Mikroniek nummer 2 1993 Richtlijnen voor het sliipen vn technisch kermiek Eigenschppen, fbricge en toepssing vn technische kermiek (3) J.J. Surwlt Een vn de meest toegepste nbewerkingsmethoden voor technische kermiek is het slijpen met dimntschijven. n vergelijking met ndere bewerkingsmethoden kn hiermee met een reltief hoge fnmesnelheid een goede eindkwliteit behld worden. Thermische processen gn meestl geprd met hoge vermogensdichtheden wrdoor ongewenste vernderingen vn de oppervlktekwliteit door smelten, stollen, scheuren en fseovergngen kunnen pltsvinden. Mechnisch bewerken met gedefinieerde snijknten, zols bij drien en frezen, is moeilijk zo niet onmogelijk vnwege de hoge hrdheid vn kermische mterilen. Polijsten en leppen zijn voorl geschikt ls nbewerkingstechniek vnwege de geringe fnmesnelheid. noodzkelijke oppervlktebetrouw l voldoet. Zo hoeft men bij een grof brheid en de microstructuur vn het korrelig kermiek niet extr veel kermiek te betrekken. Het heeft bij moeite te doen om beschdigingen voorbeeld geen zin een contour met (scheuren) te voorkomen, omdt enerveel moeite uit te slijpen ls de fwer zijds de korrelgrootte zelf l een deking vn een lsergesneden produkt fectstructuur voor het kermiek is, en gemiddelde grootte vn de slijpkorrel [pm] D126 D46 omtreks i;pen insteek tngent il richting ruwheid R NKAA,O, Alsint 99,7 lngs 0,52 1,38 dwrs 0,77 1,O9 lngs 0,21 0,49 dwrs 0,44 0,65 front C i jpen ~2ELJ tngent l _i n het lgemeen kn gesteld worden dt de slijptechniek moeilijk vstgelegd kn worden vnwege het brede scl vn beschikbre slijpmethoden enerzijds, zie figuur 1, en het grote ntl procesprmeters nderzijds, zie figuur 2. n de prktijk wordt het slijpproces prllel sterk beinvloed door slijtge, verstopping, toenemende onrondheid en tempertuurstijging vn de slijpschijf en de veell niet constnte kwliteit vn de te bewerken kermische mterilen. Een ntl vn deze specten wordt nder toegelicht, wrbij tevens een ntl prktisch toepsbre nchthjnen wordt gegeven. + l De invloed vn de kwliteit vn het kermiek Alvorens een bewerking te strten dienen de eisen ten nzien vn de nuwkeurigheden en ruwheden te worden bekeken. Bij het slijpen vn kermiek is het verstndig drbij dn ook de Figuur i. illustrtie vn de indeling vn de belngrijkste slijpbewerkingen. Hierin is vc de snijsnelheid en d, vfr, vh de snelheid vn de tfelvoeding in respectievelijk xile, rdile, tngentile richting.
Mikroniek nummer 2 1993 nderzijds het slijpen voorl op het uitbreken vn korrels zl berusten wt niet snel in beschdigingen groter dn het korrelniveu zl resulteren. De korrelgrootte is ook direct vn invloed op de ruwheid, zie tbel 1. Bij grofkorrelig kermiek met een dichtheid vn circ 96% is lleen een supergld oppervlk te verkrijgen door het dicht(ver)smeren vn het oppervlk. Tijdens het bewerken blijkt direct l SLJPEN Figuur 2. VAN TECHNSCHE KERAMEK de invloed vn de verschillende kwliteiten. De slijpkrchten die optreden bij het slijpen vn grofiorrelig luminiumoxyde, zols bijvoorbeeld de Alsintkwliteit, liggen op hetzelfde niveu ls die bij het slijpen vn venstergls. Vergeleken met fijnkorrelig luminiumoxyde krijgt men een heel nder verloop vn de slijpkrchten ls functie vn het verspnde volume per eenheid slijpschijfbreedte, zie figuur 3. Drnst dient rekening gehouden te worden met de thermische geleidbrheid vn de verschillende soorten kermiek. De oxydische kermieken zijn in het lgemeen isoltoren, terwijl nitriden en crbiden goede wrmtegeleiders zijn. Belngrijke mechnische eigenschppen, die een indictie vn de slijpbrheid geven, Lijn hrdheid gecombineerd met de scheurweerstnd (Kc). Globl gezien geeft de volgende reeks de bewerkbrheid vn moeilijk tot reltief gemkkelijk weer composieten op bsis vn A1203 en ZrO? heet geperst Si3N4 Si3N4, Zr02, Silon Sic A1203. RESULTATEN WERKSTUK vormen mtnuwkeurigheid opperviktegesteldheld SLJPSCHJF slijtge oppervlkteverndering SLJPVLOESTOF concentrtie zuiverheid tempertuur F, Alsint() PROCES KENMERKEN Slijpverhoudlng Slijpkrchten Slijptijd + F, Alsint + F, NKA(b) + F, NKA 12 r P 2 b lot 76: >fl Alsint 99,7 vn HALDENWANGER 4 Alzo3 vn NKA O O 500 1000 1500 Verspnd volume per eenheid vn slijpschijfbreedte V, [mm3/mm] Figuur 3. Pendelsliipen vn twee kwliteiten Abo,. Shipschiif: 1A1, D126, C75,Bz387; vc = 30 m/s, vft = 10 mlmin, f, = 10 pm. Sliipcondities en slijptechnieken De soort slijpschijf en de slijpcondities stn direct in reltie met de gebruikte slijpmchine en het werkstukmteril n principe wordt een compromis gezocht tussen totle slijpdruk, de slijpkrcht (snededikte) per korrel, het trillingsniveu, de thermische belsting en de constntheid vn het slijpproces. Om kermiek zo min mogelijk te beschdigen zijn slijpcondities nodig met een kleine snededikte per slijpkorrel [i]. n principe kn dit worden gereliseerd door: het gebruik vn slijpschijven met een kleine korrelgrootte; het slijpen met een hoge slijpsnelheid; het kruipslijpen. Het gebruik vn een fijnere slijpkorrei bij dezelfde concentrtie levert veel meer slijpkorrels op. Hierdoor ontstt per korrel een kleinere snededikte, zie figuur 4 [2]. Een ndeel vn fijnere slijpschijven is dt de toepsbre nzet en drmee de fnmesnelheid ook
i ~ k Mikroniek nummer 2 1993 55 Eigenschppen, fbrikge en toepssing vn technische kermiek (3) sterk fneemt. Om dit te ondervngen deelt men het slijpen op in de stppen voorslijpen en nslijpen. Bij het nslijpen dient de beschdigde lg vn het voorslijpen te worden verwijderd. Dit kn betekenen dt dn 50 tot 100 pm fgeslepen moet worden. Het voorslijpen gebeurt in het lgemeen met een korrelgrootte groter dn of gelijk n 126 pm (codering D126) en het nslijpen met een korrelgrootte kleiner dn of gelijk n 46 pm (codering D46). n de prktijk wordt dit uitgevoerd met een pendelslijpinstelling, wrbij per keer een lgdikte vrierend vn 0,5 tot 50 pm wordt fgeslepen. De slijpkrchten per eenheid (1 mm) slijpschijfbreedte liggen met deze methode tussen 5 en 35 Nímm (in normlrichting). n principe zijn lle slijpschijven voor Stuikzone Tempertuur Werkstuk stoten ßindingsnrd, bros/stijf, lge eiger,schpen zcht, tielstisch, emping, tempertuur,. hoge demping, tempersstheid hoog tuurvstheid lg icheur EN VERSCHUVNG deze methode geschikt. Vk worden echter kunststofgebonden dimntschijven gebruikt met een vrij brosse, vn een nikkellgje voorziene dimntkorrel. De reden hiervoor is dt de krchten per korrel bij pendelend voorslijpen hoger zijn dn bij kruipslijpen, op grond wrvn de korrels sterker in de binding vernkerd moeten zijn. Bij het verhogen vn de omtreksnelheid vn de slijpschijf worden meer korrels gebruikt om hetzelfde rnterilvolume te verwijderen. Per korrel neemt de snededikte hierdoor dus f. Het gebruik vn hogere slijpsnelheden wordt in feite begrensd door thermische effecten, grfitiseren of sterk fronden vn de dimntkorrels en het optreden vn ndelige effecten n het slijpen vn wfers snijsnelheden vn 70 m/s 5 u met ongebruikelijk. Een slijpmchine moet hiervoor wel geschikt zijn omdt bij conventionele slijpmchines boven c. 35 à 40 m/s llerlei ongewenste trillingen optreden [3]. Kruipslijpen Slijpen met een zeer grote snededikte gecombineerd met een lngzme voeding vn het werkstuk wordt kruipslijpen of diepslijpen genoemd. Hierbij ontstt een groot contctvlk tussen schijf en werkstuk. Op korrelniveu wil dit zeggen dt erg veel slijpkorrels gelijktijdig in het slijpproces ctief zijn. Hierdoor is de snededikte per korrel gering. Het grote voordeel vn kruipslijpen is dt de fnmesnelheid niet kleiner is dn bij het pendelend voorslijpen, en vk zelfs hoger doordt geen tijd verloren gt n de loze pendelslg. Bij het kruipslijpen vn kermiek liggen de Drktisch bruikbre snededikten tussen O, 1 en 1 O rnm. i 0 20 40 60 80 100 slijpkorrelgrootte [pm] 500 400 300 T Y l O 20 40 60 80 100 slijpkorrelgrootte [pm] ERAMEK stoten ONGEVU C METAAL FENOLARS SPECAALHARS RuBBCR ECAST, Figuur 4. Buigsterkte vn luminiumoxyde fhnkelijk vn de slijpkorrelgrootte,, bii loodrechte (links) en prllelle slij richting (rechts]. Specifictie vn het Al203: gemiddeide korrelgrootte 24 p~; mximum korrel grootte 10 12 pm; dichtheid 3,83 g/cm3; zuiverheid 99,56%; sintertempertuur 1610 1630 OC. mteril Sintermetl A Alfenol Fenol PUhrdschuim hrdheid 1 Emodulus 1 contct stijfheid contctslpheid jemping 0,003 0,010 0,015 0,060 0,090 Figuur 5. Elstisch gedrg vn bindstffen Figuur 6. Eigenschppen vn enige drgermterilen voor sliipschijven.
Mikroniek nummer 2 i993 Problemen bii het kruipsliipen Een ndeel vn deze techniek is dt de totle krchten ongeveer een 10 ml hoger niveu liggen ls bij het pendelslijpen en drn nog sterk toenemen. Deze hoge krchten veroorzken grote slijpproblemen. Niet lleen buigt de slijpmchine uit, mr ontstn ook vk zelfexciterende trillingen, wrdoor een steeds sterkere onrondheid vn de slijpschijf wordt opgebouwd. Bij een sttische stijfheid vn de slijpmchine vn 30 N/ym, gecombineerd met een slijpkrcht vn 120 N/mm en een ctive snedebreedte vn 5 mm, ontstt een uitbuiging vn de mchine vn 20 ym. Deze mtfwijking is niet te corrigeren zonder n te pendelen en is zeer groot ten opzichte vn de minimle verpltsing vn 0,5 ym die moderne slijpmchines kunnen reliseren. De trillingen vormen echter een groter probleem. Wnneer een slijpschijf door trillingen onrondheid opbouwt in de orde vn micrometers, is dt meer dn de lokle snededikte per korrel. De gewenste geringe snededikte door het grote ntl ctieve korrels treedt niet meer op en het proces wordt frezen met één snijtnd wt tot ernstige beschdiging vn het kermiek kn leiden [i]. Voorl het wel of niet optreden vn deze trillingen (de dempingskrkteristiek) en de sttische stijfheid zijn erg mchinefhnkelijk [3]. Uit eigen proefnemingen bleek een mchine, volledig uitgevoerd met voorgespnnen hydrosttische lgeringen, tot nu toe het minst gevoelig voor de vorming vn deze trillingen en bijbehorende onrondheid. Zelfs met niet geblnceerde schijven bleken hiermee zeer goede slijpresultten mogelijk. Een tweede probleem bij kruipslijpen is de koeling en de fvoer vn het verspnde mteril. n het lgemeen wordt drom met niet te hoge slijpsnelheden gewerkt, veell kleiner dn 35 ds. Om trillingsproblemen te minimliseren worden veell kunststofgebonden slijpschijven gebruikt die in verhouding goede dempende eigenschppen hebben, zie figuur 5 [3]. Ook het drgermteril vn de slijpschijf speelt hierbij een belngrijke rol, zie figuur 6 [3]. Omdt de di mntkorrel slechts zeer ondiep lngs en door het mteril slijpt, rondt deze zeer sterk f. Om deze reden wordt een brosse, ongecote dimnt gebruikt die mkkelijk versplintert of uit de binding komt. Ndeel vn de kunststofgebondenschijven is echter de slechte wrmtegeleiding en de geringe ruimte voor verspnd mteril en koelvloeistof. Het is mogelijk dt reltief poreuze kermisch gebonden slijpschijven hiervoor een betere oplossing kunnen bieden. Ook zouden bij zeer stijve slijpmchines met zeer goede dempende eigenschppen inetlgebonden slijpschijven ntrekkelijk kunnen zijn in verbnd met de slijtvstheid gecombineerd met de goede wrmtegeleiding. De beide mogelijkheden worden nog nder onderzocht. Sliiprichting De slijprichting, mee of tegenlopend, kn het beste gekozen worden n de hnd vn eigenschppen vn het kermiek. Zircoonoxyde dit lijkt zich bij kruipslijpen min of meer ls een metl te gedrgen omdt er ddwerkelijk sprke is vn spnvorming kn het best tegenlopend geslepen worden, wrbij de korrel geleidelijk steeds dieper gt snijden. Dn wordt niet het gros vn het fgeslepen mteril tussen schijf en werkstuk meegevoerd. Het meer brosse luminiumoxyde kn het best meelopend geslepen worden. De korrel treedt dn met de volle snededikte in en heeft zodoende de grootste kns te versplinteren, wrdoor zich weer nieuwe scherpe snijknten vormen, terwijl het pulverchtige slijpsel minder problemen geeft. De slijpschijf en voorbereiding Uit voorgnde prgrf bleek reeds dt de slijpschijf voor wt betreft binding, structuur, dimntsoort en concentrtie fgestemd moet zijn op de soort en de kwliteit vn het te slijpen kermiek, de slijpmethode en de eigenschppen vn de slijpmchine. n de glsbewerking bestt een sterke trditie om bronsgebonden slijpgereedschp te gebruiken. Voor het slijpen vn technische kermiek is dit gereedschp minder geschikt. n een bronsbinding worden nmelijk meest l regelmtige monokristllijne dimntkorrels gebruikt die sterk de neiging hebben tot fronden en drdoor hoge normlkrchten opbouwen. Omdt in Nederlnd voornmelijk lichte slijpmchines gebruikt worden, leiden deze hrde schijven tot opbouw vn onrondheid en drdoor tot een stotende belsting op het kermiek. Dit effect wordt versterkt door het moeilijk profileerbr zijn vn deze hrde binding, wrdoor deze schijven niet snel op de mchine te profileren zijn voor nvng vn de slijpbewerking. n het lgemeen zullen kunststofgebonden schijven, met polykristllijne dimntkorrels, zijnde een gglomertie vn kristllen, de voorkeur genieten. Voor lgemeen gebruik geeft de uitvoering met vernikkelde dimnten de beste resultten, terwijl bij kruipslijpen of bijzondere tempertuurkritische bewerkingen onbedekte dimnten de voorkeur genieten. Voor de nvng vn het slijpen en voorl bij kruipslijpen is het vn essentieel belng om de slijpschijf exct rond te mken, te scherpen en te blnceren. De bestnde trditie om met de hnd met een scherpsteen te scherpen geeft veell nleiding tot onrondheid, omdt de scherpteconditie over de gehele omtrek vn de slijpschijf ongelijkmtig kn worden. Het verdient de voorkeur om met behulp vn een kruipslijpinstelling de slijpschijf te scherpen, of een utomtische scherpsteentoevoer n te brengen wrmee ook tijdens het slijpen scherpen mogelijk is. Voor het rondmken vn een slijpschijf is het overslijpen vn zcht stl een ntrekkelijke methode omdt n het slijpbeeld direct fgescht kn worden of de schijf rond is. Zodr het v1kjes ptroon verdwenen is, wt kenmerkend is voor onrondheid, is de schijf goed. De beste resultten worden verkregen door een lge snijsnelheid te gebruiken (10 à 15 m/s) wrdoor veel spn ontstt en hiermee pendelend (nzet circ 30 pm) met een continue dwrsvoeding een plt te overslijpen. Wnneer veel schijven per dg gewisseld worden of er zwrdere metlgebonden schijven gebruikt worden, is een utomtische blncering n te bevelen.
unipk Mikroniek nummer 2 1993 Eigenschppen, fbrikge en toepssing vn technische kermiek (3) Beheersing vn het slijpproces De grootste problemtiek bij het slijpen wordt veroorzkt door het feit dt het slijpen geen sttionir proces is. Bij het slijpen vn kermische mterilen zijn voorl de continu oplopende slijpkrchten een probleem. Dit probleem kn gedeeltelijk ondervngen worden door een goede reiniging vn de slijpschijf met een koelvloeistofstrl onder hoge druk tegen de dririchting in. Wnneer dit niet voldoende is kn met behulp vn een continue scherpsteentoevoer gezorgd worden voor uitbreuk vn fgesleten dimnt. n figuur 7 [4] wordt dit gedemonstreerd. Zonder toevoer vn de scherpsteen, Q Sb=O, neemt de normlkrcht toe ls functie vn het verspnd volume Bij Q Sb= 0,2 mm3/mm.s is de toenme minder sterk, terwijl in lle gevllen door een tijdelijke verhoging vn de scherpsteentoevoer de slijpkrchten weer fnemen. Bij serieproduktie kn tevens de dimntschijf fgestemd worden op het slijpproces. Of met deze technieken de opbouw vn trillingen bij kruipslijpen voldoende onderdrukt kn worden is nog onderwerp vn nder onderzoek. het gebruik vn slijpolie. n de prktijk is de filtrtie vn de koelvloeistof bij het slijpen vn kermiek een probleem. Het grootste gedeelte vn het kermiekslijpsel bevindt zich in de ordegrootte vn l 10 pm, wt met een bndfilter niet verwijderd wordt Het filteren vindt dn ook ps plts ls de deeltjes onderling zijn gn gglomereren, wrdoor ze lsnog uitgefilterd worden. De beste ervring tot nu toe is bereikt met centrifugeren. Het belng vn filtrtie is zeer groot. Het is niet lleen het behoud vn de hele slijpinstlltie, mr ook vn het slijpproces, opdt de schijf niet nodeloos verstopt rkt met kermisch slijpsel. Conclusies en opmerkingen Concluderend kn gesteld worden dt voor het slijpen vn kermische mterilen de slijpcondities en het slijpschijftype fgestemd dienen te worden op de eigenschppen vn het te bewerken mteril en de te gebruiken slijpmchine. Voor de opbouw vn de hiervoor noodzkelijke kennis wordt bij het Energieonderzoek Centrum Nederlnd te Petten sinds 1986 onderzoek uitge voerd op het gebied vn het bewerken en met nme het slijpen vn technische kermiek. Dit onderzoek wordt gedeeltelijk in smenwerking met de TU Delft en met ondersteuning vn het nnovtiegericht Onderzoekprogrmm Technische Kermiek (OP TK) uitgevoerd. Litertuur [] Surwlt, J J, Kwliteitsbeheersing bij het bcwerken vn kermische onderdelen voor structurele toepssingen, Klei Gls Kermiek lo(1991) [2] Mtsuo, Y, Ogswr, T, Kimur, S., Ysnd, E, Sttiwcl nlysis of the effect of surfce gnnding on the strength of lumin using Weibull s multimodl function, Journl of Mtenls Science, No 22, 1987, p 14821488 [3] Lutz, G., Eiiiflus von Schwingungen beim Flchpendelschleifen, Schleifen und Trennen, 115(1991) p. 16, tijdschnft vn TYRO LYT [4] Tio, T.H, Neueste Eikentnisse in der Berbeitung von Kermiken durch Pendelplnschleifen. Vortrg nlsslich des Arbeitskreises Kermikherbeitung, Produktionstechnisches Zentium Belin, Oktober 1988 Auteursnoot Dr ir J J Surwlt is verbonden n het Ntionl Kermisch Atelier NKA, Service Unit Technologie vn het Energieonderzoek Centrum Nederlnd Filtrtie vn koelvloeistof Een zeer belngrijk mr moeilijk te beheersen punt bij het slijpen is de koeling. n de eerste plts kn het soort koelvloeistof het gedrg vn het kermiek beïnvloeden. Ten tweede kn men zich fvrgen of het hittebestendige kermiek wel gekoeld moet worden. Flitstemperturen ontstn, mede door de geringe smerende werking vn wter, toch wel. De directe fkoeling vn het mteril door het wter, n pssge vn de slijpkorrel, veroorzkt wel een tempertuurschok wr verschillende kermische kwliteiten slecht tegen kunnen. Principieel lijkt het om beide redenen dn ook beter om met olie te slijpen. Het mteril gedrgt zich tier en er ontstn door de betere smering minder hoge flitstemperturen en het mteril wordt drn minder snel fgekoeld. Prktische belwren zols gebruiksgemk, filtrtie, brndgevr en milieubelsting zijn een belemmering voor 60..= N mm 5 i?2 g 40 & :) G 30.3 c 20 8 *s cd 10 E o Werkst off PCFJ Schleifscheibe D 126 Kt888 RY CSO Kühlschmierstoff Eniulsiori L S /O v, = 35mls vl,: 10rnlrnin e = 30 Frn. T i Korundblock ~~.j b í b p <chzr fen vfsb :0,2 bis 0.5 mrn/rniri <orundblock b,,: 2L miri (3prnls bis 8pm/s Sb bsb f5b O Sb 0.08 mrn /mrn.s bis drsb = vl = 35 mls 0.2 nirn /mrns Verspnd volume per eenheid slijpschijfbreedte V, Figuur 7. nvloed vn de scherpsteentoevoer op het verloop vn de normlkrcht ls functie vn het verspndvolume per eenheid slijpschijfbreedte. Q,b is de fnmesnelheid vn de scherpsteen per eenheid sliipschi jfbreedte.