Charakterystyka procesu mikrowygładzania z zastosowaniem diamentowych folii ściernych cz. I prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak (wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl), dr inż. Katarzyna Tandecka Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska W artykule przedstawiono metodę precyzyjnej obróbki stosowaną do uzyskiwania powierzchni o najwyższej jakości oraz o wysokim stopniu połysku. Proces mikrowygładzania realizuje się z wykorzystaniem diamentowych folii ściernych. Cechą charakterystyczną metody jest jednokrotny kontakt ziaren ściernych z powierzchnią obrabianą. Przedstawiono wyniki badań procesu mikrowygładzania stali o wysokiej twardości oraz zaproponowano podstawy prognozowania cech stereometrycznych wygładzonych powierzchni. Mikrowygładzanie powierzchni technicznych foliami ściernymi jest nowoczesną metodą wykończeniowej obróbki ściernej zewnętrznych powierzchni walcowych i stożkowych oraz płaskich powierzchni czołowych [1]. Umożliwia bardzo efektywną obróbkę powierzchni różnorodnych materiałów, poczynając od metali, poprzez tworzywa sztuczne i materiały kompozytowe, na ceramice i materiałach supertwardych kończąc [2]. Obróbka odbywa się z zastosowaniem precyzyjnych folii ściernych o nośniku wykonanym z cienkiej folii poliestrowej pokrytej jedną bądź wieloma warstwami ziaren ściernych. Doskonałe efekty tej metody obróbki spowodowały rozszerzenie jej zastosowań w przemyśle samochodowym do wygładzania powierzchni czopów wałów korbowych, w przemyśle papierniczym do wykańczającej obróbki powierzchni walców oraz do wygładzania powierzchni walców do blach, folii metalowych i z tworzyw sztucznych [3]. Wygładzanie foliami ściernymi stosuje się także w obróbce powierzchni elementów hydrauliki siłowej, w technice wysokich ciśnień i coraz częściej w obróbce wykańczającej powierzchni elementów maszyn i oprzyrządowania technologicznego. Jest to obróbka typowo powierzchniowa, nie zmienia kształtu przedmiotu otrzymanego w poprzedzającym ją rodzaju obróbki, zmienia natomiast zasadniczo chropowatość i topografię powierzchni [4, 5]. Istotą metody jest ciągłe wprowadzanie w strefę obróbki nowych, ostrych ziaren, utwierdzonych na foliowym nośniku w postaci taśmy. Po przejściu przez strefę obróbki taśma niosąca mikrowióry materiału jest nawijana na rolkę taśmy zużytej i już nigdy nie kontaktuje się z powierzchnią obrabianą [6, 7, 8, 9]. Taka koncepcja prowadzenia obróbki jest największą zaletą metody. Czyni ją efektywną i zarazem uwalnia od potrzeby oczyszczania i ostrzenia czynnej powierzchni narzędzia [10]. Nie wprowadza w strefę obróbki startych, pękniętych lub obluzowanych Characteristics of the microfinishing process using diamond abrasive films Słowa kluczowe: diamentowa folia ścierna, mikrowygładzanie, diamentowe ziarno ścierne Keywords: diamond abrasive film, microfinishing, diamond abrasive grains The paper presents a method for precise treatment used to obtain a high quality surface and high gloss. Microfinishing is carried out by using abrasive diamond films. A characteristic feature of the method is a single contact of abrasive grains with the surface of the workpiece. This article presents the results of studies of micro-finishing of high-hardness steel and proposes the foundations of forecasting of stereometric features of the finished surfaces. Rys. 1. Układ obróbkowy do wygładzania powierzchni foliami ściernymi, widok z przodu i z boku na strefę obróbki [12] 74 s t y c z e ń - l u t y 2 0 1 6
ziaren ściernych i wiórów przylepionych do ziaren i spoiwa, co ma miejsce we wszystkich rodzajach obróbki ściernej narzędziami spojonymi i nasypowymi [11]. Folia ścierna jest przewijana z rolki podającej z prędkością v f do strefy obróbki (rys. 1). Są również stosowane rozwiązania konstrukcyjne głowic do mikrowygładzania, w których folia ścierna i rolka dociskowa wykonują ruch oscylacyjny o danej częstotliwości f o [13, 14]. W strefie obróbki zachodzi zjawisko usuwania materiału i wynoszenia produktów obróbki ze strefy kontaktu w przestrzeniach między ziarnami [15, 16]. Przedmiot obrabiany wykonuje przeciwbieżny ruch w stosunku do ruchu przesuwu folii z prędkością v p. Prędkość v p jest 500-1000 razy większa od prędkości przesuwu folii v f, co powoduje, że ziarna ścierne pozostają długo w strefie obróbki i powodują powstawanie długich śladów obróbkowych [17, 18]. Dodatkowo w procesie mikrowygładzania stosuje się ruch posuwowy v pos, szczególnie w obróbce Rys. 2. Schemat produkcji folii mikrościernych metodą elektrostatyczną [12] długich powierzchni walcowych [19]. Rolka dociskowa dociska folię ścierną z siłą Fn do przedmiotu obrabianego. Stosuje się rolki dociskowe o równych twardościach mieszczących się w zakresie 50-90 o Sh. Od twardości rolki i siły jej docisku zależą szerokość strefy kontaktu oraz kąt ρ. Zużycie folii ściernej przy procesie mikrowygładzania twardych materiałów maleje wraz ze wzrostem prędkości obwodowej [20], natomiast rośnie z wraz ze zwiększaniem siły docisku [17]. Zastosowanie chłodziwa zmniejsza zużywanie się folii ściernych, jednocześnie powodując zmniejszenie uszko- s t y c z e ń - l u t y 2 0 1 6 75
dzeń powierzchni obrabianej w wyniku obniżenia temperatury procesu [21]. Aby optymalnie wykorzystać przestrzenie między ziarnami na gromadzenie produktów obróbki, należy tak dobrać przesuw folii ściernej oraz prędkość obwodową przedmiotu, aby te przestrzenie były wypełnione. Zbyt szybki przesuw folii może spowodować pozostawienie wolnych przestrzeni, co jest nieekonomiczne, z uwagi na fakt jednokrotnego wykorzystania narzędzia w procesie mikrowygładzania. Charakterystyka folii ściernych W dogładzaniu foliami ściernymi są stosowane narzędzia nasypowe z mikroziarnami na podłożu z folii poliestrowej. Foliowe materiały mikrościerne są oferowane w postaci arkuszy, krążków oraz taśm ściernych na rolkach o standardowych szerokościach: 1/2, 1, 2, 4, 8 i 16 cali, i różnych długościach. Folia poliestrowa o ściśle tolerowanej grubości, wysokiej trwałości, odporna na wodę, środki smarujące i tradycyjne rozpuszczalniki jest pokryta jednostronnie sztuczną żywicą, która wiąże ziarna ścierne z określonego materiału, na przykład tlenku glinu, węglika krzemu, tlenku chromu, azotku boru lub diamentu. Ziarna ścierne są nakładane dwoma metodami elektrostatyczną (rys. 2) i grawitacyjną (rys. 3). Folie firmy 3M z elektrostatycznie nałożonymi ziarnami są oznaczone symbolem IMFF (Imperial Microfinishing Film), a folie z ziarnami nałożonymi grawitacyjnie symbolami ILF (Imperial Lapping Film) i z ziarnem diamentowym IDLF (Imperial Diamond Lapping Film). Nośniki w postaci folii są wykonywane w sześciu grubościach w zakresie 12-125 µm. Podczas wytwarzania folii mikrościernych proces osadzania ścierniwa (elektrokorund szlachetny) na powierzchni nośnika (folii poliestrowej) pokrytego warstwą spoiwa podstawowego odbywa się metodą elektrostatyczną. Po utwardzeniu spoiwa podstawowego powierzchnię narzędzia pokrywa się dodatkową warstwą spoiwa, tak zwanego spoiwa kryjącego, w celu zwiększenia trwałości folii do mikrowygładzania (rys. 4). Metoda elektrostatyczna osadzania ziaren ściernych na powierzchni nośnika zapewnia takie zorientowanie ostrzy skrawających, aby wydajność mikrowygładzania była najwyższa. Ze względu na doskonałe właściwości skrawne folii mikrościernych stosuje się je do przygotowania powierzchni do procesu mikrowygładzania z zastosowaniem folii dogładzających. Proces osadzania ścierniwa na powierzchni folii dogładzającej może odbywać się również metodą grawitacyjną. Mieszanka ziaren ściernych z elektrokorundu szlachetnego i żywicy jest nanoszona i wygładzana na powierzchni nośnika (folia poliestrowa). Proces ten powoduje, że część ostrzy skrawających jest zatopiona w kleju (rys. 4), wskutek czego podczas dogładzania w procesie kształtowania lustrzanej powierzchni nie powstają pojedyncze głębsze rysy. Tory, po których przemieszczają się względem obrabianej powierzchni określone ziarna, podczas mikrowygładzania foliami ściernymi są długie i zawierają liczny zbiór stref, w których jedno ziarno ścierne kontaktuje się nieustannie z materiałem obrabianym. Cechą cha- 76 s t y c z e ń - l u t y 2 0 1 6
rakterystyczną procesu wygładzania jest to, że fragmenty folii, które już miały styczność z przedmiotem obrabianym, nie są powtórnie używane. Powoduje to, że o potencjale technologicznym narzędzia decyduje rozmieszczenie przestrzenne ziaren na powierzchni nośnika folii ściernej (rys. 5). Z tego wynika potrzeba analizy rozmieszczenia mikroostrzy narzędzia do mikrowygła- Metoda grawitacyjna Mieszanka ziaren ściernych i żywicy Podkład folii ściernej Rys. 3. Schemat produkcji folii dogładzających metodą grawitacyjną [12] Rys. 4. Schemat budowy folii mikrościernych z elektrokorundowym ziarnem ściernym (IMFF) (a), folii do dogładzania powierzchni z ziarnem ściernym z elektrokorundu szlachetnego (ILF) (b) oraz folii do dogładzania powierzchni z diamentowym ziarnem ściernym (IDLF) (c) [12] s t y c z e ń - l u t y 2 0 1 6 77
a) c) Rys. 6. Obrazy folii ściernych typu ILF o wymiarach ziaren 9 (a) i 12 (b) µm z widocznym wypełnieniem przestrzeni między ziarnami produktami obróbki, zbyt duża prędkość przesuwu folii, niewykorzystane miejsce na produkty obróbki [12] dzania, odległości między ostrzami aktywnymi oraz objętości przestrzeni między ziarnami, a także relacji między prędkością obrotową przedmiotu i prędkością przesuwu folii, co pozwoli na optymalne wypełnienie przestrzeni między ziarnami produktami obróbki (rys. 6). q W cz. II artykułu będziemy kontynuować zagadnienia dot. charakterystyki procesu mikrowygładzania z zastosowaniem diamentowych folii ściernych. b) d) Rys. 5. Obrazy powierzchni folii ściernej typu IDLF o nominalnym rozmiarze ziarna 9 µm uzyskane z wykorzystaniem mikroskopu konfokalnego OLS4000 firmy Olympus przy powiększeniu 100 x (zakres pomiarowy 129 x 129 µm), obraz 3D konfokalny(b), obraz 2D mikroskopowy (c), obraz 3D mikroskopowy (d) [12] 78 s t y c z e ń - l u t y 2 0 1 6