Povrchová úprava abrazivních nástrojů nové generace

Mezi tribologické vlastnosti materiálů lze zařadit informace o vlivu povrchových úprav na jejich abrazivní vlastnosti. Je podána informace o počátečním stádiu výzkumu jednoduché výroby jednoúčelových brousicích nástrojů, spočívající v nanášení abrazivních kovových nebo keramických prášků na povrch rotačních součásti metodou plazmového nástřiku.

 

Tradiční výroba rotačních nebo rovinných brousicích nástrojů typu abrazivo-pojivo-pórovitost spočívá ve smísení zvoleného abrazivního materiálu vhodné zrnitosti s pojivem, vylisování směsi na požadovaný tvar a spékání nebo vypalování či vytvrzování výlisků, zpravidla v průběžných pecích nebo galvanickým postupem. Většina brousicích nástrojů, především brousicích kotoučů velkých rozměrů, je u průmyslových spotřebitelů vyřazována z jejich výrobně-uživatelského procesu daleko dříve, než je veškerý funkční materiál využit. Úbytek abrazivního materiálu a s tím spojené změny geometrie obráběcího nástroje totiž přinášejí komplikace, projevující se zejména u vysoce sofistikovaných nebo automatizovaných procesů obrábění. Proto je snahou výrobců nacházet nové technologie obrábění s vyšší ekonomií a efektivitou. Jednou z možností je i využití technologie žárového nanášení abrazivních materiálů na povrchy abrazivních obráběcích nástrojů. Vzhledem k tomu, že nejrozšířenější abrazivní materiály, jako korund, karbid křemíku nebo karbid boru, se musejí zpracovávat při vysokých teplotách, se jeví jako výhodné využít při jejich aplikaci na obráběcí nástroje nejvyšší formu technologie žárových nástřiků, v obecném povědomí označovanou jako plasma spraying.


Normy 224500 ČSN EN ISO 6103 a další charakterizují abrazivní nástroje pěti znaky v pořadí: druh abraziva, zrnitost, stupeň tvrdosti-soudržnosti, struktura-pórovitost, pojivo, viz tabulka 1. Vezmeme-li v úvahu jen korundové nebo siliciumkarbidové výrobky s cca deseti granulometrickými třídami zrnitosti podle normy ČSN 22 4501, resp. ISO 6106 a různými pojivy - keramické, skelné, plastové, kovové -, dělícími se do řady podskupin, dospějeme k počtu více než 80 000 variant. Vedle těchto parametrových variant, nabízených výrobci abrazivních nástrojů, přispívají k dalšímu výraznému růstu variant hlediska či požadavky spotřebitele, totiž geometrický tvar včetně rozměrových tolerancí, vyplývající z daných podmínek nasazení, určovaných vztahem stroj-nástroj-obrobek. Např. katalog firmy Carborundum Electrite Benátky n/Jiz. z roku 1985 nabízel pro jednu materiálovou soustavu více než 30 000 možností výběru. Není proto překvapivé, že pro nové aplikace, kde jsou požadovány i jiné typy brousicích nástrojů  např. z karbidu boru a dalších karbidů, boridů nebo nitridů titanu, kubického nitridu boru nebo diamantu, nelze vycházet jen z experimentálně zjištěných parametrů, které v praxi pro svou početnost nemohly být  v celé šíři ověřeny. Na základě praktických zkušeností a doporučení se často zjistí, že lepší výsledky při broušení poskytuje materiál, u něhož bychom to podle jeho tabulkových hodnot neočekávali.

Technologie plazmového nástřiku funkční vrstvy abraziva na vhodné podložky přináší možnost výrazných úspor nákladného brousicího materiálu, který může být nanesen na levnější kovové jádro jen v takové tloušťce, jaká je předepsána pro změnu rozměru, určující vyřazení nástroje z technologického procesu obrábění. To je výhodné zejména pro složitější tvarované nástroje, používané např. při profilovém broušení. Vedle ocelí přichází pro kovové jádro v úvahu hliník, mosaz i další kovy či slitiny. Vítanou předností technologie APS (Atmospheric Plasma Spraying) je možnost snadné a rychlé přípravy funkčních vzorků i některých netradičních abrazivních soustav (z přírodních tvrdých látek jako je granát, čedič, olivín) a nebo naopak ze syntetických tvrdých látek, jako např. korundo-baddeleyitový Eucor Al2O3-ZrO2-SiO2. Je však nutno respektovat zvláštnosti nástřiků, totiž odlišnou pórovitost, vyplývající z vysokého stupně tvorby pojivových můstků mezi jednotlivými částicemi a poněkud jiné strukturní uspořádání. Porovnání strukturních rozdílů mezi klasickým keramickým brousicím nástrojem a povrchově povlakovaným abrazivním nástrojem je uvedeno na obr.1 - 4.

 


Např. u klasických korundových brousicích kotoučů připravených spékáním korundu s libovolným pojivem se i po slinutí vyskytuje oxid hlinitý v modifikaci alfa-korund. Naproti tomu při plazmovém nástřiku oxidu hlinitého z jakýchkoliv prekurzorů vlivem prudkého ochlazení kromě korundu, který pak bývá v menšině, vznikají i další fáze oxidu hlinitého, především vzácnější fáze delta s tetragonální nebo orthorhombickou strukturou (Obr.3). Nižší výskyt korundové fáze alfa může být způsoben rychlým odvodem tepla kovovým jádrem v počáteční fázi plazmové depozice. U jiných výrobků může být vyšší poměr žádoucí tvrdé α-korundové fáze zajištěn malým množstvím stabilizujících příměsí, např. oxidu chromitého při vzniku rubínové varianty.

Zatímco technologie APS umožňuje široký výběr materiálové palety, je na druhé straně zúžena volba zrnitosti abrazivního materiálu. Aby v podmínkách proudu plazmatu, v konkrétním případě generovaného hořákem WSP® 160, generujícím plazma s teplotou cca 25 000 - 30 00 K, došlo během 3 - 5 mikrosekund k roztavení materiálu, musí se výchozí zrnitost prášků pohybovat v rozmezí 20 µm - 100 µm, v závislosti na bodu tání a tepelné vodivosti konkrétního abraziva.

Výsledky brousicích testů
Podmínky přípravy ukázkových nástrojů pro obvodové a čelní broušení jsou shrnuty v tabulce 2. Při  testování byly sledovány řezné síly, poměrný obrus a jakost opracovaného povrchu.

 


Obvodové broušení na bruskách  BDA 80 a ELKO B 17 při obvodových rychlostech 12 m/s a 56 m/s sestávalo z cyklu hrubovacího a jemného broušení oceli  S235JRG1 - EN 1.0036, dále slinuté kameniny typu kabřinec a skla Simax. Konstantní přísuvová rychlost byla 0,6 mm/min. Výsledky základních změřených veličin jsou uvedeny v tabulce 3.

 


Při testování čelního broušení byla zjištěna průměrná hodnota radiální složky řezné síly F = 320 N, příkon vřetene byl 5940 W a SVU 1,2 µm/s.

Dosažené výsledky naznačují možnost využití metody APS k ekonomické výrobě složitějších abrazivních obráběcích nástrojů technologií povrchového  nanesení  hrubozrnného  abraziva.

Tenkovrstvové korundové abrazivní nástřiky umož-nují výrazné zvýšení řezné rychlosti především  u čelních nástrojů dík posunu tvrdosti do kategorie R - Z a nižší pórovitosti. Připravené APS brousicí kotouče pro vytváření závitů, kuželových zábrusů nebo čoček odpovídaly ekvivalentu ČSN EN 12413 s označením A 99 240 U, V, Z 1,2 V, případně A 99 320 U-Z 1-2 V. Při broušení oceli nebyly zjištěny podstatné rozdíly v drsnosti povrchu, pohybující se  v hodnotách Ra < 2 µm při jednosměrném úběru, při suchém broušení skla bylo za stejných podmínek dosaženo Ra < 0,6 µm při specifickém tvaru třísek (Obr.6). Zatímco u korundových, bazaltových nebo granátových nástřiků lze zajistit chemickou i fázovou homogenitu funkčního povrchu, tak u jinak atraktivního abraziva na bázi korundo-baddeleyitu (Obr.3) se může podle teploty nástřiku měnit fázové složení až směrem k amorfní struktuře, čímž se výrazně mění abrazivní vlastnosti nástroje.

Malá tloušťka funkčního nástřiku především na hliníkových nosných kotoučích umožňuje lepší odvod tepla z obráběného místa a snižuje tak spotřebu chladicí kapaliny. Tento přínos se projeví především v ekologické oblasti.

 


Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory GAČR P105/12/G059.
Text: V.Brožek, K. Neufuss - Ústav fyziky plazmatu AVČR Praha, v.v.i.
P. Pokorný, M. Vokáč - Kloknerův ústav ČVUT Praha

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
9 + 8 =
Odoslanie formulára

Tribotechnika_5_2018

TriboTechnika_5_2018 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd