Oxygen-Assisted Truncation of Coarse-Grained Electroplated CBN Grinding Wheels for Ultra-Smooth Grinding of Bearing Steel

In de wereld van precisietechniek is het oppervlak van een metalen onderdeel vaak kritischer dan het onderdeel zelf. Voor componenten zoals de stalen kogels in een lager bepaalt de gladheid van het oppervlak hoe lang een machine zal meegaan, hoe stil deze draait en hoeveel energie er verloren gaat aan het bevechten van wrijving. Om een afwerking te bereiken die glad genoeg is om gemeten te worden in miljardsten van een meter, vertrouwen fabrikanten traditioneel op een traag, meerstaps proces. Ze slijpen het metaal, daarna polijsten ze het (lapping), vervolgens polijsten ze het verder en tot slot vindt superafwerking plaats. Hoewel deze methode uitstekende resultaten oplevert, is het tijdrovend en duur. Ingenieurs zoeken al lang naar een manier om de tussenstappen over te slaan en direct van een ruwe slijping naar een spiegelgladde afwerking te gaan, maar de gereedschappen die nodig zijn voor een dergelijke sprong zijn moeilijk te beheersen gebleken.

De uitdaging ligt in de aard van het slijpwiel zelf. Om materiaal snel te verwijderen, heeft een wiel grote, scherpe korrels abrasief materiaal nodig. Deze grote korrels zijn echter van nature ongelijkmatig; sommige steken verder uit dan andere. Terwijl het wiel draait, graven de hoogste korrels diepe, grillige geulen in het metaal, terwijl de kortere korrels niets doen. Dit creëert een oppervlak dat bedekt is met diepe groeven, wat precies het tegenovergestelde is van de gladheid die vereist is voor precisielagers. Het doel is daarom om een wiel met deze grote, agressieve korrels te nemen en de punten ervan op een bepaalde manier af te vlakken, zodat ze allemaal op dezelfde hoogte liggen, waardoor een chaotische verzameling graafgereedschappen verandert in een uniforme, vlakke snijkant. Als dit kan worden gedaan, kan het wiel materiaal snel verwijderen zonder de diepe littekens achter te laten die normaal gesproken urenlang polijsten noodzakelijk maken.

Onderzoekers aan de Kumamoto Universiteit en het Kumamoto Industrial Research Institute hebben een methode ontwikkelt om dit evenwicht te bereiken met behulp van een specif kind type abrasief wiel en een eenvoudige, maar krachtige, chemische truc. Ze richtten zich op wielen gemaakt van kubisch borenitride, een synthetisch materiaal dat bijna net zo hard is als diamant en ideaal is voor het slijpen van gehard staal. Deze wielen zijn vaak elektrochemisch vergald, wat betekent dat de abrasieve korrels op hun plaats worden gehouden door een metalen binding, en ze komen voor in grove gradaties met grote korrels die ontworft zijn voor zware materiaalverwijdering. Het team ontdekte dat door een stroom zuurstof direct naar het contactpunt tussen het wiel en een zacht glazen oppervlak te leiden, ze de punten van de hardste korrels op het wiel chemisch konden afslijten.

Om te begrijpen hoe dit werkte, keken de onderzoekers eerst naar het microscopische residu dat achterbleef wanneer een blok van dit abrasieve materiaal tegen een kwartsglaasplaat werd gewreven. Ze ontdekten dat de minuscule deeltjes boor en stikstof van het abrasieve materiaal vermengd waren met zuurstof op een manier die suggereerde dat een chemische reactie het materiaal afbrak. Dit bevestigde dat de zuurstof hielp de punten van de korrels op te lossen in plaats van ze alleen mechanisch eraf te slaan. Met dit begrip pasten ze dezelfde zuurstofstroom toe op een roterend slijpwiel dat tegen een glasplaat werd gedrukt. De zuurstof fungeerde als een zachte, onzichtbare vijl die selectief de hoogste punten van de abrasieve korrels wegsleet.

De resultaten van dit zuurstofondersteunde proces waren meetbaar en significant. In een standaardomgeving zonder extra zuurstof vlakt het proces ongeveer 2,91 procent van de korreltips op het wiel af. Wanneer zuurstof werd toegevoegd, steeg dat aantal naar 4,08 procent. Belangrijker nog, de hoogte van het verwijderde materiaal van de punten nam toe van ongeveer 19 naar 24. Dit mag misschien als een minuscuul verschil klinken, maar in de wereld van het slijpen betekende dit dat de hoogste, meest beschadigende korrels effectief werden afgetopt, wat resulteerde in een oppervlak waar de snijkanten veel uniformer waren. De onderzoekers verifieerden dit door het wiel onder een microscoop te bekijken, waarbij ze zagen dat de scherpe, grillige pieken waren vervangen door platte, gelijkmatige platformen.

De echte test kwam toen ze dit aangepaste wiel gebruikten om GCr15 lagerstaal te slijpen, een veelvoorkomend materiaal voor hoogwaardige lagers. Ze stelden de machine in om het wiel met een zeer lage snelheid over het staal te bewegen, slechts 3 voor elke volledige rotatie van het wiel. Wanneer ze het resulterende oppervlak onderzochten, was het verschil opvallend. Een standaard, ongewijzigd wiel liet een oppervlak achter dat bedekt was met duidelijke, diepe groeven die het pad van het wiel volgden, met een ruwheidsmeting van bijna 11. In contrast hiermee was het oppervlak dat door het zuurstof-getrunceerde wiel was geslepen vrij van deze diepe sporen. Het bereikte een ruwheid van slechts 3,149 nanometer, een niveau van gladheid dat wedijvert met de beste resultaten van traditionele, meerstaps polijstprocessen.

Misschien wel de meest verrassende bevinding was hoe robuust dit gladde oppervlak bleef, zelfs toen de onderzoekers de machine tot het uiterste dreven. Ze verhoogden de snijdiepte, wat het oppervlak normaal gesproken ruwer maakt, tot maar liefst 500. Zelfs bij deze agressieve diepte, waarbij het wiel een enorme hoeveelheid materiaal verwijderde, bleef de uiteindelijke oppervlakte-ruwheid opmerkelijk laag, namelijk 10,555 nanometer. De onderzoekers verklaarden dit door op te merken dat het wiel in zones werkt. De buitenrand van het wiel doet het zware werk door de bulk van het staal te verwijderen, terwijl de platte, getrunceerde punten op de face van het wiel fungeren als de uiteindelijke afwerkers. Omdat de punten allemaal op dezelfde hoogte liggen, strijken ze uniform over het oppervlak en wissen ze de onregelmatigheden uit die door het ruvere snijden zijn achtergelaten, ongeacht hoe diep de initiële snede ook was.

Echter, de studie onthulde ook dat er een limiet is aan hoeveel trunctie gunstig is. Het team testte wielen met verschillende hoeveelheden afgeplatte korreltips en kwam tot de conclusie dat hoewel een matige mate van afplatting de resultaten verbeterde, te veel afplatting de resultaten juist verslechterde. Wanneer het gebied van de afgeplatte tips een bepaald punt overschreed, nam de slijpkracht aanzienlijk toe en begon de oppervlakte-ruwheid weer te stijgen. Dit suggereert dat de ideale staat een zorgvuldig evenwicht is: genoeg afplatting om de snijkanten uit te lijnen en diepe groeven te voorkomen, maar niet zoveel dat het wiel te zwaar en onstabiel wordt. Het wiel met een trunctiegebied van 2,91 procent produceerde het gladste oppervlak, terwijl die met hogere percentages, tot 5 procent, resulteerden in ruwere afwerkingen en hogere krachten.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om de snelheid van grof slijpen te combineren met de afwerking van precisiepolijsten door zuurstof te gebruiken om de vorm van de snijkorrels chemisch af te stemmen. Het biedt een potentieel pad om hoogwaardige lager-oppervlakken te produceren in minder stappen en met minder tijd. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat hun bevindingen gebaseerd zijn op specifieke tests en dat verdere arbeid nodig is om de chemische reacties volledig te begrijpen en de resultaten met meer monsters te bevestigen, wijst het bewijs op een duidelijke mogelijkheid. Door simpelweg zuurstof aan het slijpproces toe te voegen, waren zij in staat om een ruw, agressief gereedschap te transformeren in een precies instrument dat in staat is om oppervlakken te creëren die glad genoeg zijn voor de meest veeleisende toepassingen.