Podczas docierania powierzchni płaskich i płasko-równoległych, przy swobodnej aktywizacji tarczy docierającej mikroziarnami ściernymi, niezbędnym warunkiem realizacji obróbki jest odpowiednie dawkowanie zawiesiny ściernej. Zwykle w praktyce technologicznej dozowanie to jest zbyt obfite. Część mikroziaren zostaje bardzo szybko usunięta przez poruszające się przedmioty z powierzchni czynnej docieraka metalowego i nie bierze udziału w skrawaniu. W procesie szlifowania z kinematyką docierania, w miejsce żeliwnych lub dwumateriałowych tarcz docierających, wykorzystuje się monolityczne lub najczęściej segmentowe ściernice z syntetycznego diamentu lub regularnego azotku boru. Proces ten pozwala na uzyskanie jakości obrobionej powierzchni porównywalnej do docierania luźnym ścierniwem, przy jednoczesnym obniżeniu jednostkowych kosztów produkcji.
Adam Barylski
Współcześnie wiele specjalistycznych firm proponuje technologię, narzędzia i obrabiarki do szlifowania z kinematyką docierania (w literaturze stosowane są też określenia: mikroszlifowanie, gładzenie) powierzchni płaskich i płasko-równoległych na obrabiarkach jedno- i dwutarczowych [6, 7]. Szlifowanie na docierarkach jest stosunkowo nowym sposobem wykończeniowej obróbki ściernej, który został wprowadzony szerzej do praktyki pod koniec ubiegłego wieku. Proces ten pozwala na uzyskanie jakości obrobionej powierzchni porównywalnej do docierania, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji. Oszczędność ta wynika głównie ze skrócenia czasu obróbki, jak i z łatwiejszego oczyszczenia obrobionych elementów.
W procesie mikroszlifowania powierzchni płaskich i płasko-równoległych kinematyka obróbki jest identyczna jak dla docierania na standardowych docierarkach tarczowych [1, 3, 4]. Obecnie w praktyce przeważa szlifowanie na docierarkach dwutarczowych o kinematyce planetarnej (Rys. 1). Takie docierarki, o średnicach tarcz do 1800 mm, przystosowane do wyższych prędkości skrawania, wyposażone są w kilka separatorów przedmiotowych, portalowy sztywny korpus odlewany (zapewniający stabilizację cieplną i mechaniczną obrabiarki), w chłodzenie wymuszone tarcz docierających, obracających się z prędkością nawet do 350 min–1, wraz z możliwością częściowej lub pełnej automatyzacji załadunku i rozładunku obrabianych elementów, a także z dodatkowymi narzędziami szczotkowymi do usuwania zadziorów oraz wspomaganą komputerowo bezstykową kontrolą czynną i nadzorowaniem zdalnym. Elementy obrabiane na docierarce dwutarczowej rozmieszczane są w separatorach o konstrukcji zależnej od wielkości przedmiotów, zaś powierzchnie robocze narzędzi są okresowo obciągane (Rys. 2).
Rys. 2 Obciągacze stosowane w procesie szlifowania z kinematyką docierania; a) standardowy, b) typu vDD, c) rozmieszczenie obciągaczy w układzie wykonawczym obrabiarki
(źródło: Stähli)
Oprócz wytwarzania narzędzi jednolitych i tabletkowych, często segmenty ścierne mają również kształt heksagonalny (Rys. 3).
Stosowane są różne systemy rozmieszczenia tabletek ściernych na powierzchni czynnej narzędzia, zaś elementy obrabiane, zarówno metalowe, jak i ceramiczne, ułożone są równomiernie w separatorach na możliwie największym promieniu (Rys. 4).
Rys. 4 Przykłady rozmieszczenia szlifowanych elementów w separatorach, będących jednocześnie elementami układu wykonawczego obrabiarki (źródło: Xinxiang SKF Machinery)
W firmie Diamant-Werkzeuge Hameln, stosującej kilka odmian budowy i sposobów rozmieszczenia wkładek ściernych, szlifując elementy o średnicy 14 mm i wysokości 2,7 mm ze stali 100Cr6 (62HRC) narzędziami segmentowymi z CBN (usuwając naddatek 0,06 mm) uzyskano błędy: równoległości powierzchni 1 μm, płaskości powierzchni 0,8 μm i wartość parametru chropowatości Rz = 0,5 μm oraz zmniejszono czas obróbki partii (100 elementów) z 7 min 26 s (docieranie) do 3 min 1 s (szlifowanie), obniżając koszty technologiczne o 84% [8].
W szlifowaniu z kinematyką docierania wymagany jest taki dobór parametrów obróbki oraz właściwości segmentów ściernych i płynu obróbkowego, aby możliwe było usunięcie z powierzchni czynnej narzędzia produktów obróbki. W tym sposobie obróbki występuje zwiększone wydzielanie się ciepła w strefie skrawania, stąd stosowane w obrabiarkach systemy obiegowego chłodzenia wodnego narzędzi tarczowych.
Podstawowe warunki i efekty szlifowania to:
- szybkość usuwania materiału od kilku do 500 μm/min,
- prędkość obwodowa narzędzia od 10 do 600 m/min,
- jakość obrobionych powierzchni: płaskość i równoległość 1-2 μm (dla bardzo dokładnych elementów ceramicznych 0,6 μm, dla stopów metali w stanie twardym 0,3-0,35 μm),
- tolerancja wymiarów ±1 μm,
- stosowane wielkości ziaren: 180-46 (dla szczególnie dokładnych powierzchni są stosowane mikroziarna od 30-40 do 6-10 μm i mniejsze),
- jednoczesna obróbka wielu elementów, w zależności od wielkości, nawet ponad 150 (w kilka minut),
- automatyczny załadunek i rozładunek przedmiotów (nawet w czasie poniżej jednej minuty).
W procesach ściernej obróbki powierzchniowej istotnym problemem jest zmniejszenie ilości odpadów i obniżenie ich szkodliwości. Docieranie z użyciem zawiesin i emulsji zawierających materiał ścierny jest obciążone dużymi kosztami usuwania i utylizacji wypracowanego ścierniwa. Łączne koszty zagospodarowania (utylizacji) odpadów po tych procesach sięgają nawet 20% kosztów całkowitych. W procesie szlifowania z kinematyką docierania ilość szkodliwych odpadów została znacznie zredukowana. Zastosowanie środków smarująco-chłodzących na bazie wody i (lub) oleju zmniejsza ilość najtrudniejszych do unieszkodliwienia i zagospodarowania szlamów.
Do podstawowych zalet technologii mikroszlifowania, w odniesieniu do docierania konwencjonalnego, należy:
- zwiększona wydajność obróbki,
- porównywalne parametry chropowatości powierzchni i dokładności obróbki,
- możliwość stosowania bezpośrednio po obróbce kształtującej, a nawet zgrubnej,
- niższe koszty narzędziowe,
- znacznie niższe koszty utylizacji mediów technologicznych,
- znaczące zmniejszenie ilości odpadów,
- środki smarująco-chłodzące w obiegu zamkniętym,
- mniejsze nakłady związane z czyszczeniem obrabianych przedmiotów,
- potencjalnie duże możliwości automatyzacji procesu,
- możliwość kompensacji zużycia tarcz roboczych,
- większy zakres obrabianych materiałów, w tym trudno obrabialnych.
Przykłady różnego rodzaju elementów szlifowanych na docierarkach dwutarczowych zamieszczono na rysunku 5. Segmenty ścierne mogą mieć różne kształty, jak i rozmiary. Najpowszechniej stosowane są tabletki okrągłe (przeznaczone raczej do obróbki większych przedmiotów, o mniejszych wymaganiach dokładności wymiarowo-kształtowej) lub sześciokątne (przeznaczone do obróbki mniejszych przedmiotów).
Ważną kwestią jest dobór kleju w konstrukcjach klejonych, który musi spełniać nie tylko wymagania dotyczące wytrzymałości połączenia, ale i odporności na podwyższone temperatury, oraz oddziaływanie czynnika chłodzącego. Mikroszlifowanie powierzchni płaskich na docierarkach tarczowych wymaga spełnienia określonych warunków materiałowych, kinematycznych i technologicznych. W przypadku narzędzi jednolitych, mikroziarna ścierne powinny być równomiernie rozmieszczone w spoiwie. Dla ściernic o dużych wymiarach (o średnicach od 700 do 2000 mm) jest to wymóg technologicznie bardzo trudny do spełnienia.
Porównując pracę mikroziaren ściernych w docieraniu konwencjonalnym i mikroszlifowaniu można dostrzec wyraźne różnice. W docieraniu ziarna podawane kroplowo w zawiesinie lub w postaci pasty, obtaczają się między docierakiem a powierzchnią obrabianą i znajdują chwilowe osadzenie w docieraku metalowym. Tylko w tych momentach pracują jako ziarna utwierdzone, jak w procesie mikroszlifowania.
Kierunki głównego oddziaływania ziarna na materiał obrabiany w obu przypadkach nieco się różnią. W procesie docierania jest on zwykle prostopadły do powierzchni obrabianej, zaś w procesie mikroszlifowania jest to kierunek równoległy. Dla zaistnienia procesu skrawania w docieraniu musi nastąpić przekroczenie wytrzymałości na ściskanie materiału, zaś w procesie mikroszlifowania – wytrzymałości na ścinanie.
Praca mikroziaren ściernych ma też wpływ na wygląd powierzchni. Po docieraniu topografia powierzchni jest kraterowa. W procesie mikroszlifowania na powierzchni powstają zagłębienia, w postaci rys, z wypływkami materiału. Po procesie docierania uzyskuje się zwykle powierzchnię matową, o odpowiedniej chropowatości. Po mikroszlifowaniu powierzchnia jest od matowo-błyszczącej do błyszczącej, z rysami bez wyraźnego kierunku [5]. Podczas mikroszlifowania występuje stosunkowo duży hałas, głównie na skutek podwyższonych prędkości obrotowych ściernic.
Automatyzacja załadunku i rozładunku przedmiotów ze strefy obróbkowej podczas mikroszlifowania jest znacznie prostsza, gdyż nie występuje nadmierne zabrudzenie elementów i nie ma w związku z tym niebezpieczeństwa błędnej ich orientacji.
Ważną cechą w procesie docierania i mikroszlifowania, obok dokładnego wymiaru i małej chropowatości powierzchni, jest możliwość uzyskania małego błędu płaskości powierzchni. Ta odchyłka kształtu jest zależna głównie od płaskości powierzchni czynnej docieraka lub ściernicy. W przypadku docierania poprawienie jego płaskości uzyskuje się poprzez odpowiednie ustawienie pierścieni prowadzących lub zastosowanie korekcji kinematycznej w układzie wykonawczym (w docierarkach jednotarczowych) oraz pracochłonne czynności wyrównywania tarcz docierających (w obrabiarkach dwutarczowych). Można również zastosować przetoczenie metalowej tarczy docierającej. W przypadku narzędzi ściernych jednolitych można również mówić o możliwości zmiany trajektorii przedmiotów (korekcja kinematyczna płaskości narzędzia) lub zastosowanie konstrukcji składanej ścierno-metalowej, z tabletkami wysuwanymi indywidualnie lub rozmieszczanymi nierównomiernie (na podstawie wyników symulacji zużyciu kształtowego tarczy) na powierzchni czynnej narzędzia [2].
prof. dr hab. inż. Adam Barylski
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa
Bibliografia:
[1] Ardelt Th.: Belastung der Schleifscheiben beim Planschleifen mit Planetenkinematik. IDR, 2001, 2, s. 116-124
[2] Barylski A.: Obróbka powierzchni płaskich na docierarkach. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2013
[3] Chen J.P., Zhu Y.W., Wang X.B., Peng Y.N., Yao J.G., Ming S.: Relationship between mechanical properties and processing performance of agglomerated diamond abrasive compared with single diamond abrasive. Diam. Relat. Mater., 2019, 100:107595; doi.org/10.1016/.diamond.2019.107595
[4] Xiong Q., Nie X., Lu J., Yan Q., Deng J.: Processing performance of vitrified bonded fixed abrasive lapping. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 3(123), s. 1945-1955
[5] Stähli A.W., Stähli B.: Flat honing and lapping with two-wheel machines. Stähli Lapping Technology Ltd, Pieterlen/Biel, 2006
[6] Wang L.J., Hu Z.W., Chen Y., Yu Y.Q., Xu X.P.: Material removal mechanism of sapphire substrates with four crystal orientation by double-sided planetary grinding. Ceram. Int., 2020, 46, s. 7813-7822
[7] Wang W., Yu Y., Hu Z., Fang C., Lu J., Xu X.: Removal characteristics of sapphire lapping using composite plates with consciously patterned resinoid-bonded semifixed diamond grits. Crystals, 2020, 10(293); doi:10.3390/cryst10040293
[8] Materiały informacyjne firmy Diamant-Werkzeuge Hameln GmbH
artykuł pochodzi z wydania 1/2 (196/197) Styczeń/Luty 2024
