WIADOMOSCI WSTĘPNE

Charakterystyka obróbki ściernej

Obróbka ścierna jest odmianą obróbki skrawaniem, w której usuwanie zbędnego materiału odbywa się za pomocą narzędzi ściernych lub luźnych ziaren. Liczne ziarna o nieokreślonej geometrii mają nieregularne kształty, wiele krawędzi i wierzchołków. Orientacja ziaren względem głównych kierunków kinematycznych w chwili zetknięcia z materiałem ma charakter losowy. Podczas obróbki ściernej poza wiórowym usuwaniem naddatku występują także sprężyste i plastyczne odkształcenia materiału. Grubość warstwy skrawanej przez poszczególne ostrze jest bardzo mała.

Oddziaływanie narzędzia ściernego na materiał: a) schemat ogólny, b) geometria ostrzy pojedynczego ziarna; 1-przedmiot obrabiany, 2-ziarna ścierne, 3-spoiwo, 4-wiór, 5-pory.

Rozróżnia się trzy fazy działania ziarna ściernego:

I-ziarno ścierne uderza pod małym kątem w materiał obrabiany z prędkością V_w i pojawia się odkształcenie sprężyste oraz tarcie między ziarnem i materiałem. odkształcenie to zależy od właściwości materiału i parametrów obróbki.

II-ostrze wgłębia się w materiał, rośnie wzajemny nacisk i powoduje trwałe odkształcenie plastyczne materiału szlifowanego, czemu towarzyszy tarcie wewnętrzne. Materiał zaczyna się nawarstwiać i wypływać na boki wykonywanego rowka i przed ostrze.

III-ostrze osiąga progową głębokość i rozpoczyna właściwe tworzenie wióra. Wartość tej głębokości zależy od rodzaju i właściwości materiału (granicy plastyczności przy ścinaniu), promienia zaokrąglenia wierzchołka ziarna, kąta wcinania, siły nacisku, temperatury i prędkości skrawania.

Charakterystyczna dla szlifowania jest rzeczywista grubość warstwy skrawanej materiału h_r, która jest mniejsza od grubości nominalnej h.

Podczas skrawania materiału zużyciu mechanicznemu podlegają pojedyncze ziarna ścierne, co ze zużyciem spoiwa powoduje makrozużycie narzędzia.

Rodzaje mechanicznego zużycia ziaren ściernych: a) ścieranie wierzchołków ziaren, b) wykruszanie powierzchniowe cząstek ziaren, c) pękanie ziaren, d) wyrywanie ziaren ze spoiwa.

Szlifowalność materiałów

Szlifowalnością nazywa się podatność materiału na zmiany kształtów i wymiarów przez zeszlifowanie określonej warstwy materiału. Zależy ona od rodzaju materiału obrabianego, sposobu i odmiany szlifowania, rodzaju i jakości technicznej szlifierki, charakterystyki ściernicy i sposobu jej obciągania, a także od parametrów i warunków szlifowania. Szlifowalność stali zależy od składu chemicznego i obróbki cieplnej, a także od ilości i postaci takich składników węglikotwórczych, jak wanad, tytan, molibden i wolfram. Stale szybkotnące odznaczają się średnią i złą skrawalnością, a decydujące znaczenie ma zawartość wanadu, ponieważ występują węgliki wanadu, których twardość jest większa od twardości ziaren elektrokorundu. Im większa zawartość wanadu, tym mniejszy wskaźnik szlifowania G, a więc tym gorsza szlifowalność. Stale molibdenowe odznaczają się lepszą szlifowalnością niż wolframowo-molibdenowe, te zaś lepszą niż wolframowe. Stale niskostopowe, łożyskowe są łatwo szlifowalne. Do materiałów trudno szlifowalnych zalicza się żeliwa białe, stopy twarde, stale austenityczne i nierdzewne, stopy niklu i materiały ciągliwe, a także szkło i ceramikę.

Dokładność geometryczna i jakość warstwy wierzchniej

Główne przyczyny powstawania odchyłek wymiarowo-kształtowych i wad powierzchni to:

-odkształcenia sprężyste układu OUPN, wywołane siłami skrawania

-odkształcenie cieplne głównych elementów i zespołu szlifierki (wrzeciona, wrzeciennika, itp.)

-mała sztywność przedmiotu obrabianego

-zużycie ściernicy i jej odkształcenie sprężyste, co powoduje zmiany długości styku średnicy z przedmiotem

-drgania

Właściwości warstwy wierzchniej przedmiotu po szlifowaniu, czyli jej cechy geometryczne i fizyczne są rezultatem nakładania się na siebie oddziaływań mechanicznych i cieplnych. Siły skrawania wywołują w warstwie wierzchniej odkształcenia sprężyste i plastyczne, umocnienie oraz ściskające naprężenia własne. W zależności od wartości temperatury w strefie skrawania występują takie zjawiska jak: rekrystalizacja, zdrowienie, a nawet przemiany strukturalne. Powstają przy tym rozciągające naprężenia własne i zmiana twardości. Oddziaływanie cieplne często ma dominujące znaczenie w procesie szlifowania.

Wady powierzchni szlifowanych:

-przypalenia miejscowe powierzchni w skutek nagrzewania do wysokiej temperatury i rozpadu martenzytu na perlit,

-makro i mikropęknięcia warstwy wierzchniej wskutek zmian strukturalnych,

-zadrapania wytworzone przez ziarna ścierne znajdujące się w chłodziwie,

-ślady posuwu wytworzone przez ściernicę o zukosowanej tworzącej, wywołane nieprawidłowym obciąganiem ściernicy,

-miejscowe wybłyszczenia spowodowane stępioną ściernicą, która chwilowo nie skrawa lecz dociera i ugniata powierzchnię.

Ciepło i temperatura szlifowania

Energia mechaniczna zużywana w szlifowaniu na tworzenie wiórów, odkształcenia sprężyste i plastyczne oraz na tarcie ziaren ściernych i spoiwa o materiał zamienia się prawie w całości w ciepło. Bilans ciepła można zapisać wzorem:

Q = Qw + Qp + Qs+ Qo

Qw-ciepło unoszone przez wióry
Qp-ciepło wnikające w przedmiot obrabiany
Qs-ciepło przechodzące do ściernicy
Qo-ciepło uchodzące do otoczenia

Udział poszczególnych składników tej sumy ciepła Q zależy od odmiany i warunków szlifowania, przy czym największe znaczenie ma ciepło wnikające w przedmiot obrabiany, ponieważ może ujemnie na jakość warstwy wierzchniej przedmiotu.
Warunki technologiczne wpływające na temperaturę to:
-wartości wielkości nastawnych (a, Vp, Vs)
-charakterystyka ściernicy i stan czynnej powierzchni (ostrość)
-typ chłodziwa, sposób i obfitość chłodzenia
-cieplne właściwości materiału obrabianego, zwłaszcza przewodność cieplna
-rzeczywista długość styku ściernicy z materiałem

Narzędzia

W obróbce ściernej rozróżnia się dwie grupy:

-obróbka narzędziami spojonymi (ściernice, segmenty, krążki, osełki, taśmy)

-obróbka luźnym ścierniwem, w której używa się luźnych ziaren zawartych w pastach lub w płynach.

Narzędziem ściernym spojonym nazywamy bryłę stałą o ustalonym kształcie i wymiarach, w której ziarna ścierne są związane w sposób dostatecznie trwały za pomocą spoiwa. Ziarna ścierne stanowią ostrza, a spoiwo część chwytową.

1. Ściernice

1.a ściernice konwencjonalne

Pełne oznaczenie ściernicy (wg PN-73/M-59106) powinno zawierać symbole uwzględniające:

• kształt ściernicy i jej odmianę (wg PN-71/M-59101), np: "T1A"

• główne wymiary (wg PN-71/M-59109 oraz norm przedmiotowych poszczególnych rodzajów ściernic), np: "150x20x20"

• materiał ścierny (wg PN-84/M-59100), np: "99A"

• numer ziarna materiału ściernego-wielkość (wg PN-76/M-59107), np: "24"

• twardość (wg PN-86/M-59119, PN-86/M-59117, PN-86/M-59116), np: "M"

• strukturę, np: "5"

• rodzaj spoiwa, np: "V"

Oznaczenie ściernicy powinno zawierać także maksymalną prędkość obwodową Vs w [m/s] (wg PN-85/M-59122) i maksymalną prędkość obrotową n_s w [obr/min], a także literę P jeśli ściernica była poddana próbie wytrzymałości na rozrywanie.

T1A 150x20x20 99A 24 - M 5 V

1.b ściernice o zwiększonej dokładności

-stosowane w przemyśle łożyskowym, na automatach szlifierskich, gdzie wymagana jest wyjątkowo duża dokładność wymiarów i kształtu oraz wysoka jakość obrobionej powierzchni. Często są to ściernice kształtowe do szlifowania wgłębnego.

1.c ściernice o zwiększonej wytrzymałości

-do szlifowania szybkościowego. Opracowano różne sposoby zwiększenia wytrzymałości: -zastosowanie specjalnych spoiw o dużej wytrzymałości, -zbrojenie ściernic za pomocą specjalnych siatek z włókien szklanych lub wkładek metalowych, (zaliczyć do nich można ściernice wzmocnione mechanicznie, tzw. zbrojone, przeznaczone do przecinania PN-78/M-59153) -zmianę konstrukcji i kształtu ściernicy

1.d ściernice o nieciągłej powierzchni czynnej

-zapewniają lepszy dostęp płynu obróbkowego do strefy styku ściernicy z obrabianym przedmiotem. Korzystnie zmieniają się także naprężenia w warstwie wierzchniej przedmiotu, zmniejsza się bowiem ich wartość i głębokość zalegania.

a) z wybraniami na powierzchni czołowej, b) ze żłobkami na powierzchni walcowej, c) z kanałkami skośnymi na powierzchni walcowej, d) z kanałkami na obwodzie, e) ze żłobkami na powierzchni czołowej, f) z otworkami na powierzchni czołowej, g) segmentowe

1.e ściernice wielkoporowe

-charakteryzują się tym, że duże pory są otoczone ściankami złożonymi z ziaren ściernych i spoiwa, między którymi znajdują się pory małe, podobnie jak w ściernicach zwykłych. Zalety takiej budowy to: -mniejsza masa, dzięki czemu powstają mniejsza siły odśrodkowe, co umożliwia zwiększenie prędkości obwodowych, -możliwość pomieszczenia znacznie większej ilości wiórów, -lepsze chłodzenie przedmiotu obrabianego Kształty i wielkości ściernic wielkoporowych są takie same jak ściernic ceramicznych zwykłych w zakresie średnic do400 mm, ale nie są wytwarzane ściernic o małej grubości. Do ich produkcji stosuje się lepsze gatunki ścierniwa: 99A i 99c o numerze ziarna w zakresie 60-220.

1.f ściernice diamentowe

-są szczególnie przydatne do szlifowania węglików spiekanych, trudno obrabialnych twardych stali, ceramiki, krzemienia, germanu, szkła, itp. twardych materiałów. Wydajność obróbki oraz jakość szlifowanej powierzchni zależą w dużym stopniu od charakterystyki zastosowanej ściernicy (budowy).

Wiele korzyści eksploatacyjnych zapewniają ściernice diamentowe z przerywaną powierzchnią czynną. Uzyskuje się znaczne obniżenie temperatury w strefie skrawania oraz poprawę jakości powierzchni. Korzystne rezultaty, zwłaszcza podczas szlifowania węglików spiekanych, uzyskujemy stosując ściernice z mimośrodowym ułożeniem wieńca diamentowego względem osi obrotu. Obserwuje się wówczas mniejsze zużycie diamentu, znacznie mniejsze siły i niższą temperaturę skrawania, a także mniejszą chropowatość powierzchni.

a) o nieciągłej powierzchni walcowej, b) o nieciągłej powierzchni walcowej, c) z mimośrodowym ułożeniem wieńca diamentowego względem osi obrotu

Koncentracja diamentu, tzn. ilość ziarna diamentowego w 1 cm3, jest ważnym czynnikiem charakteryzującym narzędzia diamentowe i określającym ich zdolności skrawne oraz trwałość i koszt. Sposób oznaczania koncentracji nie jest jednolity, natomiast przyjęte jest uważać za 100% koncentrację - 4,4kr/cm3, czyli 0,88g/cm3. Koncentrację diamentu należy dobierać w zależności od sposobu lub odmiany szlifowania, wymagań jakościowych stawianych szlifowanej powierzchni, właściwości materiału obrabianego i wielkości ziarna diamentowego.

Koncentracja diamentu w zależności od rodzaju obróbki

Sposób lub odmiana obróbki	Koncentracja w %
Szlifowanie wstępne; Ostrzenie	100
Szlifowanie gwintów; Szlifowanie kształtowe; Szlifowanie łamaczy wiórów	75, 100
Szlifowanie końcowe; Docieranie	38, 50, 75
Dogładzanie	25

Koncentracja diamentu i rodzaj spoiwa w zależności od materiału obrabianego

Materiał obrabiany	Koncentracja w %	Spoiwo
Węgliki spiekane	50, 75	B, M
Szkło (przecinanie)	19-100	B, M
Szkło (obróbka)	38-100	M
Wyroby węglowe	19-38	M
Ferryty i ceramika	50-100	B, M
Beton	125 i wyższa	M
Granit	125 i wyższa	M
Marmur	100 i wyższa	M

2. osełki

a. osełki do gładzenia. Stosuje się osełki konwencjonalne, diamentowe i z regularnego azotu boru oraz osełki elastyczne: zwykłe i diamentowe.

Osełki ścierne konwencjonalne są produkowane z węglika krzemu 98C i z elektrokorundu 99A i95A o spoiwie ceramicznym lub organicznym o różnych charakterystykach.

Osełki diamentowe mają kształt listew z nałożoną spiekaną warstwą roboczą, która składa się z ziaren diamentowych, spoiwa metalowego i wypełniacza. Najczęściej stosowanym spoiwem jest stop stalowy z pewną ilością kobaltu lub brąz. Grubość nałożonej warstwy diamentowej wynosi zwykle 1-3mm. Osełki o spoiwie stalowym stosuje się głównie do obróbki żeliwa, a o spoiwie brązowym do żeliwa i stali hartowanej. Wspomniane osełki osadza się w oprawkach a te z kolei w głowicy gładzarskiej, podobnie jak osełki zwykłe.

Osełki diamentowe na podłożu elastycznym posiadają warstwę roboczą diamentową o spoiwie kauczukowym o różnej twardości nałożoną na elastyczną warstwę podkładową (bezdiamentową) o grubości 3mm, ta zaś na metalową listwę osełki. Stopień elastyczności osełek zależy od doboru spoiwa organicznego w warstwie roboczej oraz składu i grubości warstwy podkładowej.

Materiał obrabiany	Gładzenie zgrubne			Gładzenie wykańczające
		Materiał ścierny	Numer ziarna	Twardość	Materiał ścierny	Numer ziarna	Twardość
żeliwo	98C	80	N-P	98C	F320/29	N-P
Stal niechartowana	95A 99A	80 100	O-Q	95A	F320/29	O-P
Stal hartowana	99A	100	L-N	99A	F280/37	J-M
Chrom twardy	99A	80	O-R	95A	F280/37	L-N
Metale lekkie	95A	150	N-P	98C	F320/29	N-P
Metale nieżelazne	95A	150	N-P	95A	F500/13	N-O
Spiekane proszki metali	98C	100	M-P	98C	F320/29	N-O

Osełki diamentowe są wykonywane z proszków i mikroproszków diamentowych o różnej wielkości ziarna, w zależności od przeznaczenia. Warstwę diamentowa uzyskuje się metodą spiekania lub nakładania galwanicznego.

b. Osełki do dogładzania.

Do wyrobu tych osełek najczęściej stosowany jest elektrokorund 99A i węglik krzemu 99C, rzadziej diament syntetyczny lub naturalny.

Oprócz osełek ogólnego przeznaczenia są produkowane również osełki nasycane siarką, które znajdują zastosowanie w dogładzaniu zautomatyzowanym, zapewniają dużą wydajność i dobrą jakość powierzchni. Utrzymują lepiej nadany profil oraz eliminują miejscowe nagrzewanie powierzchni.

Zasady oznaczania osełek do dogładzania:

• typ kształtu (wg PN-71/M-59101), np: 02

• wymiary (mm), np: 10x20x70

• ścierniwo (wg PN-84/M-59100) używane 99A i 99C, np: 99A

• oznaczenie numeru mikroziarna (wg PN-75/M-59107), np: F400/17

• twardość (wg PN-86/M-59119) twardości od E do S, np: F

• struktura (wg PN-71/M-59101) wartości od 7 do 12, np: 8

• rodzaj spoiwa (wg PN-71/M-59101), np: V

• środek nasycający (siarka) S

02 10x20x70 99A F400/17 F 8 V S

3. Narzędzia ścierne nasypowe

Narzędzia nasypowe składają się z elastycznego podłoża (nośnika ścierniwa) oraz związanej z nim, za pomocą spoiwa klejowego, warstwy materiału ściernego. Obecnie możliwe jest uzyskanie dowolnego zagęszczenia ścierniwa na jednostkę powierzchni podłoża, a także regulowaną grubość warstwy kleju. Możliwe jest również ustawianie w polu elektrostatycznym ziaren anizometrycznych dłuższą osią prostopadle do podłoża.

Typy i rodzaje narzędzi ściernych nasypowych (wg PN-84/M-59103)

Oznaczenia i charakterystyka narzędzi nasypowych (wg PN-84/M-59135)

---