KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 BARBARA STANIEWICZ-BRUDNIK *, JAROSŁAW PLICHTA **, KRZYSZTOF NADOLNY ***, JUSTYNA PLUTA **** BADANIE EFEKTYWNOŚCI SZLIFOWANIA ŚCIERNICAMI CBN O PODWYŻSZONEJ POROWATOŚCI Z MIKROZIARNAMI KORUNDU SFERYCZNEGO W artykule przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych procesu szlifowania otworów. Szlifowanie prowadzono z użyciem nowo opracowanego narzędzia ściernego z regularnego azotku boru ze zredukowanym udziałem spoiwa i wypełniaczem z mikrokrystalicznego korundu sferycznego. Ocenie poddano właściwości skrawne oraz proces zużycia ściernic z CBN o podwyższonej porowatości. Słowa kluczowe: ściernice wielkoporowe, korund sferyczny, ziarna CBN 1. WPROWADZENIE Ciągłe dążenie do wydajnej, jakościowo odpowiedniej i ekonomicznie uzasadnionej obróbki ściernej wraz z ustawicznym rozwojem nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych wymaga doskonalenia i opracowywania nowych, niekonwencjonalnych narzędzi ściernych [1, 2]. Duże zainteresowanie na rynkach światowych wykorzystaniem ściernic wielkoporowych skłania do podjęcia intensywnych badań nad ściernicami o zredukowanym udziale spoiwa z regularnego azotku boru. Wprowadzenie mikroziaren korundu sferycznego do spoiwa narzędzi ściernych ze spoiwem ceramicznym pozwala uzyskać sztuczną porowatość w obrębie mostków wiążących ziarna ścierne, które w momencie destrukcji podczas obróbki tworzą otwarte przestrzenie. W przestrzeniach tych gromadzą się wióry materiału obrabianego i produkty zużycia ściernicy, zwiększając w ten sposób efektywność obróbki, zwłaszcza materiałów trudno obrabialnych. Konwencjonalne ściernice wielkoporowe wykazują często skłonność do zmian wy- * Dr inż. Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie (dawniej IOS). ** Dr hab. inż. *** Dr inż. Katedra Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej. **** Mgr inż.
78 B. Staniewicz-Brudnik, J. Plichta, K. Nadolny, J. Pluta dajności szlifowania, gdyż powstające wióry mogą wnikać głęboko w powierzchnię czynną narzędzia i zakłócać jego pozytywne właściwości, takie jak doprowadzanie cieczy chłodząco-smarującej czy odprowadzenie wiórów [2]. Wprowadzenie elektrokorundu pęcherzykowatego sprawia, że ściernica staje się bardziej otwarta, co zapobiega przenikaniu wiórów w strukturę narzędzia. Porowatość ujawnia się dopiero w efektywnej strefie obróbki. Ściernica pozostaje czysta i nie zamyka się, przez co stabilizują się właściwości skrawne w długich okresach jej pracy, co zapewnia dużą powtarzalność wyników obróbki [3]. Innowacyjne ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym wypełnionym elektrokorundem sferycznym opracowano w Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych tych ściernic. 2. NARZĘDZIA ŚCIERNE O ZRÓŻNICOWANEJ ZAWARTOŚCI KORUNDU SFERYCZNEGO W badaniach prowadzonych w Katedrze Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej wykorzystano innowacyjne narzędzia ścierne z CBN o różnej zawartości korundu sferycznego (0%, 5, %, 10%, 12%) firmy Treibacher (rys. 1). Mikroziarna tego materiału ściernego w postaci pęcherzykowatych cząstek sferycznych o średnicy <100 μm wprowadzone do masy ściernej czynnie uczestniczą w procesie szlifowania, w czasie którego otwierają się i umożliwiają magazynowanie długich ciągliwych wiórów powstających podczas obróbki miękkich, trudno obrabialnych materiałów. Ściernice obciągano z użyciem diamentowego obciągacza jednoziarnistego o masie 1,1 karata. Stan czynnej powierzchni badanych Rys. 1. Ziarna korundu sferycznego ściernic poddano ocenie z użyciem profilografometru ME 10, wykorzystując pro- Fig. 1. Bubble corundum grains gram Parametr, umożliwiający wyznaczenie parametrów liczbowych i funkcyjnych. Przykładowe zarysy badanych ściernic przedstawiono na rys. 2. Na podstawie analizy profili pokazanych na rys. 2 można stwierdzić, że wprowadzenie korundu sferycznego do spoiwa wpływa na rozwinięcie zarysu czynnej powierzchni ściernicy (zwiększenie porowatości). Zwiększa się średnia odległość między ziarnami regularnego azotku boru oraz średnia wysokość ziaren. Świadczy to o mniejszej liczbie ziaren potencjalnie aktywnych, które będą skrawały z rela-
Badanie efektywności szlifowania ściernicami CBN o podwyższonej porowatości 79 tywnie większymi przekrojami wiórów [3]. W procesie szlifowania ścianki korundu pęcherzykowatego poprzez otwieranie się umożliwią chwilowe magazynowanie wiórów w strefie pracy narzędzia. Rys. 2. Zarysy osiowe ściernic o różnym udziale korundu sferycznego: a) 0%, b) 5%, c) 10%, d) 12% Fig. 2. Axial profile of grinding wheels with different participation of bubble corundum: a) 0%, b) 5%, c) 10%, d) 12% 3. BADANIA EKSPLOATACYJNE 3.1. Metodyka badań Badania miały na celu rozpoznanie warunków i rezultatów procesu szlifowania otworów omawianymi ściernicami. Stanowisko badawcze (rys. 3) stanowiła szlifierka RUP 28P wyposażona w elektrowrzeciono firmy Fischer typu ev-70/70-2wb o maksymalnych obrotach 60 000 obr/min i mocy 5,2 kw. Szlifowano półwyroby łożysk tocznych, wykonane ze stali 100Cr6 o twardości 63±2 HRC, z dosuwem a e = 0,01 mm. Kolejne wartości zadawano, gdy moc szlifowania powracała do poziomu początkowego, aż do osiągnięcia całkowitej głębokości szlifowania a e cał = 0,5 mm, co odpowiada objętości usuniętego materiału V w na poziomie 1200 mm 3. Badania prowadzono z trzema wartościami prędkości szlifowania: v s = 30, 45, 60 m/s. Rys. 3. Stanowisko badawcze Fig. 3. Reserches position
80 B. Staniewicz-Brudnik, J. Plichta, K. Nadolny, J. Pluta Mierzono czas usunięcia materiału oraz parametry chropowatości i błędy kształtu powierzchni przeszlifowanych pierścieni. 3.2. Wyniki badań eksploatacyjnych Na podstawie opracowanych wyników można stwierdzić, że wzrost zawartości korundu sferycznego w spoiwie poprawia właściwości skrawne ściernic. Wraz ze wzrostem prędkości szlifowania czas usunięcia zadanej objętości materiału (1200 mm 3 ) jest krótszy dla ściernic z większą zawartością korundu (rys. 4). T 0% 5% 10% 12% 18:00 15:00 12:00 09:00 06:00 03:00 00:00 30 45 60 v s [m/s] Rys. 4. Czas usunięcia 1200 mm 3 materiału w funkcji prędkości szlifowania v s dla ściernic o zróżnicowanej zawartości korundu sferycznego Fig. 4. Grinding material volume 1200 mm 3 remove time in function of grinding speed v s for grinding wheels with different contents of bubble corundum Użycie tych narzędzi ściernych pozwoli na znaczące zwiększenie wydajności obróbki, szczególnie prowadzonej z większą prędkością szlifowania. Otwieranie porów w wyniku destrukcji ziaren sferycznych odbywa się tylko w warstwie przypowierzchniowej, co zapobiega wnikaniu wiórów i ułatwia ich usuwanie (rys. 5). Ściernice charakteryzują się dobrą odnową i stabilizacją stanu czynnej powierzchni. Rys. 5. Czynna powierzchnia ściernicy 1A1 CBN/B126 35 5 10 10 o zawartości 6% korundu sferycznego Fig. 5. Active surface of 1A1 CBN/B126 35 5 10 10 grinding wheel with 6% of bubble corundum
Badanie efektywności szlifowania ściernicami CBN o podwyższonej porowatości 81 Parametr chropowatości Ra powierzchni szlifowanych ściernicami o większej zawartości korundu osiąga wartości 0,2-0,29 μm. Nasuwa się wniosek, że większa zawartość korundu wpływa na polepszenie chropowatości powierzchni obrobionej, co jest dobrze widoczne podczas szlifowania z prędkością 60 m/s (rys. 6). Jest to spowodowane wzrostem liczby aktywnych mikrowierzchołków na krawędziach ścian korundu sferycznego, które dodatkowo biorą udział w wygładzaniu powierzchni. R a [μm] 0,6 0% 5% 10% 12% 0,5 0,4 Rys. 6. Chropowatość powierzchni obrobionej Ra w funkcji prędkości szlifowania dla ściernic o różnej zawartości korundu sferycznego Fig. 6. Roughness of grinding surface Ra in function of grinding speed v s for grinding wheels with different contents of bubble corundum 0,3 0,2 0,1 0,0 30 45 60 v s [m/s] 4. BADANIA ZUŻYCIA ŚCIERNIC 4.1. Metodyka badań Trwałość narzędzi ściernych o zróżnicowanej zawartości korundu sferycznego badano w procesie szlifowania aż do usunięcia 18 000 mm 3 materiału. Po zeszlifowaniu kolejnych 3600 mm 3 mierzono średnicę, profil, błędy kształtu ściernicy oraz chropowatość powierzchni przedmiotu obrabianego. Badania prowadzono dla następujących parametrów obróbki: v s = 60 m/s, a e = = 0,01 mm/przejście, n w = 250 obr/min. 4.2. Wyniki badań eksploatacyjnych W wyniku badań stwierdzono, że większy udział korundu sferycznego wpływa na stabilizację chropowatości powierzchni obrobionej, nawet z nieznacznym zmniejszeniem wartości parametru Ra powierzchni kolejno szlifowanych pierścieni (rys. 7). Wprowadzone do masy ściernej ziarna korundu sferycznego czynnie uczestniczą w procesie szlifowania. Wióry powstające w efektywnej strefie szlifowania wyłamują sferę mikroziaren korundu, w następstwie czego ich boczne ściany zaczynają szlifować i następuje wygładzanie powierzchni.
82 B. Staniewicz-Brudnik, J. Plichta, K. Nadolny, J. Pluta R a [μm] 0,8 0% 5% 10% 12% 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 1 2 3 4 5 Liczba przeszlifowaych pierścieni Rys. 7. Chropowatość powierzchni przedmiotów obrabianych wyrażona parametrem Ra w funkcji liczby przeszlifowanych pierścieni Fig. 7. Roughness of grinded workpieces surface express by Ra parameter in function of ground rings number Wysokość wierzchołków ziaren ściernych ściernic z większą zawartością korundu jest nieco większa niż ziaren ściernic konwencjonalnych, co może być spowodowane otwarciem struktury ściernicy i ujawnianiem porowatości korundu w obrębie mostków wiążących ziarna ścierne (rys. 8). R z [μm] 140 0% 5% 10% 12% 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 Liczba przeszlifowaych pierścieni Rys. 8. Wysokość wierzchołków zarysu CPS w funkcji liczby przeszlifowanych pierścieni Fig. 8. Height of grinding wheel active surface profile vertexes in function of ground rings number Analizując zmiany zarysów obwodowych CPS (tabl. 1), można zauważyć, że ściernice z CBN domieszkowane korundem sferycznym charakteryzują się równomiernym obciążeniem wzdłuż całego obwodu podczas szlifowania. Prowadzi to do zmniejszenia lokalnych odchyłek zarysu obwodowego tych ściernic i zmniejszenia ich zużycia objętościowego. Wraz ze wzrostem udziału korundu i wydłużeniem czasu pracy narzędzia sumaryczny błąd odchyłki okrągłości (P + V) ma tendencję spadkową, stabilizuje się i oscyluje wokół wartości 5 μm.
Badanie efektywności szlifowania ściernicami CBN o podwyższonej porowatości 83 Tablica 1 Zmiany zarysów obwodowych CPS po przeszlifowaniu kolejnych partii otworów Variations of the circumferential CPS profiles after grinding of consecutive batches of holes Zawartość korundu sferycznego Po obróbce 1 otworu (V w = 3600 mm 3 ) Po obróbce 5 otworów (V w = 18 000 mm 3 ) 0% P + V = 2 μm rms = 0,3 μm P + V = 4,5 μm rms = 0,8 μm 5% P + V = 9 μm rms =1 μm P + V = 7,7 μm rms = 1,1 μm 10% P + V = 8,3 μm rms = 1,1 μm P + V = 4,8 μm rms = 0,7 μm 12% P + V = 2,2 μm rms = 0,4 μm P + V = 2,6 μm rms = 0,5 μm 5. PODSUMOWANIE Badania wykonane z użyciem innowacyjnych narzędzi ściernych z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym domieszkowanym korundem sferycznym wykazały, że możliwe jest zwiększenie wydajności szlifowania, trwałości narzędzia i jakości powierzchni przedmiotu obrobionego. Wprowadzenie ziaren korundu sferycznego spowodowało powstanie w spoiwie dodatkowych,
84 B. Staniewicz-Brudnik, J. Plichta, K. Nadolny, J. Pluta płytkich miejsc do magazynowania ciągliwego wióra w efektywnej strefie skrawania. Zapobiegało to procesowi zalepiania ściernicy, pozostawała ona czysta. W rezultacie właściwości skrawne ściernic pozostały stabilne przez długi czas ich pracy i zapewniły dużą powtarzalność wyników obróbki. LITERATURA [1] Niżankowski C., Przybylski L., Materiały i narzędzia ścierne trendy rozwoju w XXI wieku, in: XXV Naukowa Szkoła Obróbki ściernej, Wrocław Duszniki Zdrój, 11-14 września 2002, s. 17 32. [2] Oczoś K.E., Materiały, narzędzia i obrabiarki do obróbki ściernej na EMO 2001 w Hanowerze, Mechanik, 2002, nr 2, s. 69 70. [3] Staniewicz-Brudnik B., Plichta J., Nadolny K., Ściernice wielkoporowe z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym domieszkowanym korundem sferycznym, in: Materiały XXVIII Naukowej Szkoły Obróbki ściernej, Koszalin 2004, s. 75 81. Praca wpłynęła do Redakcji: 27.04.2005 Recenzent: dr hab. inż. Edmund Weiss THE INVESTIGATION OF THE EFFICIENCY OF THE GRINDING PROCESS WITH HIGH POROSITY CBN WHEELS ADMIXTURED BY MICROCRISTALINE BUBBLES OF OXIDE ALUMINA S u m m a r y The paper presents the result of an investigation of a grinding process of holes. The grinding process was achieved with use of new high porosity CBN grinding tools made of microcrystalline bubbles of oxide alumina. It investigated their cutting/machining properties and the course of the process of wear of the high porosity CBN grinding wheels. Key words: bubble corundum, high porosity CBN grinding wheels, abrasive grains CBN