Metaalslijpen fundamentals: Oorsprong, slijpactie & industriële inzichten

Inhoudsopgave

1. Inleiding tot slijpen
2. Oorsprong van slijpen
3. Slijpactie in slijpen
4. Mechanica van slijpactie
5. Temperatuur bij slijpen
6. Zelfscherpende eigenschappen van slijpschijf
7. Residuele spanningen bij slijpen
8. Oorzaken van te snelle slijpschijfslijtage
9. Oorzaken van slijpschijfverglazing
10. Bedrijfsomstandigheden
11. Gebruik van koelvloeistoffen tijdens slijpen
12. Veiligheid bij slijpen
13. Slijpfouten
14. Thermische effecten van slijpen
15. Factoren die oppervlakteruwheid beïnvloeden
16. Probleemoplossing bij slijpen

1. Inleiding tot slijpen

Slijpen kan ook beschouwd worden als een bewerkingsproces, nl. proces van metaalverwijdering, maar in relatief kleinere volumes. Slijpen betekent 'afschuren', wegnemen door 'wrijving' of 'scherp maken'. Bij slijpen wordt materiaal verwijderd door middel van een rotterende slijpschijf. De actie van de slijpschijf is erg vergelijkbaar met die van een freesmes.

De schijf bestaat uit een groot aantal snijgereedschappen geconstitueerd door uitgekte abrasieve deeltjes in de slijpschijf. Definieerde uiteengezette metaalschroefjes variërend in grootte van 0,4 tot 0,8 mm kunnen waargenomen worden door het verwijderde materiaal onder de microscoop te bekijken.

Tegenwoordig wordt slijpen voornamelijk gebruikt voor de volgende doeleinden:

• Om een heel kleine hoeveelheid metaal van het werkstuk te verwijderen om de afmetingen binnen zeer nauwe toleranties te brengen na alle ruwe afwerkings- en warmtebehandelingsoperaties. Het is dus eigenlijk een afwerkingsproces voor het produceren van nauwe dimensionale en geometrische nauwkeurigheden.
• Soms gebruikt om een betere afwerking op het oppervlak te verkrijgen.
• Soms gebruikt voor het bewerken van harde oppervlakken die anders moeilijk te bewerken zijn met snelle staal gereedschappen of hardmetaal frezen.
• Ook gebruikt voor het scherpen van snijgereedschappen.
• Ook gebruikt voor het slijpen van draad om nauwe toleranties en betere afwerking te krijgen.
• Soms ook toegepast voor hogere materiaalverwijderingssnelheden (abrasieve bewerking).

Slijpen is een van de uiterst belangrijke processen in productiewerk. Het bezit bepaalde voordelen ten opzichte van andere snijprocessen.

Enkele van de voordelen zijn:

• Het is zeer geschikt voor het snijden van geharde stalen etc. Onderdelen die harde oppervlakken vereisen, worden eerst in geannealde toestand tot vorm gebracht, waarbij alleen een kleine hoeveelheid overblijft voor slijpen, afhankelijk van formaat, vorm en neiging van het materiaal om te vervormen tijdens warmtebehandeling.
• Extreem gladde afwerking gewenst bij contact- en lageroppervlakken kan alleen door slijpen geproduceerd worden door het grote aantal snijden op de slijpschijf.
• Geen strepen als gevolg van voeding, omdat de schijf aanzienlijke breedte heeft.
• Zeer nauwkeurige afmetingen en gladde oppervlakteafwerking kunnen in zeer korte tijd bereikt worden.
• Complexe profielen kunnen nauwkeurig geproduceerd worden met relatief goedkope afstel sjablonen.
• Zeer weinig druk is vereist in dit proces, wat het gebruik toestaat op heel lichte werkstukken die anders zouden wegspringen van het gereedschap. Deze eigenschap stelt het gebruik van magnetische spanblokken voor het vasthouden van het werk in veel slijpoperaties in staat.
• Abrasieven hebben een zeer hoge hardheid; zijn minder gevoelig voor hitte vergeleken met andere materialen en kunnen hoge temperaturen aan. Daarom kunnen ze bij hogere snij snelheden gewerkt worden. Slijpschijven hebben zelfscherpende eigenschappen door het vrijgeven van verdofde korrels en het blootleggen van nieuwe scherpe.
• Slijpen is de handige methode om materiaal van materialen na verharding te verwijderen.
• Slijpen hoeft in tegenstelling tot conventionele bewerking niet door de harde huid van smidstukken te snijden.

2. Oorsprong van slijpen

In de vroege stadia werd 'beitel' beschouwd als het handigste gereedschap voor metaalverwijdering. In een beitel is er maar één snijde en meer materiaal kan ermee verwijderd worden maar met zeer slechte afwerking. Voor betere afwerking op materialen begon de mens een vijl te gebruiken. In een vijl zijn er meerdere snijden. Hiermee wordt minder materiaal verwijderd, maar betere afwerking kan verkregen worden. Met de vooruitgang van technologie werd de beitel vervangen door een enkelpunt snijgereedschap om gecontroleerde metaalverwijdering te hebben en de operatie van metaalverwijdering wordt uitgevoerd op diverse werktuigmachines als draaibanken, hobbelmachines, freesmachines etc.

Op dezelfde manier, om de metaalverwijdering te controleren en betere afwerking te verkrijgen met multi-snijde gereedschap, wordt slijpen gebruikt. Het slijpproces resulteert in een verbetering in geometrische nauwkeurigheid van een component (± 0,02 mm) en een verbetering van oppervlakteafwerking (0,1 µm Ra).

3. Slijpactie in slijpen

Het zal waargenomen worden dat een slijpschijf bestaat uit abrasieve deeltjes, bindmiddel en gaten. De uitstekende abrasieve deeltjes fungeren als snijgereedschappentoppen en verwijderen metaal. Een naar behoren geselecteerde slijpschijf vertoont zelfscherpende actie.

Naarmate slijpen voortgaat, worden de abrasieve deeltjes aan de snijde verdofd, en uiteindelijk barsten deze langs de klovingsvlakken door de weerstand die het werkstukmateriaal biedt aan de slijpactie. Dus nieuwe snijpunten worden geproduceerd die verdere slijpactie uitvoeren.

Dit proces gaat door tot de abrasieve korrels versleten zijn tot het niveau van de binding. Op dit punt laat de binding het resterende deel van de versleten korrels van het wiel loskomen, wat nieuwe korrels blootlegt die eerder onder het oppervlak van het wiel zaten en de nieuwe korrels voeren verdere slijpactie uit.

Twee problemen die vaak voorkomen door verkeerde selectie van slijpschijf of verkeerde slijfcondities zijn wielverglazing en wielbelading. Wielverglazing verwijst naar de toestand wanneer de korrels versleten zijn tot het niveau van de binding en te lang vastgehouden worden voor efficiënt slijpen. Dit resulteert door gebruik van een hard wiel (wiel met sterke bindingssterkte en te fijne korrels). Het probleem kan opgelost worden door het wiel te wijzigen en soms door de slijfcondities te wijzigen. Wielbelading treedt op wanneer werkstukschroefjes in het slijpvlak van het wiel ingesloten raken, waardoor de slijpsnelheid vermindert omdat de diepte van penetratie vermindert. Het treedt op door te kleine gaten en kan genezen worden door de wielsnelheid te verhogen of een ander wiel te gebruiken.

Dus de selectie van de slijpschijf voor correct, continu en efficiënt slijpen vereist de correcte selectie van het type abrasief, de korrelgrootte, het type bindmiddel en zijn sterkte, en de grootte van de gaten. Verder wordt het gedrag van de slijpschijf beïnvloed door het werkstukmateriaal, snijsnelheid, snijdiepte en de voedsnelheid.

Hoewel diamant het hardste materiaal is, zijn de toepassingen ervan beperkt vanwege de hoge kosten. Al2O3, SiC en B4C hebben een hoge hardheid in vergelijking met gehard staal en kunnen dus gebruikt worden voor metaalverwijdering door plastische vervorming. Het kan vermeld worden dat snijgereedschapsmateriaal harder moet zijn voor metaalverwijdering door plastische vervorming en ook om zijn vorm te behouden en voor minder slijtage. Omdat het niet mogelijk is om de gewone vorm van snijgereedschap met deze materialen te maken, wordt gebruikgemaakt van de vorm van korrels, de vorm waarin ze in natuurlijke vorm beschikbaar zijn. De korrels van deze materialen (abrasieven) zijn gebonden met een bindmiddel in de vorm van een wiel. De abrasieve korrels op het oppervlak van het wiel fungeren als snijden. Deze zijn willekeurig verdeeld en willekeurig georiënteerd.

4. Mechanica van slijpactie in slijpen

Voor vereenvoudiging kunnen alle korrels als identiek aangenomen worden.

Het gedetailleerde zicht van het schema van schroefvorming tijdens vlak slijpen. De dwarsdoorsnede van ongesneden schroef is ongeveer driehoekig met dikte t en breedte w. Echter, de ongesneden dikte en breedte variëren en laten hun maximumwaarden tmax en wmax zijn. Gemiddelde waarde kan de helft hiervan zijn. De gemiddelde lengte van schroef l = D/2 x θ (D = slijpschijf diameter en θ is zeer klein).

Als f de voeding is (typische waarde 0,2 tot 0,6 m/sec) en W = snijbreedte in mm, totaal volume materiaal verwijderd per eenheidstijd = fdW.

Gemiddeld volume van één schroef = f(1/6) wmax tmax l.

Als N de toer/min van de slijpschijf is, ρ = oppervlaktedichtheid in korrels/mm², dan is het aantal actieve korrels op de rand van het wiel en dus het aantal schroeven geproduceerd per eenheidstijd = πNDW ρ.

Het zal gezien worden dat het wiel zacht zal lijken, als N, D, of ρ afnemen, of f of d toenemen, omdat de waarde van Fav zal toenemen en een meer frequente losslating van de abrasieve korrels zal veroorzaken. In vlak slijpoperatie, radiale kracht FR = 2F.

5. Temperatuur bij slijpen

Een zeer hoge temperatuur wordt bereikt door de top van het abrasieve deeltje tijdens slijpen. Echter geen ernstige verhitting van het wiel treedt op omdat zo'n hoge temperatuur slechts voor een zeer korte duur is en de temperatuurgradiënt bij de slijpkorrels zeer steil is.

De benaderende theoretische gemiddelde schroef/gereedschap interface temperatuur is gegeven door:

Voor fijn slijpen kan schroef/gereedschap temperatuur verlaagd worden door zowel wielsnelheid als schroefdikte te verminderen.

Voor normaal slijpen kan temperatuur verlaagd worden door wielsnelheid te verlagen maar niet door schroefdikte te verminderen. In feite kan thermische schade optreden bij lichte afwerksneden.

Door vloeistof te gebruiken bij slijpen, niet alleen daalt de werkstuktemperatuur en wielslijtage, maar het wiel is minder beladen wat de frequentie van wielafstel vermindert. Echter vloeistof kan oppervlakteschade aan werkstuk niet voorkomen door hoge momentane temperatuur.

6. Zelfscherpende eigenschappen van slijpschijf

In een slijpschijf zijn de snijgereedschappen (punten) onregelmatig gevormd en willekeurig verdeeld. De scherpe randen op de periferie van het wiel nemen deel aan het materiaalverwijderingsproces en worden geleidelijk bot, nl. versleten (doof). Door grotere krachten op hen tijdens bewerking, barsten ze om nieuwe scherpe snijde te presenteren, of worden ze losgeschopt en nieuwe korrels eronder worden blootgelegd en nemen deel aan materiaalverwijdering.

Dit proces geeft slijpschijven de eigenschap van zelfscherpend. Het zal gerealiseerd worden dat de sterkte van de binding (genoemd zijn graad) de maximale kracht bepaalt die een abrasieve korrel kan weerstaan en dit is een belangrijke eigenschap van de slijpschijf. Een wiel met een sterke binding wordt hard genoemd.

De kleine en hete schroeven geproduceerd in slijpoperatie hebben de neiging om te lassen aan wiel of werkstuk. Verder kan een groot aantal korrels een grote negatieve raakhoek hebben door willekeurige korreloriëntatie, en deze slijpen in plaats van te snijden, kunnen wrijven. Deze factoren maken het slijpproces inefficiënt en consumeren hoge specifieke energie.

7. Residuele spanningen bij slijpen

De temperatuur aan de korrel-schroef interface tijdens slijpen bereikt zeer hoge waarde (rond 1500°C). Vanwege hoge temperatuur, kunnen microstructuurveranderingen plaatsvinden door snelle verhitting en afkoeling (door koelvloeistof). De thermische en mechanische effecten kunnen het geslepen oppervlak beïnvloeden tot een diepte van ongeveer 0,2 mm.

Dit zou resulteren in de ontwikkeling van hoge residuele trekkspanningen en als deze hoge waarden bereiken, kunnen oppervlaktescheuren optreden. Figuur toont hoe residuele spanning kan optreden op verschillende diepten met verschillende wielsnelheden in een werkstuk na vlak slijpen. Slijptemperatuur kan aangenomen worden als evenredig met de energie besteed per eenheid oppervlakte geslepen.

Dus temperatuur en de defecten veroorzaakt door hoge slijptemperatuur kunnen verlaagd worden door d, D, ρ of N te verminderen, of door f te verhogen.

De tijd waarin een korrel in contact blijft met de schroef: in de orde van 0,0001 sec.

De korrel-schroef interface temperatuur is gevonden als: waar V = wieloppervlaktesnelheid, R = warmteleidingsvermogen van werkmateriaal, ρc = volumetrische specifieke warmte van het werkmateriaal.

8. Oorzaken van te snelle slijpschijfslijtage

• Te zacht wiel
• Te smal wielgezicht
• Te lage wielsnelheid
• Te hoge werksnelheid
• Verdichting van wiel
• Aanwezigheid van gaten of groeven in het werk.

9. Oorzaken van slijpschijfverglazing

• Te hard wiel
• Te fijn korrel
• Te hoge wielsnelheid
• Te lage werksnelheid
• Wiel beladen met schroeven

10. Bedrijfsomstandigheden

De juiste selectie van diverse bedrijfsomstandigheden is zeer belangrijk voor het succes van elke slijpoperatie.

De diverse bedrijfsomstandigheden en hun effect op slijpoperatie zijn hieronder gegeven:

(i) Wielsnelheid:

De toename in wielsnelheid (met constante voedsnelheid) resulteert in reductie van de schroefgrootte verwijderd door een enkele abrasieve korrel, daarbij de slijtage van het wiel reducerend. Hogere wielsnelheid is beperkt door wielontwerp, type binding, slijpoperatie, vermogen en rigiditeit van de slijpmachine, etc. Wielsnelheid varieert normaal tussen 20 tot 40 m/sec afhankelijk van type binding en verschillende slijpoperaties.

(ii) Werksnelheid:

Toename in werksnelheid verhoogt de wielslijtage, maar verlaagt de gegenereerde hitte. Hoge werksnelheid is beperkt door vooruzijtige wielslijtage en trillingen geïnduceerd door slijtage. Lage werksnelheid resulteert in lokale oververhitting, wat het geharde werkstuk vervormt/laat aanlopen en de mechanische eigenschappen beïnvloedt.

Om wielslijtage te verminderen, moet de werksnelheid verlaagd worden. Als de gegenereerde hitte meer is, treedt verstopping op, met name bij harde wielen, de werksnelheid moet verhoogd worden. Voor ruwe operaties varieert werksnelheid van 11 tot 50 m/min en voor afwerkoperaties van 6 tot 30 m/min in het geval van cilinder slijpen. Werksnelheid voor intern slijpen varieert tussen 15 tot 30 m/min en voor vlak slijpen tussen 8 tot 15 m/min.

(iii) Voeding:

Materiaalverwijderingssnelheid wordt verhoogd door de in-voeding of in-voersnelheid te verhogen, maar het resulteert in grotere wielslijtage en slechte afwerking, wat dimensionale en geometrische nauwkeurigheid beïnvloedt.

Toename van dwarsvoeding of kruisvoeding verhoogt wielslijtage en produceert slecht oppervlak. Meestal wordt de waarde aangepast aan 2/3 tot 3/4 van de wielbreedte bij slijpen van staal en 3/4 tot 5/6 van wielbreedte bij gietijzer werkstuk.

(iv) Oppervlakte van slijpcontact:

Wanneer contactoppervlakte groot is (zoals bij intern slijpen, vlak slijpen en met grotere diameters van werk met kleine diameter wiel), is eenheidsdruk laag, en voor continu vrije slijpactie wordt een zachte graad wiel gebruikt. Grovere korrel wordt gebruikt om adequate schroefruimte tussen abrasieve korrels te bieden. Fijnere korrel en harder graad wielen worden gebruikt wanneer contactoppervlakte klein is.

11. Gebruik van koelvloeistoffen tijdens slijpen

Veel warmte wordt gegenereerd bij het contact van slijpschijf en werkstuk tijdens slijpoperatie, waarvan het merendeel overgedragen wordt aan het werkstuk. Slijpvloeistoffen helpen overmatige verhitting van werkstuk te voorkomen en het wiel te spoelen.

Slijpvloeistoffen die zwavel of chloor additieven bevatten helpen de snijkracht te reduceren en de oppervlakteafwerking te verbeteren en de levensduur van de slijpschijf te verlengen. Meestal worden watergebaseerde emulsies en slijpolie in voldoende hoeveelheid (15-20 liter/min voor normaal middelgrote slijpmachine) gebruikt voor dit doel.

De vloeistof wordt gericht naar de interface tussen wiel en werkstuk zodat het een film van lage schuifsterkte tussen het wiel en het werk kan creëren. De vloeistof wordt onder druk toegevoerd met speciale zuigers, zodat de luchtfilm om het wieloppervlak door hoge snelheid, gepenetreerd wordt. Om verstopping in het wiel door fijn deeltjes te voorkomen, wordt de slijpvloeistof fijn gefilterd.

12. Veiligheid bij slijpen

Elke onveilige praktijk bij slijpen kan gevaarlijk zijn voor de operatie en verdient zorgvuldige aandacht.

Belangrijke aspecten zijn:

• Monteren van slijpschijven: Het wiel moet correct in de spindel gemonteerd zijn en omgeven door een beschermkap. Wielboorgat mag geen strakke pasvorm op de bus hebben.
• Wielsnelheid: De maximum wielsnelheid wordt bepaald door de uiteindelijke barssterkte van het wiel en hangt af van het gebruikte abrasief, korrelgrootte, binding, structuur, graad, vorm en grootte van het wiel. De waarde wordt gespecificeerd door de fabrikanten en mag nooit overschreden worden.
• Wielinspectie: Wielen vóór monteren controleren op schade in transit, scheuren en andere defecten. Ringtest is goed genoeg voor vitreuze binding. Geluidige wielen, wanneer licht getikt op 45° van de verticale lijn met een plastic hamer, klinken als een helder metalen geluid maar het gescheurde wiel zal niet ringen. Wielen, wanneer niet in gebruik, moeten opgeslagen worden in een droge plaats en op hun randen in rekken geplaatst.
• Wielbeschermers: Deze moeten altijd gebruikt worden tijdens slijpen, en periodiek aangepast worden ter compensatie voor wielslijtage.
• Stofafzuiging en gezondheidsvoorzorg: Bij droog slijpen, voorziening treffen voor afzuigen van slijpstof. Beschermende kapjes van machine mogen nooit verwijderd worden terwijl machine in gebruik is. Operator moet veiligheidsapparatuur dragen om ogen en lichaam te beschermen tegen vliegende abrasieve deeltjes en stof.
• Wieloperatie: Voldoende vermogen is essentieel in slijpmachines. Als vermogen niet adequaat is, dan zullen wielen vertragen en vlakke plekken ontwikkelen, wat het wiel uit-balans laat lopen. Bij nat slijpen, mag het wiel niet gedeeltelijk gedoopt worden, want dit zou het wiel ernstig uit balans brengen.

13. Slijpfouten

Twee veelvoorkomende fouten door onjuiste keuze van wiel of onjuiste slijfconditie zijn:

• Beladen
• Verglazen.

Beladen treedt op wanneer ruimtes tussen de abrasieve korrels verstopt raken met deeltjes van het metaal dat geslepen wordt. Als zodanig projecteren de korrels niet voldoende om efficiënt slijpen te promoten. Het treedt op door slijpen van zachte metalen met open gestructureerd wiel. Verglazen is herkenbaar aan glanzend uiterlijk op het gezicht van het wiel. Het treedt op door abrasieve korrels die dof worden en niet loskomen van de binding. Dit gebeurt wanneer wielen te hard zijn voor het materiaal dat geslepen wordt. Verglazen kan verminderd worden door wiel- of werksnelheid te verhogen.

Oppervlakteafwerking en specifiek vermogensvereiste kunnen ook geïncorporeerd worden om de algehele prestaties van de slijpschijf te beoordelen. In dat geval is slijpverhouding gelijk aan de verhouding van de hoeveelheid materiaal geslepen per hoeveelheid wielslijtage en het product van specifieke slijpvermogen en oppervlakteafwerking op proefstuk.

14. Thermische effecten van slijpen

Tijdens het slijpproces wordt veel warmte gegenereerd tussen het snijgereedschap en werkstuk. Een groot deel van de warmte wordt gedissipeerd in het werkstuk en de rest wordt bewaard door de slijpschijf.

Twee thermische effecten van slijpen zijn:

1. Effect op slijpschijf: Vanwege warmteontwikkeling ontstaan scheuren die slijpscheuren genoemd worden. De scheuren zijn loodrecht op de slijpsporen.
2. Effect op werkstuk:
   • (a) Verkleuring: Oxydatie van oppervlakken vindt plaats bij 200°C producerend metaaloxiden. Deze oxiden hebben verschillende kleuren dan het moedermetaal. Met andere woorden, we kunnen zeggen dat dit leidt tot verkleuring van werkstuk. De warmteontwikkeling is door doffe korrels die leiden tot verbranden van oppervlak.
   • (b) Mechanische schade: Vanwege scherpte van korrels vormen zich krassen op het metaaloppervlak.
   • (c) Metallurgische schade: Vanwege warmteontwikkeling vormen breeke scheuren op het oppervlak.
   • (d) Chemische schade: Vanwege warmteontwikkeling vormen chemische oxiden.

15. Factoren die oppervlakteruwheid beïnvloeden bij slijpoperatie

Oppervlakteruwheid bij slijpen hangt af van slijpschijf (zijn diameter, abrasief, hardheid, afstel, slijtage) en slijfcondities (wielsnelheid, werksnelheid, lengtevoeding, werkstukdiameter).

16. Probleemoplossing bij slijpen

Diverse fouten die tijdens slijpen kunnen optreden en diverse oplossingen om ze te overwinnen zijn hieronder gegeven:

• Snelle wielslijtage: Kan opgelost worden door: (a) harder wiel gebruiken, (b) wielsnelheid verhogen, (c) dwarsvoeding en werksnelheid verlagen, en iets de snijdiepte verminderen.
• Wielverglazing: Treedt op door onjuiste afstel, verkeerde wielselectie en gebruik van lage dwarsvoeding en hoge werksnelheid. Oplossing: wiel scherp houden, zachter wiel of grovere korrel gebruiken, wielsnelheid verlagen en snelle dwarsvoeding, grotere insnijdiepte en snijdiepte verhogen.
• Kruismeulstrepen: Oplossing door: (a) wiel correct balanceren, (b) juist afstelgereedschap gebruiken, (c) zachtere graad of grovere korrel gebruiken, (d) machine trillingen verminderen door lagers en funderingen te controleren, en spindellagers aan te passen, (e) riemschijf vastdraaien, (f) geschikte steunen of spanners voor grote jobs gebruiken.
• Grove afwerking: Kan door te grof wiel of te zacht wiel veroorzaakt zijn.
• Wielbeladen: Oplossing door zachter of porieus structuur wiel te gebruiken; scherpere afstel, ruime hoeveelheid schone koelvloeistof. Onregelmatige strepen van verschillende lengtes en breedtes kunnen optreden door vuile koelvloeistof. Diepe onregelmatige strepen door losse wielflenzen.
• Oververhitting werkstuk: Treedt op door verkeerde wielselectie. Oplossing: zachter wiel gebruiken en voldoende koelvloeistof.