Analyse van poreuze bindingen voor precisie slijpen

Analyse van zeer poreuze bindingen voor precisie slijpen

Introductie

Productiviteit is één van de belangrijkste maatstaven voor toepassingen binnen industrieel slijpen. Van invloed hierop is de cyclus-tijd en de kwaliteit van het oppervlak. Deze twee factoren worden met name beïnvloed door de keuze van een slijpschijf. Een slijpschijf met de juiste korrel kan uw proces optimaliseren. Poreuze schijven met een homogene en open korrel worden daarom steeds belangrijker binnen de industrie. In het volgende artikel zal de invloed van poreusheid op de slijptoepassing worden uitgelegd en geïllustreerd.  

Natuurlijk gecreëerde poreuze structuren

Poreusheid is erg belangrijk voor een goede prestatie van de slijpschijf. Aan de ene kant ondersteunen de poriën - gelegen tussen de open korrels - de toevoer van koelvloeistoffen naar de slijpzone, maar ze zorgen er ook mede voor dat restmateriaal kan worden afgevoerd. Door het gebruik van dunnere harsbruggen in poreuze slijpschijven wordt de interactie tussen binding en werkstuk verkleind. Dit resulteert in minder schade door warmte  (Fig. 1).

Fig. 1: Interactie tussen de harsbinding en het werkstuk.

Vergeleken met een standaard binding (links) leidt de dunnere brug van de Vitrium³-binding tot een significant lagere thermische schade aan het werkstuk [SGA13].

Saint-Gobain ontwikkelde twee speciale processen om natuurlijke poreuze structuren te creëeren zonder kunstmatige stoffen te gebruiken, zoals bijvoorbeeld naftaline. Deze technologieën hebben een positieve impact op de eigenschappen van het gereedschap. Nog belangrijker, ze zijn een innovatieve ontwikkeling in de richting van het beschermen van het milieu [Uppa13]. 

Deze twee technologieën zijn VORTEX en ALTOS:

VORTEX 2: Om een poreuze en homogene structuur te verkrijgen heeft Saint-Gobain speciale korrels voor deze producten ontwikkeld. In Fig. 2 is te zien dat de zeer open structuur 29 geproduceerd kan worden met de VORTEX 2 technologie, terwijl andere producten met dezelfde poreusheid niet zo robuust zijn. 

Fig. 2: Vergelijking tussen standaard producten en de VORTEX 2. De Vortex-technologie zorgen voor veel poreuzere (en natuurlijk gecreëerde) producten dan de standaard producten [Hube12].

Een ander voordeel is de zeer homogene, open en doordringbare structuur van de slijpschijf. Dit is belangrijk voor een goede toevoer van de koelvloeistof in de slijpzone. Fig. 3 laat zien dat de kunstmatig gemaakte poriën in een product van een concurrent zorgde voor vele defecten en gaten, terwijl de VORTEX 2 schijf totaal homogeen is.

Fig. 3: Invloed van kunstmatige gemaakte poriën op homogeniteit. Met de VORTEX-technologie zijn de poriën open en gelijk verdeeld. 

ALTOS: Slijpschijven met ALTOS technologie worden geproduceerd met samengeperste (geëxtrueerde) keramische korrels (TG en TGX). Saint-Gobain ontwikkelt en produceert deze korrels (gesinterd aluminium) met een ander lengte/breedte ratio (TG = 4/1 en TGX = 8/1. De verlengde vorm van de korrel lijdt tot een open structuur, poreusheid en een hoge doordringbaarheid, zonder deze kunstmatig gemaakt te hebben. Berekeningen hebben laten zien dat deze verlengde korrels de optimale vorm hebben om zeer poreuze structuren te creëeren. Zie Fig. 4 [Zhan06].

Fig. 4: Illustratie van de hoge poreuze structuur van een ALTOS-wiel [Zhan06].

Impact van de poreuze structuur op het slijpproces

Het stroomgebruik kan worden gebruikt ter analyse van het slijpproces. Het wordt beïnvloed door micro- en macroscopische interacties tussen de korrel, de binding en het werkstuk. De slijtage, het afbrokkelen of de wrijving van de korrel [Subr00] zijn hierbij de belangrijkse aspecten. De slijpkracht P' is een lineare functie van het verspaningsratio. De volgende lineare regressie kan worden gebruikt [Malk89]: P‘ = Ec . Q‘w + P‘th

  • P‘: slijpkracht
  • Ec: slijpenergie (= hoek/helling van de lijn)
  • Q’w: verspaningsratio 
  • P’th: verbrandingslimiet (= intersectie met de P’-as)

Fig. 5 laat de trend zien van het stroomgebruik van de ALTOS, VORTEX 2 en slijpschijven met wit aluminium (EKw). De resultaten laten zien dat de slijpenergie van de ALTOS en de VORTEX 2 veel hoger is dan de slijpenergie van de witte aluminium schijf. Dit betekent:

  • Een hogere verspaning met dezelfde hoeveelheid kracht (…“slijpt sneller“)
  • Minder kracht met dezelfde verspaning (...“slijpt koeler“)

Bij het verspaningsratio (Q'w) laat de ALTOS een voordeel zien met betrekking op zijn hoge verspaning (Q' w), maar ook de VORTEX 2 is op ieder moment superieur ten opzichte van de witte aluminium. De verbrandingslimiet (P'th) van de VORTEX 2 en de witte aluminium schijf zijn vergelijkbaar, maar is zichtbaar hoger bij de ALTOS. Deze verbrandingslimiet laat zien bij welke slijpkracht korrelbreuk ontstaat. In Fig. 5 zien we dat de VORTEX 2 en de witte aluminium minder slijpkracht nodig hebben dan de ALTOS, de ALTOS zou dus beter op een andere regio kunnen worden gebruikt. 

Fig. 5: Slijpkracht P' tegenover het verspaningsratio Q'w voor wit aluminium (EKw), VORTEX 2 en ALTOS.

Waarom deze poreuze bindingen?

VORTEX 2: De hoge poreuze structuur van deze slijpschijf met dunnere harsbruggen verkleint de interactie en dus de wrijving tussen de binding en het werkstuk. Dit leidt tot minder slijpenergie (Ec) in vergelijking met de witte aluminium slijpschijf. De verbrandingslimiet is vergelijkbaar tussen beide. Deze laten beide hetzelfde gedrag zien qua korrelbreuk en scherpte van de schijf. 

ALTOS-slijpschijven worden gemaakt van de samengeperste (geëxtrueerde) keramische korrel TGX. Door de stugge en microkristalijne structuur ontstaat korrelbreuk bij deze schijf pas op een laat moment. De voordelen van de ALTOS zijn met name te zien bij hogere verspaningsratio's (Q'w): De hoge poreusheid ( = een lage interactie tussen binding/werkstuk) en de zelf-scherpende effecten van de korrel laat een extreem hoge verspaning toe bij een lage slijpkracht. Dit zonder warmte - schade op het werkstuk!

De volgende ontwikkeling?

Een belangrijk doel binnen Saint-Gobain is het ontwikkelen van slijpschijven voor een hoge verspaning en lage thermische schade; de blauwe zone in Fig. 5 laat deze doelstellingen zien. Hoge poreusheid en dunne harsbruggen zijn het juiste startpunt, er zijn hiernaast zeker nog andere richtingen op te gaan om korrelbreuk-gedrag te optimaliseren.

Fig. 6: SEM-foto: Microkristalijne structuur van de SG en Norton QUANTUM in de tweede fase.

 

De Norton QUANTUM-technologie heeft een minder taaie korrel dan de standaard SG. Dit komt door de tweede fase in de microkristalijne structuur. Het gedrag qua korrelbreuk wordt hier zodanig veranderd, dat breuken en nieuwe scherpe randen al worden gevormd bij een lagere belasting. Daarnaast verkleint dit de grens qua slijpkracht en is de verspaning tot wel 30% hoger bij dezelfde kracht. Deze eigenschappen garanderen het succes van de Norton Quantum slijpschijven tijdens vele toepassingen, bij hoge en lage verspaningsratio's.

De volgende stap is het combineren van deze technologieën:

VORTEX 2 + NORTON QUANTUM +VITRIUM³ = NORTON QUANTUM-X … is een zeer poreuze slijpschijf met dezelfde korreltechnologie als de Norton QUANTUM. Door de lage drempel met betrekking op de slijpkracht van de Norton QUANTUM-X kan deze bij lage verspaningsratio's worden gebruikt. De open structuur verlaagt de thermische interacties, waardoor de schijf ook bij hogere verspaningsratio's kan worden gebruikt. Dit zorgt voor een schijf bruikbaar in vele verschillende toepassingen!

Casussen

De volgende casussen laten producten zien welke productiviteit optimaliseren: Meer verspanen en kortere cyclustijden. Dit is gebaseerd op slijpschijven met een lage slijpenergie, veel power en een hoge poreusheid:

Het slijpen van tandwielen met de ALTOS

  • Toepassing: Het slijpen van profiel, Gleason-Pfauter
  • Werkstuk: 18 CrNiMo, 58-60 HRC, module 10
  • Competitie: Nieuwste Technologie
  • Saint-Gobain: TGX 120 F13 VCF5
  • Resultaat: Q’w + 200%, cyclus tijd -40%, besparing in kosten -45%

Het slijpen van turbine bladen met de NORTON QUANTUM-X

  • Toepassing: Kruip-slijpen  
  • Werkstuk: Turbine bladen, Ni-alloy
  • Competitie: Nieuwste technologie
  • Saint-Gobain: 5NQX 80 E28 VS3X
  • Resultaat: Cyclustijd  -50%, levensduur van de schijf +40%, kostenbesparing -25%
Samenvatting

Een verbeterde productiviteit door meer verspaning en minder thermische schade. Met de VORTEX 2 en de ALTOS technologie biedt Saint-Gobain twee productlijnen met een hoge poreusheid en een verminderde interactie tussen werkstuk en binding. Hierdoor is het slijpproces koeler, zelfs bij hoge verspaningsratio's. Daarnaast is de Norton QUANTUM korrel ontwikkeld om gebruik te maken van deze zachtere slijpcondities. Hierdoor product is geschikt voor vele verschillende toepassingen. De combinatie van beide technologieën leidt tot een nieuw performance-niveau, Norton QUANTUM-X; een product wat slijpen of hoge én lage verspaningsratio's mogelijk maakt. Dit garandeert efficient slijpen zonder thermische schade. 

Literatuur

[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