OBRÓBKA ŚCIERNICAMI DIAMENTOWYMI i BORAZONOWYMI
Współczesny przemysł maszynowy wykorzystuje najnowsze osiągnięcia inżynierii materiałowej. Niektóre elementy maszyn wykonane są z materiałów, które charakteryzują się specjalnymi właściwościami. Do takich części należą na przykład łożyska toczne i ślizgowe, elementy pracujące w ruchu posuwisto-zwrotnym czy narażone na duże obciążenia udarowe. Części z tych materiałów nie można obrabiać konwencjonalnymi metodami. W takich przypadkach stosuje się narzędzia specjalne.
W obróbkach dokładnych i wykańczających, do których zalicza się przede wszystkim obróbkę ścierną, takim specjalnym materiałem narzędziowym jest diament i regularny azotek boru (borazon). Okazuje się jednak, że nawet wśród specjalistów z branży narzędziowej istnieje niedostateczne rozeznanie w zakresie istoty samych surowców do produkcji
narzędzi diamentowych i borazonowych, ich właściwości, klasyfikacji, zasad doboru, zakresu zastosowań. Chociaż informacje te nie mają bezpośredniego wpływu na sam proces obróbki, przyczyniają się jednak do wzrostu ogólnej wiedzy o narzędziach tego rodzaju i ich zastosowaniach. Wiedza na ten temat pozwala skracać okres przygotowawczy doboru właściwych narzędzi, a także umożliwia podjęcie szybszych decyzji dotyczących doboru ich parametrów i warunków pracy.
Supertwarde materiały ścierne
Diament naturalny charakteryzuje się ekstremalnie wysoką twardością zarówno w normalnej, jak i w podwyższonej temperaturze. Jest także odporny na ściskanie i naścieranie. Nie wykazuje jednak dużej odporności na uderzenia. Przy obciążeniu udarowym odpryskuje lub wyłamuje się. Jest to spowodowane faktem, że ma on regularną budowę krystaliczną z wyraźnymi płaszczyznami podziału. Te właściwości tego najtwardszego materiału zmuszają producentów narzędzi diamentowych do takiego usytuowania ziaren diamentu, aby w procesie obróbki unikać naprężeń w płaszczyźnie podziału diamentu. Mimo takich środków ostrożności diament naturalny pozostał nadal podatny na odpryski pod wpływem uderzeń.
Z powodu tych ograniczeń w zastosowaniu diamentu naturalnego prowadzono intensywne badania nad produkcją diamentu syntetycznego. Pierwsze diamenty syntetyczne wyprodukowała grupa amerykańskich uczonych w roku 1955. W ciągu kilku następnych lat następował systematyczny rozwój w tej dziedzinie. Wkrótce potem ukazał się na rynku diament syntetyczny, który jako materiał ścierny miał tak dobre właściwości, że w wielu dziedzinach zastąpił diament naturalny. Diament syntetyczny swoje zalety ujawnia szczególne podczas obróbki aluminium i jego stopów.
Jednocześnie z badaniami diamentów syntetycznych prowadzono prace nad innym supertwardym materiałem, a mianowicie regularnym azotkiem boru (CBN – Cubic Boron Nitride), który występuje pod handlową nazwą borazonu. Pojawił się on na rynku jako surowiec ścierny w roku 1975. Materiał ten nadaje się do obróbki stali szybkotnących, nierdzewnych i trudno obrabialnych stopów odpornych na wysokie temperatury wykonanych na bazie niklu, kobaltu i tytanu. Regularny azotek boru w formie przystosowanej do obróbki skrawaniem jest, po diamencie, najtwardszym materiałem obróbkowym. Tym samym wypełnia on lukę między diamentem a konwencjonalnymi materiałami ściernymi. Diament i borazon doskonale się uzupełniają, gdyż każdy z nich może obrabiać inne grupy materiałów (tabl. 1).
Tablica 1. Materiały obrabiane przez ściernice diamentowe i borazonowe
Materiały obrabiane | Narzędzia | |
Diamentowe | Borazonowe | |
Węgliki spiekane | + | – |
Odporne na ścieranie warstwy napawane | + | – |
Stale wysokostopowe | – | + |
Stale szybkotnące | – | + |
Stale narzędziowe do pracy na gorąco i na zimno | – | + |
Stale do nawęglania | – | + |
Stale do ulepszania cieplnego | – | + |
Stale łożyskowe | – | + |
Stale sprężynowe | – | + |
Żeliwo | + | + |
Szkło, kwarc, kamienie szlachetne i półszlachetne | + | |
Materiały i spieki ceramiczne | + | |
Porcelana, fajans, steatyt | + | |
German, krzem | + | |
Grafit | + | |
Kamienie naturalne i sztuczne, materiały ogniotrwałe | + | |
Tworzywa termoutwardzalne | + | |
Krzemowe lub korundowe materiały ścierne | + | |
Aluminium i jego stopy | + |
Kształty i wymiary ściernic
Ogólnie obowiązuje zasada, że do danego zadania obróbkowego należy dobrać ściernicę o takim kształcie, który zagwarantuje możliwie największą sztywność narzędzia. Średnica ściernicy powinna być możliwie jak największa (do danego zadania), ponieważ wtedy zapewnione są korzystniejsze warunki kinematyczne i termiczne. Łatwiej też uzyskać większą szybkość skrawania, przy której obróbka jest bardziej ekonomiczna i wydajna.
Do każdego zadania obróbkowego należy dobrać optymalną i zalecaną prędkość obwodową. Wiadomo, że na przykład przy szlifowaniu węglików spiekanych ściernicami diamentowymi o spoiwie żywicznym prędkość obwodowa wynosi reguły 10–35 m/s przy szlifowaniu na mokro oraz 8–22 m/s przy szlifowaniu na sucho. Podczas szlifowania ściernicami o spoiwie metalicznym zalecane prędkości skrawania wynoszą od 10 do 30 m/s (obróbka mokra) oraz od 8 do 20 m/s (obróbka sucha). Z kolei przy szlifowaniu ściernicami o spoiwie galwanicznym obwodowa prędkość skrawania powinna wynosić 10–30 m/s niezależnie od tego, czy szlifuje się na mokro czy na sucho. Podczas
W przypadku stosowania ściernic o kształcie garnkowym lub talerzowym szerokość nasypu ściernego powinna być dobrana w zależności od wielkości powierzchni szlifowanej. Większe powierzchnie styku narzędzia i przedmiotu obrabianego wywołują powstawanie wyższej temperatury w strefie pracy, co może prowadzić w konsekwencji szybszego zużycia ściernicy.
Wielkość ziaren ściernych
Obróbka ścierna polega na takim sposobie obróbki skrawaniem, w którym proces usuwania ustalonych objętości obrabianego materiału dokonywany jest ostrzami ziaren materiałów ściernych doprowadzonych do styku z obrabianym przedmiotem. Wynika z tego, że własności ostrzy skrawających mają decydujący wpływ na jakość i skuteczność obróbki. W związku z tym takie własności ziaren diamentowych, jak ich wytrzymałość, stabilność termiczna, kształt i wielkość, muszą być przez producentów ściernic starannie kontrolowane i dobierane. Ze względu na obowiązujące wszystkich zasady ekonomiki obróbki należy stosować możliwie największe dopuszczalne wielkości ziaren, gwarantujące osiągnięcie pożądanej jakości obrabianej powierzchni. W tablicy 2. przedstawiono klasyfikację ziaren diamentowych i borazonowych według obowiązujących norm.
Tablica 2. Standardowe wielkości ziaren diamentowych i borazonowych
Diament wg standardu FEPA szerokość/długość | Borazon wg standardu FEPA szerokość/długość | Standard amerykański ASTM-E-E-11 szerokość/długość | Nominalna wielkość oczka wg ISO R 6109-80 [μm] |
D1181/D1182 D1001 | B1181/B1182 B1001 | 16-18/16-20 18-20 | 1180-1000 1000-850 |
D851/D852 D711 | B851/B852 B711 | 20-25/20-30 25/30 | 850-710 710-600 |
D601/D602 D501 | B601/ B602 B501 | 30-35/30-40 35-40 | 600-500 500-425 |
D426/D427 D358 | B426/B427 B358 | 40-45/40-50 45-50 | 425-355 355-300 |
D301 | B301 | 50-60 | 300-250 |
D251/D252 D213 | B251/B252 B213 | 60-70 70-80 | 250-212 212-180 |
D181 | B181 | 80-100 | 180-150 |
D151 | B151 | 100-120 | 150-125 |
D126 | B126 | 120-140 | 125-106 |
D107 | B107 | 140-170 | 106-90 |
D91 | B91 | 170-200 | 90-75 |
D76 | B76 | 200-230 | 75-63 |
D64 | B64 | 230-270 | 63-53 |
D54 | B54 | 270-325 | 53-45 |
D46 | B46 | 325-400 | 45-38 |
D35 | 400-500 | 40-32 | |
D30 | B30 | 500-600 | 32-25 |
D25 | 30-20 | ||
D20 | 25-15 | ||
D15 | B15 | 20-10 | |
D10 | 15-8 | ||
D7 | 12-6 | ||
D6 | B6 | 8-4 | |
D3 | B3 | 4-2 | |
D1 | B1 | 2-1 |
Zaleca się dla typowych przypadków obróbki stosować następujące wielkości ziaren:
szlifowanie wstępne – D151 lub B151 (D – diament, B – borazon),
szlifowanie kształtujące – D126-D91 lub B126,
szlifowanie wykańczające – D64-D46 lub B91,
szlifowanie bardzo dokładne – D30-D15 lub B46.* zadrapania na obrabianej powierzchni.*