328 MECHANIK NR 9/2014 Wpływ impregnatu silikonowo-grafitowego na właściwości eksploatacyjne ściernicy w procesie szlifowania otworów w superstopach niklu The silicone-graphite impregnate influence on a grinding wheel performance in the internal cylindrical grinding process of Ni-based superalloys MICHAŁ WOJTEWICZ KRZYSZTOF NADOLNY WALERY SIENICKI DANIELA HERMAN* Prowadzone badania procesu szlifowania nadstopów niklu ściernicami impregnowanymi pierwiastkami niemetalicznymi (siarka, węgiel amorficzny, grafit) wykazały możliwość znaczącego ograniczenia zjawiska zalepiania czynnej powierzchni ściernicy wiórami materiału obrabianego oraz innymi produktami szlifowania. Wyniki badań prowadzonych z zastosowaniem silikonu jako środka impregnującego wykazały natomiast możliwość uzyskania powierzchni obrobionej o polepszonej jakości w porównaniu z wynikami szlifowania uzyskanymi ściernicami nieimpregnowanymi. W niniejszym artykule opisane zostały rezultaty badań doświadczalnych procesu szlifowania walcowych powierzchni wewnętrznych stopu INCOLOY alloy 800HT ściernicą z impregnatem silikonowo-grafito-wym. Analizie poddano wybrane parametry chropowatości powierzchni obrobionej, moc szlifowania oraz stan czynnej powierzchni ściernicy w okresie jej trwałości. SŁOWA KLUCZOWE: INCOLOY alloy 800HT, szlifowanie otworów, impregnacja, stopy niklu Conduced research of the grinding process of Ni-based superalloys with non-metallic elements impregnated grinding wheels (with sulphur, amorphous carbon, graphite) have shown one of the ways of preventing excessive growth of smearings/cloggings/loads on the grinding wheel surface. Moreover, the introduction of silicone into the grinding * mgr inż. Michał Wojtewicz (michal.wojtewicz@tu.koszalin.pl), dr hab. inż. Krzysztof Nadolny (krzysztof.nadolny@tu.koszalin.pl), dr hab. inż. Walery SIenicki (walery.sienicki@tu.koszalin.pl), dr hab. inż. Daniela Heman (daniela.herman@tu.koszalin.pl) wheel volume during the process of impregnation have led to the workpiece surface improvement. This article describes the results of the internal cylindrical grinding process of INCOLOY alloy 800HT with grinding wheels which were treated with the graphite-silicone impregnate. The life of the wheel, machined surface roughness, grinding power were analyzed. KEYWORDS: INCOLOY alloy 800HT, internal cylindrical grinding, impregnation, treatment, Ni-based superalloys Wprowadzenie Nikiel oraz jego stopy, znane także jako nadstopy lub superstopy, stanowią około 40 50% całkowitej masy turbin samolotowych i najczęściej są wykorzystywane do produkcji elementów silników takich jak komory spalania i elementów turbin, które podczas pracy narażone są na wysokie temperatury [1]. Dodatkowo stopy niklu odznaczają się dużą wytrzymałością, która utrzymuje się w wysokich temperaturach, jak również wysoką odpornością na korozję czy utlenianie. To właśnie te cechy sprawiają, że stopy niklu mają dużą przewagę nad innymi materiałami takimi jak np. stale stopowe [2]. Wysokie naprężenia powstające podczas obróbki wiórowej superstopów niklu powodują ich umocnienie, co znacznie utrudnia lub może uniemożliwić ich dalszą obróbkę [3]. Ze względu na właściwości stopu oraz rodzaj dodatków stopowych, superstopy niklu można podzielić na 5 grup oznaczonych literowo od A do E i 2 podgrupy: D1 i D2 [2,3].
MECHANIK NR 9/2014 329 Do grupy A zaliczane są stopy, które zawierają 95% i więcej niklu. Stopy z tej grupy posiadają umiarkowaną wytrzymałość mechaniczną i wysoką twardość. Swoje właściwości utrzymują tylko podczas pracy w niskich temperaturach. W wysokich temperaturach stają się ciągliwe dlatego też producent do ich obróbki wskazuje metodę przeciągania na zimno aby uzyskać najlepsze efekty. Do tych stopów zaliczane są: Nikiel 200, 201, 205, 212, 222. Grupa B składa się w głównej mierze ze stopów nikiel- -miedź. Stopy z tej grupy wykazują wyższą wytrzymałość i nieco mniejszą twardość w porównaniu ze stopami z grupy A. Obróbka zalecana przez producentów to ciągnienie na zimno lub ciągnienie na zimno z wyżarzaniem odprężającym. Do grupy B zalicza się stopy: MONEL alloy 400 (UNS N04400), 401(UNS N04401),450 (UNS N04405); FERRY alloy (W. Nr. 2.0842); Invar 36 alloy (Fe64Ni36), Invar 48 alloy (Fe52Ni48); Kovar alloy (UNS K94610) oraz INCO alloy MS-250. Do grupy C zalicza się szeroką gamę stopów, które składem zbliżone są do austenitycznej stali nierdzewnej. Główne pierwiastki jakie tworzą tą grupę stopów to nikiel-chrom- -żelazo. Zalecane warunki obróbki są takie same jak w grupie B. W tej grupie można wymienić takie stopy jak: NICKEL 270 (UNS N02270); MONEL alloy K-500 (UNS N05500) (hartowany bez procesu starzenia); INCONEL alloy 600 (UNS N06600), 601 (UNS N06601), 690 (UNS N06690); NIMONIC alloy 75 (UNS N06075), 86; INCOLOY alloy 800 (UNS N08800), 800HT (UNS N08811), 802 (UNS N08802), 825 UNS N08825), DS TM (W. Nr. 1.4862), INCO alloy 330 (UNS N08330), 020 (UNS N08020). Grupa D zawiera głównie stopy niklu, które przy hartowaniu łatwo można poddać procesowi starzenia. Zawiera dwie podgrupy: D1 i D2. Podgrupa D1 charakteryzuje stopy które nie zostały poddane procesowi starzenia i są to DU- RANICKEL alloy 301 (UNS N03301); INCOLOY alloy 925 (UNS N09925), MA956 (UNS S67956) oraz NI-SPAN-C alloy 902 (UNS N09902), Podgrupa D2 zawiera stopy niklu z podgrupy D1 poddane procesowi starzenia oraz kilka stopów zarówno poddanych jak i nie poddanych na proces starzenia, m.in. DURANICKEL alloy 301; MONEL alloy K- 500 (poddane procesowi starzenia); INCONEL alloy 617 (UNS N06617), 625 (UNS N06625), 706 (UNS N09706), 718 (UNS N07718), X-750 (UNS N07750), 751 (UNS N07751), MA754 (UNS N07754), G-3 (UNS N06985), HX (UNS N06002); NIMONIC alloy 80A (UNS N07080), 81 TM, 90 (UNS N07090), 105 (W. Nr. 2.4634), 115 (W. Nr. 2.4636), 263 (UNS N07263), 901 (UNS N09901), PE11 TM, PE16 TM, PK50 TM ; INCOLOY alloy 903 (UNS N19903), 907 (UNS N19907), 909 (UNS N19909); NI-SPAN-C alloy 902 (poddany procesowi starzenia), HASTELLOY alloy C-276 (UNS N10276). Do grupy E należy tylko MONEL alloy R-405 (UNS N04405). Stop ten został zaprojektowany do uzyskania wysokiej wydajności produkcji np. w operacjach toczenia. MONEL alloy R-405 twardością, wytrzymałością i odpornością na korozję przypomina MONEL alloy R-400 i jednocześnie jest łatwy w obróbce. Jednakże powierzchnia obrobiona nie jest tak dobrej jakości jak w przypadku stopu MONEL alloy R-405. Według producentów superstopów niklu ich szlifowanie nie różni się znacząco od procesów szlifowania stali. Zalecane jest stosowanie małych wartości posuwów oraz stosowanie dużego wydatku płynów chłodząco-smarujących. Zaleca się stosowanie ściernic wykonanych z węglika krzemu do szlifowania stopów z grupy A, B, D1 oraz E, dla stopów grupy C oraz D2 najlepsze są ściernice korundowe o numerze ziarna 46-60. Nie można się jednak z tym zgodzić. Z wyników badań przedstawionych w pracy Neslušan'a wynika, że nawet bardzo zachowawcze szlifowanie z użyciem konwencjonalnych parametrów skutkuje znacznym obniżeniem wytrzymałości zmęczeniowej co prowadzi do uzyskania powierzchni niskiej jakości. Neslušan podaje również, że podczas szlifowania tego typu materiałów występują duże siły adhezji wiórów materiału obrabianego do powierzchni czynnej ściernicy, co jest bezpośrednią przyczyną zalepiania narzędzi. Badania Lipták'a [5] wskazują, że najlepsze efekty obróbki można uzyskać przez stosowanie ściernic diamentowych oraz z regularnego azotku boru (cbn). Jednak te narzędzia są bardzo drogie w porównaniu do konwencjonalnych, wykonanych z węglika krzemu SiC czy korundu spiekanego Al 2O 3. Istnieje wiele metod ograniczających adhezję materiału obrabianego do czynnej powierzchni ściernicy. Jedna z nich polega na stosowaniu intensywnego chłodzenia. Zaleca się stosowanie bezsiarkowych wodnych emulsji jako płynów chłodząco-smarujących (PCS) w procesie szlifowania, ale to nie wystarcza aby skutecznie przeciwdziałać adhezji, która występuje podczas szlifowania stopów niklu. W 1995 Webster [6] zaproponował stosowanie różnego rodzaju dysz czyszczących m. in. były to dysze trzewikowe, inżektorowe, dwustrumieniowe, iglicowe etc. Można również wykorzystać metodę MQL (minimum quantity lubrication). Metoda MQL jest techniką, w której zamiast stosowania samej cieczy obróbkowej, stosuje się jej mieszaninę z powietrzem (aerozol). Taką mieszaninę wtryskuje się bezpośrednio w strefę obróbki. To powoduje, że zapotrzebowanie na ciecze chłodząco-smarujące jest wielokrotnie niższe w porównaniu z konwencjonalnym szlifowaniem przy uzyskiwaniu podobnych rezultatów. Do dziś trwają prace nad udoskonaleniem sposobów podawania chłodziwa do strefy szlifowania w celu ograniczenia zjawiska adhezji. I tak w 2012 Danilo de Jesus Oliveira [7] podjął problem ustawienia kąta dyszy czyszczącej względem ściernicy, gdzie jako medium czyszczące wykorzystał sprężone powietrze przy jednoczesnym stosowaniu MQL. Takie rozwiązanie pozwoliło na uzyskanie lepszych rezultatów w porównaniu do "tradycyjnej" metody MQL. Metody te co prawda szeroko opisane w licznych publikacjach znajdują zastosowanie tylko w przypadku szlifowania powierzchni płaskich lub zewnętrznych powierzchni walcowych. W przypadku szlifowania wewnętrznych powierzchni walcowych metody te mają ograniczone zastosowanie. Wiąże się to przede wszystkim z nierównomiernym podawaniem płynu chłodząco-smarującego, którego skuteczność zmniejsza się wraz z przesuwaniem się ściernicy w głąb otworu. Ponadto tylko niewielka część PCS trafia do strefy obróbki, co powoduje, że stopień wykorzystania jego właściwości jest niewielki. Możliwe jest również stosowanie ściernic segmentowych. Są to ściernice zbudowane z segmentów ściernych rozmieszczonych w różnych konfiguracjach na jej obwodzie. Do zalet stosowania ściernic segmentowych można przypisać możliwość uzyskania nieciągłości czynnej powierzchni ściernicy, możliwość doprowadzenia płynu chłodząco smarującego do strefy szlifowania pomiędzy segmentami ściernymi, możliwość wprowadzania segmentów ze smarem stałym, zwiększenie dokładności obróbki, zwiększenie wydajności ubytkowej szlifowania czy wydłużenie okresu trwałości ściernicy. Niestety wadą jest zwiększenie kosztów ściernicy spowodowane budową segmentową [8-10]. Szlifując wewnętrzne powierzchnie walcowe najkorzystniejsze efekty można uzyskać stosując chłodzenie odśrodkowe. Metoda z zastosowaniem chłodzenia odśrodkowego
330 MECHANIK NR 9/2014 została opisana przez autorów w pracy [11]. Polegała ona na podawaniu mgły olejowej odśrodkowo, od wewnątrz specjalnie zaprojektowanego trzpienia szlifierskiego przez ściernicę, z użyciem sześciodyszowej głowicy dookólnej ZR-K 360, a następnie przez pory ściernicy PCS trafiał do strefy obróbki. Inny sposób chłodzenia odśrodkowego przedstawił w swoich badaniach Jan C. Aurich [12]. Jego rozwiązanie polegało na doprowadzaniu PCS dzięki sile odśrodkowej do strefy szlifowania przez specjalnie przygotowane otwory/kanaliki w ściernicy. Kolejną możliwość redukcji adhezji materiału obrabianego do CPS daje stosowanie ściernic wielkoporowych. Neslušan [4] opisał stosowanie ściernic Vortex jako przykład ściernic wielkoporowych produkowanych przez firmę Norton Company. Wykazał on, że stosowanie ściernic tego typu korzystnie wpływa na redukcję adhezji jednocześnie poprawiając jakość powierzchni obrobionej dzięki czemu proces jest bardziej stabilny. Jednocześnie stwierdził, że wielkość przestrzeni międzyziarnowych i rodzaj spoiwa odgrywają istotną rolę w szlifowaniu tego typu materiałów. Innym sposobem przeciwdziałania adhezji podczas szlifowania jest impregnacja, czyli wprowadzenie w przestrzenie międzyziarnowe czynnej powierzchni ściernicy dodatkowych substancji chemicznych takich jak siarka, grafit, silikon lub ich mieszaniny. Wcześniejsze badania autorów wykazały korzystny wpływ stosowania impregnatów w postaci siarki, grafitu, czy węgla amorficznego na poprawę właściwości eksploatacyjnych ściernic wielkoporowych wykonanych z elektrokorundu spiekanego SG [13,14]. Silikon (związek z rodziny silanów) natomiast nie sprawdził się jako środek antyadhezyjny lecz wykazał właściwości poprawiające jakość powierzchni obrobionej [15]. Nie jest to rozwiązanie nowe (pierwsze wzmianki o impregnacji siarką pojawiają się już w latach dwudziestych ubiegłego wieku), jest natomiast stosowane do dnia dzisiejszego. Ciągle trwają prace nad udoskonalaniem metod impregnacji lub możliwości zastosowania innych preparatów w celu uzyskania efektu smarnego lub antyadhezyjnego. Celem niniejszego artykułu jest określenie wpływu zastosowania mieszaniny silikonowo-grafitowej jako środka impregnującego na możliwość redukcji stopnia zalepienia powierzchni czynnej ściernicy oraz poprawę jakości powierzchni obrobionej w procesie szlifowania stopu INCO- LOY alloy 800HT. Impregnacja ściernic Impregnacja to wprowadzenie do objętości ściernicy dodatkowych substancji chemicznych w celu poprawy jej właściwości eksploatacyjnych. Aby do ściernicy wprowadzić silikon wraz z grafitem początkowo sporządzono roztwór koloidalny silikonu jako nośnika dla proszku grafitowego. Koloidalny silikon uzyskano poddając procesowi peptyzacji Silikon Uniwersalny firmy Soudal. Jako fazy rozpraszającej użyto tetrachloroetylenu w proporcjach 107,249 g silikonu oraz 84,372 g czterochlorku etylenu, dzięki czemu uzyskano konsystencję, która łatwo wnika w przestrzenie międzyziarnowe ściernicy. Dodatkowo do mieszaniny dodano 4,5 g proszku grafitowego o granulacji, w której ponad 70% ziaren znajdowała się w przedziale 0-30 μm (rys. 1). Po odparowaniu tetrachloroetylenu silikon ulegał sieciowaniu (utwardzaniu) pod wpływem wilgoci znajdującej się w powietrzu. Jako środek sieciujący wykorzystano metylotriacetoksysilan, który pod wpływem wilgoci łatwo reaguje z grupami silanolowymi, łącząc łańcuchy siloksanowe Rys. 1. Krzywa kumulacyjna uziarnienia grafitu wykres w skali logarytmicznej przedstawiający udział poszczególnych frakcji uziarnienia grafitu w pyle grafitowym z wydzieleniem kwasu octowego, wg ogólnego równania reakcji (1) [16]. ~ 2 ~ ~ ~ (1) Ubytek masy na skutek polimeryzacji wynosił 2,63%. Grafit stanowił zatem 4,13% całkowitej masy impregnatu (po usieciowaniu silikonu). Trzy ściernice o oznaczeniu technicznym 1-35 10 10- SG/F46G10VTO poddano impregnacji. Każdą ze ściernic mocowano w uchwycie i następnie umieszczano w lejku Bϋchnera sprzężonym z kolbą Bϋchnera i pompą wodną. W ten sposób nasycanie ściernicy następowało w warunkach zmniejszonego ciśnienia po uprzednim wlaniu niewielkiej ilości mieszaniny od czoła ściernicy. Średni przyrost masy ściernic wynosił 8,70%, odchylenie standardowe kształtowało się na poziomie 0,22%. Średnia masa grafitu dla trzech ściernic wynosiła 0,062 g, odchylenie standardowe 0,0016 g. Widok ogólny stanowiska do impregnacji ściernic został przedstawiony na rysunku 2. Badania doświadczalne procesu szlifowania Celem badań doświadczalnych było wyznaczenie wpływu wprowadzenia do objętości ściernicy impregnatu silikonowografitowego na przebieg i efekty procesu szlifowania prostoliniowo-zwrotnego walcowych powierzchni wewnętrznych wykonanych ze stopu INCOLOY alloy 800HT. Wyniki badań prowadzonych z zastosowaniem ściernicy impregnowanej odniesiono do rezultatów uzyskanych ściernicą referencyjną, nieimpregnowaną. Metodyka badań W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę szlifowanego superstopu niklu, natomiast tabela 2 prezentuje najważniejsze informacje o warunkach badań.
MECHANIK NR 9/2014 331 Podstaw Nauki o Materiałach i Ceramiki Technicznej Instytutu Technologii i Edukacji Politechniki Koszalińskiej. Obrabiano walcowe powierzchnie wewnętrzne pierścieni wykonanych ze stopu INCOLOY alloy 800HT. Badania prowadzono w celu określenia okresu trwałości badanych ściernic, przyjmując jako kryterium zużycia ściernicy przekroczenie wartości granicznej mocy szlifowania Pg = 500 W, ustalonej na podstawie badań rozpoznawczych. W trakcie badań rejestrowano moc szlifowania, zużycie objętościowe ściernicy oraz parametry chropowatości powierzchni obrobionej z użyciem profilometru stykowego Surtronic 3P firmy Rank-Taylor Hobson. Ocenę stanu czynnej powierzchni ściernicy po szlifowaniu przeprowadzono na podstawie obrazów zarejestrowanych z wykorzystaniem laserowego mikroskopu pomiarowego LEXT OLS4000 firmy Olympus. Analiza wyników badań Rys. 2. Widok ogólny stanowiska do impregnacji ściernic w warunkach zmniejszonego ciśnienia Tab. 1. Charakterystyka szlifowanego superstopu niklu Materiał Nr materiału INCOLOY alloy 800HT 1.4876 Norma UNS N08811 ASTM B407 Skład chemiczny i udział procentowy pierwiastków, % C (0,062), Mn (1,0), Si (0,16), S (0,008), P (0,013), Mo ( ), Cr (21,50), Ni (32,80), Ti (0,52), Cu ( ), Al (0,4), Nb ( ), Fe (reszta) Tab. 2. Charakterystyka warunków szlifowania Proces Szlifierka Ściernica impregnowana Ściernica referencyjna Obciągacz i parametry kondycjonowania ściernicy Parametry szlifowania Producent Tian Jin Heng Tai Titanium Industry Co., Ltd. Szlifowanie prostoliniowo-zwrotne walcowych powierzchni wewnętrznych Szlifierka uniwersalna RUP-28P, Zakłady Mechaniczne Tarnów SA 1-35 10 10-SG/F46G10VTO z impregnatem silikonowo-grafitowym wprowadzonym w wolne przestrzenie międzyziarnowe ściernicy 1-35 10 10-SG/F46G10VTO (nie modyfikowana) Jednoziarnisty obciągacz diamentowy o masie Q d = 1,25 kt, n sd = 12 000 obr./min, v fd = 10 m/s, a d = 0,0125 mm v s = 50 m/s, v w = 0,625 m/s, v fa = 20,0 mm/s, a e = 0,0075 mm, a e całk = 0,10 mm, t s = 120 s; Q w = 1,81 mm 3 /s Płyn chłodząco- 5% wodny roztwór oleju Castrol Syntilo RHS -smarujący (PCS) Sposób Chłodzenie zalewowe podawania PCS Wydatek PCS Q PCS = 4,0 l/min Badania przeprowadzono na stanowisku wyposażonym w szlifierkę uniwersalną RUP-28P w procesie szlifowania prostoliniowo-zwrotnego. Szlifowano ściernicami zbudowanymi z ziaren mikrokrystalicznego korundu spiekanego i ze spoiwa szklano-krystalicznego, o oznaczeniu technicznym: 1-35 10 10-SG/F46G10VTO, wykonanymi w Zakładzie Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono zmiany wartości parametru chropowatości powierzchni obrobionej Ra (rys. 4) oraz przyrostu mocy szlifowania P (rys. 3) w trakcie szlifowania stopu INCOLOY alloy 800HT ściernicą z impregnatem silikonowo-grafitowym i ściernicą referencyjną (nieimpregnowaną). Podstawowa różnica w uzyskanych wynikach badań dotyczy długości okresu trwałości obu badanych ściernic. W przypadku ściernicy referencyjnej okres trwałości zakończył się po obróbce 8 pierścieni (rys. 3a), co odpowiadało usunięciu 1743 mm 3 materiału obrabianego (rys. 3c). Natomiast w przypadku ściernicy impregnowanej, graniczną wartość mocy szlifowania P g przekroczono dopiero podczas obróbki pierścienia nr 25, co oznacza, że narzędzie to usunęło ponadtrzykrotnie większą objętość materiału (V w = 5419 mm 3 ) rys. 3. Zmierzone zużycie objętościowe obu ściernic również różniło się trzykrotnie. Wynika z tego, że wartość wskaźnika szlifowania G była niemal taka sama (G 20). Dodatkowo, wyznaczona wartość średnia przyrostu mocy szlifowania P śr była o około 7% mniejsza i charakteryzowała się mniejszym rozrzutem (rys. 3b). Wyniki doświadczeń zestawione na rys. 3 wskazują na znacznie korzystniejsze warunki pracy ściernicy z impregnatem silikonowo-grafitowym w porównaniu do ściernicy nieimpregnowanej. Wpływ zastosowanej modyfikacji ściernicy był istotny i pozwolił na trzykrotne wydłużenie okresu trwałości ściernicy. Nie zanotowano natomiast wyraźnego wpływu impregnacji na chropowatość powierzchni obrobionej wyrażoną parametrem Ra (rys. 4a). Średnia wartość tego parametru była co prawda o około 15% mniejsza w przypadku ściernicy z impregnatem silikonowo-grafitowym (rys. 4b) ale wynikało to z bardzo dużej wartości parametru chropowatości zmierzonej na powierzchni ostatniego z pierścieni obrobionych ściernicą referencyjną (rys. 4a). Pomijając ten rezultat, można stwierdzić, że obie ściernice kształtowały powierzchnię o średnim arytmetycznym odchyleniu profilu chropowatości zmieniającym się w zakresie od 0,55 do 0,99 μm. Analizie poddano również stan czynnej powierzchni ściernicy po procesie szlifowania. Porównując obrazy mikroskopowe obu ściernic zestawione na rysunku 5 można stwierdzić, że w przypadku ściernicy impregnowanej duży udział mają powierzchnie starcia ziaren ściernych mikrokrystalicznego korundu spiekanego, z których wykonane zostały ściernice (rys. 5a). W przypadku ściernicy referencyjnej startych wierzchołków skrawających było mniej i miały one relatywnie mniejszą powierzchnię (rys. 5d). Różnica ta wynika głównie z różnego czasu pracy obu ściernic.
332 MECHANIK NR 9/2014 Rys. 3. Zmiany wartości przyrostu mocy szlifowania ΔP oraz wartości parametrów opisujących okres trwałości ściernicy z impregnatem silikonowo-grafitowym i ściernicy referencyjnej w procesie szlifowania stopu INCOLOY alloy 800HT : a) wartości przyrostu mocy szlifowania ΔP dla kolejnych pierścieni obrobionych; b) wartość średnia mocy szlifowania ΔP śr i jej odchylenie standardowe σ; c) ubytek materiału V w i zużycie objętościowe ściernicy V s ; d) wskaźnik szlifowania G = V w / V s Rys. 4. Zmiany wartości średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości Ra powierzchni obrobionej ściernicą z impregnatem silikonowo-grafitowym i ściernicą referencyjną: a) wartości parametru Ra dla kolejnych pierścieni obrobionych; b) wartość średnia Ra śr i odchylenie standardowe σ
MECHANIK NR 9/2014 333 Rys. 5. Widoki mikroskopowe czynnej powierzchni ściernicy z impregnatem silikonowo-grafitowym (a, b) i ściernicy referencyjnej (c, d) po procesie szlifowania otworów w stopie INCOLOY alloy 800HT, zarejestrowane z użyciem laserowego mikroskopu pomiarowego LEXT OLS4000 firmy Olympus Na szczególną uwagę zasługuje jednak różnica w zalepianiu powierzchni starcia ziaren ściernych mikrowiórami obrabianego superstopu niklu. Porównując powiększone widoki mikroskopowe przedstawione na rys. 5b i 5c można zauważyć, że na czynnej powierzchni ściernicy impregnowanej znajdują się drobne mikrozalepienia (rys. 5c), natomiast na wierzchołkach aktywnych ziaren ściernicy referencyjnej udział zalepień jest znacznie większy i są one bardziej rozległe (rys. 5d). Wskazuje to na korzystny wpływ zastosowanego impregnatu, którego obecność w przestrzeniach międzyziarnowych ściernicy skutecznie ograniczała negatywny wpływ przywierania ciągliwych wiórów stopu INCOLOY alloy 800HT do CPS. Mimo trzykrotnie dłuższej pracy ściernicy impregnowanej na jej powierzchni zarejestrowano mniej mikrozalepień. Poza wpływem impregnowania na zjawisko zalepiania CPS wiórami materiału obrabianego określono również wpływ takiej modyfikacji na strukturę geometryczną czynnej powierzchni ściernicy. Z analiz zamieszczonych na rysunku 6 wynika, że niemal dwukrotnie zmniejszyła się całkowita wysokość nierówności St ściernicy impregnowanej w porównaniu do ściernicy referencyjnej. Również wartości pozostałych parametrów wysokościowych (Sa, Sq, Sp) potwierdzają, że wprowadzenie impregnatu do objętości ściernicy znacząco redukuje otwartość jej struktury, zmniejszając objętość wolnych przestrzeni międzyziarnowych (rys. 6). Mimo, że w opisanych badaniach nie zanotowano negatywnego wpływu ograniczenia porowatości ściernicy, może ono w pewnych przypadkach mieć wpływ na skuteczność docierania PCS do strefy obróbki oraz usuwania z niej produktów szlifowania. Podsumowanie Przedstawione wyniki badań prostolinowo-zwrotnego szlifowania walcowych powierzchni wewnętrznych w super stopie niklu INCOLOY alloy 800HT z użyciem ściernicy impregnowanej i referencyjnej umożliwiły sformułowanie następujących wniosków: wprowadzenie do objętości ściernicy impregnatu silikonowo-grafitowego umożliwiło ponadtrzyktotne wydłużenie okresu trwałości ściernicy; impregnacja ściernicy nie wpłynęła znacząco na średnią wartość mocy P szlifowania oraz wartość wskaźnika szlifowania G; nie odnotowano również znaczącego wpływu impregnacji na chropowatość powierzchni obrobionej opisaną parametrem Ra;
334 MECHANIK NR 9/2014 3. Machining nickel and nickel alloys (Including Monel, Kovar, Invar, Inconel, & Incoloy) http://www.jmprecision.co.uk/media/ machiningnickelalloys.pdf (data odczytu: 11.07.2014) 4. Neslušan M., Grinding of Ni-Based alloys with grinding wheels of high porosity. Advances in Production Engineering & Management, 4, 1-2, 29-36, 2009. 5. Lipták J., Mihalčák P., Panoch J., Radošínska K., Research of Grinding and Application of Ultrasound for Machining Ni ant Ti Alloys. Research report n. 18/83-30/60, Bratislava, 1984. 6. Webster, J., Selection of Coolant Type and Application Technique in Grinding. Supergrind 1995 Grinding and Polishing with Superabrasives, Connecticut, USA, November 2-3, 205-220, 1995. 7. Oliveira D. J., Guermandi L. G, Bianchi E.C., Diniz A.E., Aguiar P. R., Canarim R. C., Improving minimum quantity lubrication in CBN grinding using compressed air wheel cleaning. Journal of Materials Processing Technology, 212, 2559-2568, 2012. 8. Dabrowski L., Marciniak M., Efficiency of special segmental grinding wheel. Journal of Materials Processing Technology, 109, 264-269, 2001. 9. Nguyen T., Zhang L.C., Performance of a new segmented grinding wheel system. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 49, 291-296, 2009. 10. Wu M., Carman L.A., Aspensjö L., High speed grinding wheel. US Patent No. 6047278, Patented 13.07.2000 11. Nadolny K., Wojtewicz M., Sienicki W., Herman D., Analiza możliwości odśrodkowego chłodzenia metodą MQL w procesie szlifowania otworów. Mechanik, 8-9, 299-310/704, 2013. 12. Aurich J. C., Improved coolant supply through slotted grinding wheel. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 62, 363-366, 2013. 13. Nadolny K., Kapłonek W., Wojtewicz M., Sienicki W., Effects of sulfurization of grinding wheels on internal cylindrical grinding of Titanium Grade 2. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 20, 108-124, April 2013. Rys. 6. Porównanie mikrotopografii i wybranych parametrów struktury geometrycznej czynnej powierzchni ściernicy z impregnatem silikonowo-grafitowym (a) i ściernicy referencyjnej (b) po procesie szlifowania otworów w stopie INCOLOY alloy 800HT, zarejestrowane z użyciem laserowego mikroskopu pomiarowego LEXT OLS4000 firmy Olympus analiza stanu ściernicy po szlifowaniu wskazuje na ograniczenie zjawiska zalepiania CPS wiórami materiału obrabianego, świadczące o działaniu antyadhezyjnym zastosowanego impregnatu; wprowadzenie impregnatu w pory ściernicy ogranicza objętość wolnych przestrzeni międzyziarnowych, co jednak nie wpłynęło negatywnie na badany proces szlifowania ze względu na bardzo dużą otwartość ściernicy poddawanej impregnacji. 14. Nadolny K., Sienicki W., Wojtewicz M., The effect upon the grinding wheel active surface condition when impregnating with nonmetallic elements during internal cylindrical grinding of titanium. Archives of Civil and Mechanical Engineering, April 2014, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.acme.2014.03.004. 15. Wojtewicz M., Sienicki W., Nadolny K., Wpływ impregnacji ściernic silikonem na efekty procesu szlifowania walcowych powierzchni wewnętrznych wykonanych ze stopu Inconel alloy 600. Mechanik, 8-9, 349-360/704, 2013. Opisane badania stanowią rozpoznanie możliwości stosowania impregnatów na bazie silikonu, do których dodawane byłby specjalne substancje wpływające na warunki w strefie styku ściernicy z materiałem obrabianym. Uzyskane wyniki badań potwierdzają celowość takich modyfikacji ściernic, jednak ze względu na swój ograniczony zakres nie umożliwiły np. określenia wpływu udziału procentowego oraz typu dodatków na wyniki procesu szlifowania superstopów niklu. Będzie to przedmiotem dalszych badań autorów. LITERATURA 1. Pollock T. M., Tin S., Nickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry, Microstructure, and Properties. Journal of Propulsion and Power, 22, 2, 361-374, 2006. 2. Nickel Development Institute, Machining nickel alloys. Reference Book, Series N 11 008, http://www.nickelinstitute.org/~/media/ Files/TechnicalLiterature/MachiningNickelAlloys_11008_.pdf (data odczytu: 11.07.2014)