Analityczne aspekty systemów spoiw o wysokiej porowatości istotne dla szlifowania precyzyjnego
Wprowadzenie
Kluczowym parametrem w szlifowaniu precyzyjnym jest wydajność. Proces ten charakteryzuje czas cyklu i jakość powierzchni (wymiary, szorstkość, interakcja termiczna itd.), a te czynniki są uzależnione przede wszystkim od właściwości narzędzia szlifierskiego. Właściwy wybór ścierniwa – jakości i koncentracji ziarna ściernego, a także formuły spoiwa oraz jego struktury – służy do optymalizacji takiego narzędzia. Narzędzia ścierne o wysokiej porowatości, posiadające jednorodną i otwartą strukturę ziarna ściernego, zyskują coraz większe znaczenie w branży ściernej. Niniejszy tekst zawiera opis oraz ilustracje wyjaśniające wpływ porowatości materiału ściernego na wydajność szlifowania.
Struktury porowate niezawierające induktora porów
Porowatość to zdecydowanie jedna z najważniejszych właściwości ściernicy mająca pozytywny wpływ na wydajność. Z jednej strony pory pomagają w dopływie chłodziwa do strefy szlifowania, a z drugiej strony ułatwiają usuwanie odprysków i odpadów powstających podczas obróbki. Co więcej, dzięki zastosowaniu cieńszych łączeń między wiązaniami w systemach o wysokiej porowatości, interakcja między spoiwem a elementem obrabianym jest znacznie ograniczona, co przekłada się na niższą degradację termiczną i powstawanie uszkodzeń (rys. 1).
 | Rys. 1: Interakcja między spoiwem a elementem obrabianym. W porównaniu do standardowego spoiwa (po lewej), cieńsze wiązania zastosowane w spoiwie Vitrium³ (po prawej) zmniejszają ryzyko powstawania uszkodzeń termicznych elementu obrabianego [SGA13]. |
Firma Saint-Gobain opracowała dwa specjalistyczne procesy produkcji struktur o wysokiej porowatości bez konieczności stosowania induktorów porów, takich jak np. naftalen, które z reguły są stosowane w tej gałęzi przemysłu. Technologia ma pozytywny wpływ na właściwości narzędzi, a ponadto jest ważnym krokiem mającym na celu ochronę środowiska. [Uppa13]
Owe technologie to VORTEX i ALTOS:
VORTEX 2: W celu uzyskania jednorodnej struktury charakteryzującej się wysokim stopniem porowatości, przedsiębiorstwo Saint-Gobain opracowało specjalistyczne rodzaje ziaren ściernych dla swoich produktów. Na rys. 2 widać, że bardzo otwartą strukturę typu 29 można uzyskać wykorzystując technologię VORTEX 2, podczas gdy produkty ze standardowym spoiwem nie będą oferować dużej wytrzymałości przy tym stopniu porowatości.
 | Rys. 2: Porównanie między standardowymi produktami i VORTEX 2. Technologia Vortex umożliwia uzyskanie znacznie większej porowatości niż w przypadku standardowych produktów, bez konieczności stosowania induktora porów [Hube12]. |
Kolejną korzyścią jest bardzo jednorodna, otwarta i przepuszczalna struktura ściernicy, która ma kluczowe znaczenie dla podawania chłodziwa do strefy szlifowania. Rys. 3 pokazuje, że dodanie induktorów porów w procesie produkcji konkurencyjnego produktu skutkuje powstaniem wielu niedoskonałości i dziur, podczas gdy ściernica VORTEX 2 pozostaje całkowicie jednorodna.
 | Rys. 3: Wpływ induktora porów na jednorodność. Dzięki technologii VORTEX pory pozostają otwarte i równomiernie rozłożone na całej powierzchni ścierniwa. |
ALTOS: Ściernice wykorzystujące technologię ALTOS są wytwarzane przy użyciu ekstrudowanych ziaren ceramicznych (TG oraz TGX). Saint-Gobain opracowało i zajmuje się produkcją takich ziaren ceramicznych (węglika spiekanego) charakteryzujących się różnymi proporcjami długości i szerokości; TG = 4:1, a TGX = 8:1. Wydłużony kształt ziaren ściernych sprawia, że podczas procesu mieszania ziarna układają się w sposób losowy, a to z kolei prowadzi do powstania ścierniwa o otwartej porowatości i wysokiej przepuszczalności, bez konieczności stosowania induktorów porów. Obliczenia i modele dowodzą, że wydłużony kształt ziaren (przypominający pręciki) jest optymalny dla powstawania struktur o wysokim stopniu porowatości, co widać na rys. 4 [Zhan06].
 |  Rys. 4: Ilustracja przedstawia strukturę o wysokiej porowatości zastosowaną w ściernicach ALTOS oraz losową orientację cylindrycznych pręcików [Zhan06]. |
Wpływ struktury porowatej na proces szlifowania
Do prawidłowej analizy procesu szlifowania można wykorzystać pobór mocy. Jest on zależny od interakcji między ziarnem ściernym, spoiwem i elementem obrabianym na poziomie makro i mikroskopijnym. Do głównych komponentów należy tworzenie odprysków i zużycie ścierniwa, ale także posuw, poślizg i tarcie [Subr00]. Moc szlifowania P' można opisać jako funkcję liniową określonej wartości wskaźnika usuwania materiału Q'w. Poniższa regresja liniowa jest dobrym przybliżeniem [Malk89]:
P‘ = Ec . Q‘w + P‘th
Gdzie P‘: Moc właściwa Ec: właściwa energia szlifowania (= nachylenie linii) Q’w: właściwy współczynnik usuwania materiału P’th: właściwa moc progowa (= przecięcie z osią P’) Rys. 5 ilustruje tendencje poboru mocy w zakresie funkcjonalności dla ściernic ALTOS, VORTEX 2 oraz ściernic zawierających elektrokorund szlachetny (EKw). Z powyższego wynikają następujące wnioski: Właściwa energia szlifowania Ec: Mniejszy kąt nachylenia w ścierniwach ALTOS I VORTEX 2 w porównaniu do elektrokorundu szlachetnego dowodzi ich niższej wartości właściwej energii szlifowania Ec
To oznacza:
- Wyższy współczynnik usuwania materiału przy tej samej mocy (...„szybsze szlifowanie”)
- Niższą moc przy takim samym współczynniku usuwania materiału (...„szlifowanie chłodne”)
Szczególnie ALTOS pokazuje wyraźną przewagę wysokiej wartości Q'w, ale również VORTEX 2 jest lepszy od elektrokorundu szlachetnego pod każdym względem. Wartość mocy progowej Pth jest podobna dla VORTEX 2 i elektrokorundu szlachetnego, natomiast w przypadku ALTOS jest wyraźnie większa. Wartość mocy progowej Pth wskazuje, przy jakiej mocy rozpoczyna się proces pękania ziaren ściernych, a to oznacza znikomą ostateczną wartość współczynnika usuwania materiału. Uwzględniając niską wartość Q'w przedstawioną na rys. 5 można dostrzec, że VORTEX 2 i elektrokorund szlachetny wymagają niższej mocy niż ALTOS i tym samym nie jest to przedział, w którym powinno się używać ściernic ALTOS.
 | Rys. 5: Wartość mocy właściwej P' w porównaniu do właściwego współczynnika usuwania materiału Q'w dla elektrokorundu szlachetnego (EKw), VORTEX 2 oraz ALTOS w perspektywie innowacyjnych rozwiązań. |
Jaki jest cel tych badań?
VORTEX 2: Wysoki stopień porowatości struktury ściernicy oraz cieńsze wiązania w spoiwie redukują interakcję i tarcie między spoiwem a elementem obrabianym, co przekłada się na mniejszą właściwą energię szlifowania Ec w porównaniu do elektrokorundu szlachetnego. Zakres mocy progowej jest podobny, jako że ścierniwo VORTEX 2 wykazuje podobne zachowanie ziaren ściernych pod względem pękania oraz ostrości co elektrokorund szlachetny.
Ściernice ALTOS zawierają ekstrudowane ziarno ceramiczne TGX. Dzięki wytrzymałości i mikrokrystalicznej strukturze, wartość mocy progowej Pth inicjującej pękanie ziaren ściernych jest dość wysoka. Niemniej jednak korzyści, jakie dają ściernice ALTOS są przeważające przy wyższych wartościach współczynnika usuwania materiału Q'w: Wysoka porowatość (=niski stopień interakcji na linii spoiwo - element obrabiany) oraz właściwości samoostrzące ziarna ceramicznego (=efektywne tworzenie odprysków) umożliwiają osiągnięcie niezwykle wysokich wartości współczynnika usuwania materiału Q'w przy zastosowaniu niższej mocy P', bez ryzyka uszkodzeń termicznych elementu obrabianego!
Powyższe właściwości zostały udowodnione w wielu testach.
Kolejne kroki rozwoju
Głównym celem badań Saint-Gobain jest opracowanie ściernic oferujących wysoki współczynnik usuwania materiału przy niskim ryzyku uszkodzeń termicznych; niebieski obszar na rys. 5 przedstawia tę perspektywę. Wysoka porowatość oraz wytrzymałe i cienkie wiązania w spoiwie to z pewnością właściwa koncepcja, ale prowadzone są również badania w innych kierunkach, mające na celu poprawienie zachowania ścierniwa podczas pękania ziaren ściernych.
 | Rys. 6: Obrazy wykonane przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM): Mikrokrystaliczna struktura ziarna SG oraz Norton QUANTUM w drugiej fazie |
Technologia Norton QUANTUM umożliwia uzyskanie ziaren ściernych charakteryzujących się mniejszą wytrzymałością niż standardowe ziarno SG, co jest spowodowane występowaniem drugiej fazy w obrębie mikrokrystalicznej struktury. Zachowanie ziaren ściernych podczas pękania jest zatem znacznie zmienione, a to oznacza, że pęknięcia i ostre krawędzie skrawające powstają już przy niższym obciążeniu. Takie rozwiązanie przekłada się na niższą wartość mocy progowej Pth, a wartość współczynnika usuwania materiału przy zastosowaniu tej samej mocy może być wyższa o 30%. Takie właściwości gwarantują sukces ściernic Norton Quantum w wielu zastosowaniach, obejmujących zarówno wysoką, jak i niską wartość współczynnika Q'w.
Kolejnym krokiem jest połączenie powyższych technologii:
VORTEX 2 + NORTON QUANTUM +VITRIUM³= NORTON QUANTUM-X … to ściernica o wysokiej porowatości, która charakteryzuje się ponadto lepszym zachowaniem ziaren ściernych podczas pękania uzyskanym w wyniku zastosowania technologii Norton QUANTUM. Dzięki niskiej wartości mocy progowej Pth, technologię Norton QUANTUM-X można stosować przy niskim wskaźniku usuwania materiału Q'w, ale również przy wysokich wartościach tego współczynnika, gdyż otwarta porowatość ściernicy zmniejsza jej interakcję termiczną z elementem obrabianym. To znakomity początek dla nowej generacji uniwersalnych ściernic, odpowiednich dla każdego zastosowania!
Studia przypadków
Poniższe studia przypadków dowodzą, że dostępne są produkty oferujące optymalną wydajność: wyższe wartości współczynnika usuwania materiału oraz niższy czas cyklu, oparte na ściernicach o niskiej właściwej energii szlifowania, niskiej mocy progowej oraz wysokiej porowatości:
Szlifowanie kół zębatych za pomocą ściernic ALTOS
- Zastosowanie: Szlifowanie profilowe, Gleason-Pfauter
- Element obrabiany: 18 CrNiMo, 58-60 HRC, module 10
- Konkurencja: Najnowsza technologia
- Saint-Gobain: TGX 120 F13 VCF5
> Rezultat: Q’w + 200%, czas cyklu -40%, koszt -45%
Szlifowanie łopat turbin za pomocą ściernic NORTON QUANTUM-X
- Zastosowanie: Szlifowanie z posuwem pełzającym
- Element obrabiany: Łopaty turbin, stop niklu
- Konkurencja: Najnowsza technologia
- Saint-Gobain: 5NQX 80 E28 VS3X
> Rezultat: Czas cyklu -50%, żywotność ściernicy +40%, koszt -25%
Podsumowanie
Wyższa wydajność jest osiągana dzięki wyższym wartościom współczynnika usuwania materiału oraz redukcji uszkodzeń termicznych. Te elementy składowe można łatwo powiązać z właściwą energią szlifowania Ec oraz wskaźnikiem mocy progowej Pth. Dzięki technologiom VORTEX 2 oraz ALTOS Saint-Gobain oferuje dwie linie produktów, charakteryzujące się bardzo wysoką i otwartą porowatością, a co za tym idzie - mniejszą interakcją między spoiwem a elementem obrabianym. Takie rozwiązanie umożliwia chłodne szlifowanie nawet przy bardzo wysokim współczynniku usuwania materiału. Co więcej, ścierniwo Norton QUANTUM zostało opracowane z myślą o wykorzystywaniu tych właściwości podczas szlifowania materiałów o większym stopniu miękkości. Ostre krawędzie powstają przy niższym obciążeniu, a niska wartość mocy progowej Pth sprawia, że produkty sprawdzają się w wielu różnych zastosowaniach. Połączenie rozwiązań technologicznych opisanych powyżej skutkuje uzyskaniem nowego poziomu wydajności - Norton QUANTUM-X - produktu umożliwiającego szlifowanie przy niskich i wysokich wartościach współczynnika usuwania materiału Q'w oraz gwarantującego efektywność procesu szlifowania bez ryzyka wystąpienia uszkodzeń termicznych.
Literatura
[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