
- Pezzo: 18 CrNiMo, 58-60 HRC, module 10
- Competitor: Newest technology
- Saint-Gobain: TGX 120 F13 VCF5
> Risultato: Q’w + 200%, tempo -40%, beneficio in costi -45%
Rettifica pale delle turbine con NORTON QUANTUM-X
- Applicazione: Creep feed rettifica
- Pezzo: Turbine blades, Ni-alloy
- Competor: Newest technology
- Saint-Gobain: 5NQX 80 E28 VS3X
> Risultato: tempo -50%, durata disco +40%, beneficio in costi -25%
Sommario
Una produttività crescente generata da una maggiore velocità di asportazione del materiale e una riduzione dei danni termici. Questi componenti possono essere facilmente interpretati con l'energia specifica di rettifica Ec e la potenza di soglia PTH .
Con il VORTEX 2 e ALTOS la tecnologia Saint-Gobain offre due linee di prodotti, che hanno una porosità molto elevata e aperta e quindi diminuzione interazioni tra il legame e il pezzo. Essi consentono un processo di rettifica "fresco" anche ad altissime velocità di rimozione del materiale.
Inoltre, la grana Norton QUANTUM è stata sviluppata per utilizzare questi vantaggi alle condizioni di processo più "leggere" . Gli spigoli vengono creati a carichi ridotti, e la potenza di soglia PTH inferiore rende i prodotti adatti per un'ampia gamma di applicazioni.
La combinazione di queste tecnologie porta infine ad un nuovo livello di prestazioni, Norton QUANTUM-X; un prodotto che permette di rettificare aa tassi di rimozione del materiale inferiore e superiore Q'w e garantisce una rettifica efficiente senza danni termici.
Bibliografia
[Hube12] Huber, C.: Innovative grinding wheels for a cooler grinding strategy, Seminar “Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung”, 2012
[Malk89] Malkin, S. and Guo, C.: Grinding technology: theory and applications of machining with abrasives, ISBN 978-0-8311-3247-7 1, 1989
[Sgab13] Saint-Gobain Abrasives: Vitrium³ Reshaping the world of precision grinding, Brochure #2405, 2013
[Subr00] Subramanian, K.: The System Approach (Modern Machine Shop Books), ISBN 978-1569902554, Hanser Gardner Publications; 2000
[Uppa13] Uppal, S.: Grinding wheels that don’t cost the earth, Grinding & Surface Finishing, Special report 26/27, November 2013
[Zhan06] Zhang, W. Experimental and computational analysis of random cylinder packings with applications, PhD Diss. Louisiana State University, 2006