UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Obdelava keramike - MACOR
Domen Fink
Ljubljana, avgust 2021
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo - Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Obdelava keramike - MACOR
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program
Domen Fink
Mentor: prof. dr. Franci Pušavec, univ. dipl. inž.
Ljubljana, avgust 2021
v
Zahvala
Zahvaljujem se svojemu mentorju prof. dr. Franciju Pušavcu za strokovno pomoč, usmeritve in spodbude pri nastajanju zaključnega dela, ter možnost uporabe sredstev v laboratoriju. Zahvala gre tudi asistentu Jaki Dugarju, ki je bil v veliko pomoč pri praktični izdelavi reprezentativnih izdelkov ter podajanju smernic za izdelavo zaključnega dela.
Nazadnje pa se zahvaljujem družini, prijateljem in svojemu dekletu za spodbudo, pomoč pri izdelavi zaključne naloge in finančno podporo v času študija.
vi
vii
Izvleček
UDK 666.3:621.941(043.2) Tek. štev.: UN I/1538
Obdelava keramike - MACOR
Domen Fink
Ključne besede: keramika obdelava struženje frezanje MACOR
Zaključna naloga obravnava glavne lastnosti keramike Macor, ki so pomembne pri njeni uporabi in postopkih doseganja željene oblike. Njena najpomembnejša značilnost je sposobnost obdelave s postopki odrezovanja. Gre za obdelavo nevsakdanjega materiala s specifičnimi lastnostmi, zato so bile v nalogi podane smernice za obdelavo na konvencionalnih frezalnih strojih z orodji za obdelavo kovin. Izdelalana sta bila 2 reprezentativna izdelka na frezalnem stroju. Za vsak posamezen izdelek je bil uporabljen drug material orodja, enkrat iz hitroreznega jekla in enkrat iz karbidne trdnine. Analiza izdelkov je bila opravljena z digitalnim mikroskopom in je pokazala, da je površina izdelka obdelana z orodjem iz karbidne trdine boljša, krušenje robov na vhodu in izhodu orodja v material pa manjše. Na vhodni strani prihaja do krušenja robu na površini, ki je obdelana istosmerno, na izhodu pa na robu površine obdelane protismerno.
viii
Abstract
UDK 666.3:621.941(043.2) No.: UN I/1538
Machining of MACOR ceramic
Domen Fink
Key words: ceramics machinability turning milling MACOR
The thesis contains the main properties of Macor ceramic, which are important for its use and during processing for achieving the desired shape. Its most important feature is the ability to be machined. The processing is unusual, as the material with specific properties is used, that is why in this thesis there are provided guidelines for machining this ceramic on conventional milling machines with metalworking tools. Two representative products were made on a milling machine. For each sample a different tool material was used, one from high-speed steel and one from tungsten carbide. The analysis of the products was made with a digital microscope, and it showed that the surface of the product treated with carbide tool is better. The chipping of the edges at the tool entrance and exit into the material is smaller. The chipping is noticed at the entrance of the tool where it is downmilled, and at the exit where it is upmilled.
ix
Kazalo
Kazalo slik ... xii
Kazalo tabel ... xiii
Seznam uporabljenih simbolov ... xiv
Seznam uporabljenih okrajšav ... xv
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 1
2 Teoretične osnove ... 2
2.1 Keramika ... 2
2.1.1 Tehnična keramika ... 2
2.2 Prednosti in slabosti keramike ... 3
2.2.1 Prednosti ... 3
2.2.1.1 Trdota ... 3
2.2.1.2 Tlačna trdnost ... 3
2.2.1.3 Nizka gostota ... 3
2.2.1.4 Dobra obrabna odpornost pri povišani temperaturi ... 4
2.2.1.5 Dobre električne lastnosti ... 4
2.2.1.6 Termične lastnosti ... 4
2.2.1.7 Korozijska odpornost ... 4
2.2.2 Slabosti ... 4
2.2.2.1 Slaba natezna in strižna trdnost ... 5
2.2.2.2 Krhkost ... 5
2.3 Primerjava osnovnih značilnosti materialov ... 5
2.4 Vrste tehnične keramike ... 6
2.4.1 Obdelovalna keramika ... 6
2.4.2 Neobdelovalne keramike ... 6
2.5 MACOR – obdelovalna steklokeramika ... 6
2.5.1 Kemična sestava MACOR-ja ... 7
2.5.2 Mehanske lastnosti keramike MACOR ... 7
2.5.3 Termične lastnosti keramike MACOR ... 8
2.5.4 Uporaba keramike MACOR ... 8
2.5.5 Omejitve pri uporabi keramike MACOR ... 9
2.5.6 Sposobnost spajanja ... 9
x
2.6 Primerjava keramike MACOR z njej podobnimi materiali ... 10
2.6.1 Primerjava keramik MACOR in Shapal ... 10
2.6.2 Primerjava keramike iz aluminijevega oksida in keramike MACOR ... 10
3 Obdelovalnost ... 12
3.1 Metode za opredelitev obdelovalnosti ... 12
3.1.1 Glede na življenjsko dobo orodja ... 13
3.1.2 Glede na obdelovalne sile in porabo energije ... 13
3.1.3 Glede na kvaliteto površine ... 13
3.1.4 Stopnja obdelovalnosti ... 13
3.2 Obdelovalnost keramike MACOR ... 14
3.2.1 Orodja za obdelavo ... 15
3.2.1.1 Orodja iz hitroreznih jekel ... 16
3.2.1.2 Orodja iz karbidne trdnine ... 18
3.3 Življenjska doba orodij iz KT in HSS ... 20
3.4 Gibanje pri postopkih odrezovanja ... 21
3.4.1 Glavna gibanja ... 21
3.4.2 Pomožna gibanja ... 22
3.5 Parametri odrezovanja... 23
3.5.1 Rezalna hitrost (vc) ... 23
3.5.2 Podajanje (f/fz) ... 23
3.5.3 Globina rezanja (ap) ... 23
3.6 Parametri obdelave keramike MACOR ... 24
3.6.1 Struženje ... 24
3.6.2 Frezanje ... 24
4 Metodologija raziskave ... 25
4.1 Obdelava ... 26
4.1.1 Izračun parametrov obdelave ... 26
4.1.2 Določanje oblike izdelka in izdelava ... 27
4.2 Analiza izdelkov ... 28
5 Rezultati in diskusija ... 29
5.1 Določitev optimalnih obdelovalnih parametrov ... 29
5.2 Kvaliteta obdelane površine ... 29
xi
6 Zaključki ... 32
Literatura ... 33
xii
Kazalo slik
Slika 1: Mikrostruktura keramike MACOR pri 5000-kratni povečavi ... 7
Slika 2: Razpoka med kristalom sljude in steklasto matrico ... 14
Slika 3: Geometrija orodja za obdelavo ... 15
Slika 4: Spreminjanje trdote različnih materialov v odvisnosti od temperature ... 16
Slika 5: Orodje za obdelavo iz HSS ... 17
Slika 6: Spreminjanje trdote HSS jekel v odvisnosti od temperature in vsebnosti Co ... 18
Slika 7: Orodje za obdelavo iz KT ... 18
Slika 8: Spreminjanje strukture KT a) pred in b) po sintranju ... 19
Slika 9: Življenjska doba orodij v odvisnosti od rezalne hitrosti ... 21
Slika 10: Glavna gibanja pri a) frezanju, b) struženju in c) vrtanju ... 22
Slika 11: Čelno steblasto frezalo iz KT levo in in HSS desno ... 25
Slika 12: 3D model izdelka ... 27
Slika 13: Vpetje vzorca z vpenjalnimi čeljustmi ... 27
Slika 14: Izdelka ... 28
Slika 15: Tvorjenje nepravilnosti na robovih za jeklo in njegove zlitine ... 28
Slika 16: Vhod orodja iz HSS ... 30
Slika 17: Vhod orodja iz KT ... 30
Slika 18: Rezalni rob orodja iz HSS (levo) in KT (desno) ... 31
Slika 19: Izhod orodja iz KT (levo) in iz HSS (desno) ... 31
xiii
Kazalo tabel
Tabela 1: Primerjava fizikalno-kemijskih značilnosti materialov ... 5
Tabela 2: Mehanske lastnosti keramike Macor ... 8
Tabela 3: Toplotne lastnosti keramike Macor ... 8
Tabela 4: Obdelovalni parametri pri struženju ... 24
Tabela 5: Obdelovalni parametri pri frezanju ... 24
Tabela 6: Določitev parametrov za obdelavo ... 26
Tabela 7: Določitev parametrov za obdelavo ... 29
xiv
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
𝜎𝑝 MPa tlačna trdnost
𝜎𝑚 MPa natezna trdnost
𝜌 kg/m3 gostota
T °C temperatura
E GPa Youngov modul
𝜈 / Poisonovo število
𝜎𝑢 MPa upogibna trdnost
G GPa strižni modul
𝜆 W/mK toplotna prevodnost
𝛼 / koeficient toplotnega raztezka
𝑣𝑐 m/min rezalna hitrost
𝑓𝑧 mm/zob podajanje na zob
f mm/min hitrost podajanja
𝑎𝑝 mm globina rezanja
n min-1 število obratov
z / število zob frezala
d mm premer frezala
Ra 𝜇𝑚 Srednji aritmetični odstopek profila hrapavosti Indeksi
KT karbidna trdnina
HSS hitrorezno jeklo
xv
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
HSS hitrorezno jeklo
KT karbidna trdnina
NASA Nacionalna zrakoplovna in vesoljska uprava (angl. National Aeronautics and Space Administration)
AISI Ameriški inštitut za železo in jeklo (ang. American Iron and Steel Institute)
1
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Z razvojem tehnologije so se začele povečevati tudi zahteve glede materialov in njihovih lastnosti, kar je privedlo do začetka uporabe keramike za različne tehnične aplikacije. Le-ta ima veliko tlačno trdnost in trdoto, dobre obrabne značilnosti in nizko gostoto, kar je njena največja prednost pred ostalimi materiali. Kljub dobrim mehanskim lastnostim, pa keramiko, predvsem v serijski proizvodnji, redko opazimo. Problem predstavljata krhkost in slaba obdelovalnost. Danes se za izdelavo izdelkov iz keramike uporabljajo sintranje, odrezovalni postopki z nedefinirano obliko klina in konvencionalni postopki obdelave.
Slabosti teh postopkov predstavljajo: visoka cena, dolgi časi obdelav, omejitve velikosti izdelkov, slaba kvaliteta površine in obvezna površinska obdelava po sintranju. [1]
Težave slabe obdelovalnosti in s tem povezanih stroškov se je lotilo reševati podjetje Corning z razvojem tehnične keramike z imenom MACOR®. Prednost Macorja je, da je dobro obdelovalen, obdelujemo pa ga lahko s klasičnimi orodji za obdelavo kovin. [2]
Dobra obdelovalnost materiala zmanjšuje stroške končnih izdelkov, saj lahko za njihovo izdelavo uporabimo konvencionalne postopke obdelave. Macor je bil prvič uporabljen v aplikacijah za vesoljsko industrijo, zaradi dobrih lastnosti pa je bil kasneje komercializiran, kar je vodilo do splošne uporabe. Danes se uporablja predvsem za izdelke, ki delujejo pri ekstremnih pogojih in za izdelavo prototipov. [1], [3]
1.2 Cilji
Cilj zaključne naloge je določitev obdelovalnega orodja in optimalnih parametrov za obdelavo keramike Macor, glede na že obstoječe študije in ugotovitve. Določene vrednosti bodo v nadaljevanju predstavljale osnovo za izdelavo reprezentativnega izdelka na vertikalnem frezalnem stroju, dobljeni rezultati pa bodo ovrednoteni in primerjani z obstoječimi rezultati ostalih izdelkov. Preverjena bo kvaliteta obdelane površine, vpliv protismernega in istosmernega frezanja na obdelavo in vhodno/izhodno območje orodja iz obdelovanca.
2
2 Teoretične osnove
2.1 Keramika
Keramika se zaradi dobrih mehanskih lastnosti uporablja za različne izdelke. Ti so lažji, bolj učinkoviti, hkrati pa so operativni stroški in stroški vzdrževanja manjši. Zaradi njihove temperaturne obstojnosti, visoke trdote in dobrih električnih lastnosti pogosto nadomeščajo kovinske, polimerne in ognjevarne materiale v različnih aplikacijah. S spreminjanjem kemijske sestave in proizvodnih postopkov lahko njihove lastnosti prilagodimo tako, da ustrezajo zahtevam posamezne aplikacije. Visoka prilagodljivost keramike podaljša življenjsko dobo izdelka, poveča učinkovitost in izboljša delovanje izdelka. [4]
2.1.1 Tehnična keramika
Tehnična keramika se je pojavila okoli leta 1950, ko so se zaradi krepitve industrije pojavile zahteve po novih materialih z boljšimi lastnostmi. Keramika je anorganska trdna snov in je eden od osnovnih materialov, zato jo pri klasifikaciji materialov obravnavamo ločeno od kovin, polimerov in kompozitov. Obstaja več različnih vrst keramike, pri čemer je skupina z najboljšimi mehanskimi, električnimi in toplotnimi lastnostmi tehnična keramika, znana tudi kot inženirska ali napredna keramika. Njihove dobre lastnosti so delno posledica visoke čistosti. [5]
Poznamo tri osnovne vrste materialov za tehnične keramike:
- Oksidne keramike z aluminijem in cirkonom,
- ne-oksidne keramike z boridi, karbidi, nitrati, silikati,
- kompozitna keramika s kombinacijo oksidnih in ne-oksidnih keramik.
Material keramike vpliva na mehanske, toplotne in električne lastnosti. [5]
Teoretične osnove
3
2.2 Prednosti in slabosti keramike
Večina splošno in industrijsko uporabljenih materialov ima določene prednosti in slabosti.
Glede na razmerje med pozitivnimi in negativnimi lastnosti materiala se za posamezno aplikacijo uporabi najprimernejšega.[6]
2.2.1 Prednosti
Prednosti materiala so tiste lastnosti materiala, ki nam omogočajo, delovanje sistema v katerem bo izbrani material uporabljen. V primeru keramike, prednosti predstavljajo njena trdota, tlačna trdnost, gostota, obrabna odpornost pri povišani temperaturi, njene električne in termične lastnosti ter korozijska odpornost.
2.2.1.1 Trdota
Pomembna lastnost inženirske keramike je visoka trdota in togost. Dosežejo lahko več kot 4-krat višjo trdoto kot nerjavno jeklo. Visoka trdota se neposredno odraža v zelo dobri odpornosti proti obrabi, kar pomeni, da lahko tehnične keramike ohranjajo dimenzijske tolerance dlje od ostalih materialov z nižjo trdoto. [6]
2.2.1.2 Tlačna trdnost
Tlačna trdnost keramike je približno desetkrat večja od natezne trdnosti. Natezna trdnost keramike je nizka zaradi strukturnih napak, ki se izkazujejo kot notranje ali površinske razpoke. Te povzročijo koncentracijo napetosti, kar povzroči propagacijo napak in vodi do porušitve. Stiskanje, ki v materialu povzroča tlačno obremenitev, je za keramiko ugodnejša, saj ne pride do propagacije napak. Keramika se zato običajno uporablja v aplikacijah, kjer so obremenitve tlačne. Tlačna trdnost keramike se giblje od 1000 do 4000 MPa, medtem ko ima titan, ki velja za kovino z veliko tlačno trdnostjo, tlačno trdnost 1000 MPa. [7]
2.2.1.3 Nizka gostota
Gostota tehnične keramike je v primerjavi s kovinami majhna in se giblje med 2 in 6 g/cm3. Njena gostota je primerljiva z aluminijem (2,7 g/cm3), ki pa je od keramike bistveno mehkejši. Zaradi visoke trdote in nizke gostote se tehnična keramika pogosto uporablja v primerih, ko drugi materiali ne ustrezajo zahtevam po majhni masi in dolgi življenjski dobi. [8]
Teoretične osnove
4
2.2.1.4 Dobra obrabna odpornost pri povišani temperaturi
Tehnična keramika je zaradi svoje kemijske sestave sposobna prenesti visoke temperature in pri tem ohranjati svoje mehanske ter električne lastnosti. V keramiki so prisotne ionske vezi, za katere je značilna visoka energija vezi. Nasprotno velja za kovinske in polimerne materiale, pri katerih so prisotne kovinske in kovalentne kemijske vezi. Tem se pri povišanih temperaturah mehanske lastnosti spreminjajo. Keramika je torej primerna za uporabo pri sistemih z visokimi temperaturami, kot so npr. peči, reaktivni motorji, zavorni sistemi in rezalna orodja. [8]
2.2.1.5 Dobre električne lastnosti
Keramika je dober električni izolator in ima visoko dielektrično trdnost, ki jo za razliko od ostalih materialov ohranja tudi pri povišanih temperaturah. Ima majhne električne izgube in visoko dielektričnost, zato se uporablja v elektrotehniki za kondenzatorje in resonatorje.
[9]
2.2.1.6 Termične lastnosti
Termične lastnosti keramike so odvisne od vrste keramike. Keramika iz aluminijevega nitrida ima visoko toplotno prevodnost in se pogosto uporablja kot hladilnik ali toplotni izmenjevalnik v različnih električnih napravah. Keramika iz drugih materialov je manj toplotno prevodna, zato je primerna za aplikacije, kjer je pomembna toplotna izolativnost materiala. [10]
2.2.1.7 Korozijska odpornost
Tehnična keramika je kemijsko stabilna in ima nizko topnost, zaradi česar ima dobro korozijsko odpornost. To ji daje veliko prednost pred ostalimi materiali, ki korodirajo, saj se s tem zmanjšajo stroški vzdrževanja in podaljša življenjska doba. [11]
2.2.2 Slabosti
Slabosti materiala so tiste, ki negativno vplivajo na delovanje sistema. Če slabosti izbranega materiala bistveno ne vplivajo na delovanje sistema, je material ustrezen za določeno aplikacijo. Pri tem moramo biti pozorni, da se določene slabe lastnosti materiala ne kažejo med procesom obdelave oziroma oblikovanjem v obliko končnega izdelka ali polizdelka. [8]
Teoretične osnove
5
2.2.2.1 Slaba natezna in strižna trdnost
Kljub vsem naštetim prednostim keramike pred kovinskimi, polimernimi in kompozitnimi materiali, pa keramike v vsakdanjem življenju ne srečujemo pogosto. Eden glavnih razlogov za to je slaba natezna in strižna trdnost, ki je 15-krat manjša od trdnosti kovin.
Slaba natezna in strižna trdnost keramike je posledica napak na površini in v notranjosti materiala. Pri nateznih in strižnih obremenitvah pride do propagacije teh napak in posledično do porušitve materiala. [8]
2.2.2.2 Krhkost
Keramika je zaradi majhne plastičnosti (deformacije pred lomom) zelo krhka, posledično je njena žilavost oz. odpornost na udarce prav tako majhna. Takšne lastnosti so posledica visoke energije medatomskih vezi keramike. Kovine imajo kovinske vezi, ki so razmeroma nizke trdnosti, vendar se lahko atomi vežejo v različnih smereh, kar jim daje žilavost.
Keramika nima kovinskih vezi, temveč ionske in kovalentne vezi, ki so zelo močne, vendar se lahko vežejo le v določenih smereh. Ta usmerjenost pomeni, da se atomska struktura težko premika, zaradi česar keramika ni žilava. [12], [13]
2.3 Primerjava osnovnih značilnosti materialov
V Tabeli 1 lahko opazimo, da je keramika primerna predvsem v aplikacijah, kjer je potrebna visoka trdota, dobra obrabna odpornost predvsem pri povišanih temperaturah.
Uporabi keramike se izogibamo, kadar na izdelek delujejo natezne obremenitve, ki vodijo do propagacije razpok in kadar se zahteva, da ima izdelek visoko žilavost.
Tabela 1: Primerjava fizikalno-kemijskih značilnosti materialov [12]
Značilnost Keramika Kovine Polimeri
Gostota Srednja Visoka Nizka
Trdota Visoka Srednja Nizka
Žilavost Nizka Visoka Srednja
Odpornost proti obrabi Visoka Srednja Nizka
Natezna trdnost Srednja Visoka Nizka
Tlačna trdnost Visoka Srednja Nizka
Youngov modul Visoka Srednja Nizka
Dimenzijska stabilnost Visoka Srednja Nizka
Temperaturno raztezanje Nizka Srednja Visoka
Toplotna prevodnost Srednja Visoka Nizka
Toplotni šok Nizka Srednja Visoka
Električna odpornost Visoka Nizka Visoka
Kemična odpornost Visoka Nizka Srednja
Odpornost proti oksidaciji Visoka Nizka Srednja
Obdelovalnost Srednja Visoka Srednja
Teoretične osnove
6
2.4 Vrste tehnične keramike
Tehnične keramike razdelimo v dve skupini, glede na njihovo sposobnost za obdelavo s konvencionalnimi postopki obdelave. Ločimo obdelovalne in neobdelovalne keramike. [9]
2.4.1 Obdelovalna keramika
Med obdelovalne keramike spadajo: [9]
- Shapal Hi-M Soft, - Macor ®,
- heksagonalni borov nitrid.
Gre za ne-porozne keramike, ki ne zahtevajo naknadne toplotne obdelave in jih je mogoče obdelati z običajnimi orodji za obdelavo kovin. Ko so obdelane, jih ni potrebno več brusiti ali toplotno obdelati. Dobra obdelovalnost omogoča izdelavo zapletenih geometrijskih oblik in doseganja ozkih toleranc. Uporabljamo jih lahko za izdelavo prototipov ali končnih izdelkov. Mehanske lastnosti obdelovalnih keramik so v splošnem slabše od neobdelovalnih keramik, kljub temu pa so obdelovalne keramike veliko bolj ekonomične, predvsem za manjše serije. [9]
2.4.2 Neobdelovalne keramike
Med keramike, ki jih ne moremo obdelovati s konvencionalnimi postopki, spadajo:
- Aluminijev oksid, - aluminijev nitrid, - borov karbid, - silicijev karbid, - silicijev nitrid,
- cirkonij (cirkonijev oksid).
Neobdelovalno keramiko moramo pred nadaljnjo obdelavo toplotno obdelati (žgati).
Toplotno obdelano keramiko lahko nato obdelujemo s posebnimi diamantnimi orodji in drugimi specialnimi postopki obdelave. Takšni izdelki bodo imeli boljše mehanske in toplotne lastnosti, vendar so za izdelavo potrebna specialna orodja in daljši obdelovalni časi. Kljub temu se lahko izdelava takšnih izdelkov optimizira z izdelavo namenskih orodij za veliko serijsko proizvodnjo. [4]
2.5 MACOR – obdelovalna steklokeramika
Steklokeramika Macor je obdelovalna keramika, ki združuje lastnosti visokozmogljivih polimerov, obdelovalnost kovin in zmogljivost napredne tehnične keramike. Macor je
Teoretične osnove
7 odličen električni in toplotni izolator. Dobre lastnosti ohranja pri visokih temperaturah, v vakuumu in v korozivnem okolju. [2]
Ena glavnih prednosti Macor-ja je, da ga je mogoče obdelovati z običajnimi orodji za obdelavo kovin. To omogoča bistveno hitrejšo obdelavo in nižje proizvodne stroške v primerjavi z drugo tehnično keramiko, zaradi česar je odličen material za izdelavo prototipov in izdelkov manjših serij. [2]
2.5.1 Kemična sestava MACOR-ja
Macor je sestavljen material iz fluoroflogopita (vrsta sljude) v kristalni rešetki iz borosilikatnega stekla v razmerju 45/55. Naključna mikrokristalna struktura omogoča, da obdelovalna orodja odstranjujejo zelo majhno količino materiala brez razpok in zlomov, kar omogoča doseganje ozkih toleranc. [9]
Slika 1: Mikrostruktura keramike MACOR pri 5000-kratni povečavi [2]
Macor je sestavljen iz: [2]
- 46 % kremena (SiO2)
- 17 % magnezijev oksid (MgO) - 16 % aluminijevega oksida (Al2O3) - 10 % kalija (K2O)
- 7 % bora (B2O3) - 4 % fluora (F)
2.5.2 Mehanske lastnosti keramike MACOR
Keramika Macor ima visoko odpornost na obremenitve in je toga. Material se ob obremenitvi ne deformira, ne leze, je brez poroznosti in se lahko polira do hrapavosti 0,0127 µm. [2] V Tabeli 2 so prikazane vrednosti posameznih mehanskih lastnosti keramike Macor.
Teoretične osnove
8 Tabela 2: Mehanske lastnosti keramike Macor [9]
Vrednost Enota
Gostota 2,52 g/cm3
Youngov modul 66,9 GPa
Poisonovo število 0,29 /
Tlačna trdnost 345 MPa
Upogibna trdnost 94 MPa
Strižni modul (25 °C) 25,5 GPa
Trdota po Knoop-u (100 g) 250 kg/mm2
2.5.3 Termične lastnosti keramike MACOR
Keramika Macor z višanjem temperature ne bo lezla ali se deformirala. Ima nizko toplotno prevodnost, zaradi česar se uporablja kot visokotemperaturni izolator in dobro dimenzijsko stabilnost v različnih pogojih (vročina, sevanje itd.). Koeficient temperaturnega raztezka je primerljiv s kovinskimi materiali. [10], [14] Vrednosti termičnih lastnosti Macor-ja so prikazane v Tabeli 3.
Tabela 3: Toplotne lastnosti keramike Macor [10], [14]
Vrednost Enota
Maksimalna temperatura - obratovanje 800 °C
Maksimalna temperatura - neobremenjena 1000 °C
Toplotna prevodnost (25 °C) 1,46 W/mK
Specifična toplota 0,79 kJ/kg°C
Koeficient toplotnega raztezka (25 °C do -100 °C) 81 10-7 Koeficient toplotnega raztezka (25 °C do 300 °C) 90 10-7 Koeficient toplotnega raztezka (25 °C do 600 °C) 112 10-7 Koeficient toplotnega raztezka (25 °C do 800 °C) 123 10-7
2.5.4 Uporaba keramike MACOR
Obdelovalna keramika Macor, je bila prvotno zasnovana kot izolativni material za NASA- ino vesoljsko plovilo. Njen namen je bil preprečiti prenos toplote iz zunanjosti v notranjost plovila. Uporabljena je bila v okenskih okvirih vesoljskega plovila zaradi njenih električnih in toplotno izolacijskih lastnosti, odpornosti na sevanje in neprepustnosti za pline in vakuum. Macor je primeren material za aplikacije z visokim vakuumom, kot je elektronska mikroskopija, saj lahko s pravilno toplotno obdelavo dosežemo ustrezne lastnosti za najzahtevnejše aplikacije. [2]
Spodaj so našteti primeri uporabe.
Elektronika / polprevodniki: [9]
- Natančno oblikovanje tuljav (visoka natančnost in dimenzijska stabilnost).
- Visokonapetostni izolatorji (gladka površina in odpornost na iskrenje).
Teoretične osnove
9 Laserske aplikacije: [9]
- Distančniki, resonatorji in prizme v laserskih napravah (velika natančnost in odpornost na toploto).
Uporaba v vakuumu: [9]
- Toplotni mostovi v visokotemperaturnih izmenjevalcih toplote.
- Nosilci tuljave in vakuumski vodi, ki so vakuumsko stabilni in hermetično zatesnjeni.
Letalska in vesoljska industrija: [9], [15]
- Vskočniki na tečajih oken in vrat vesoljskih plovil.
- Nosilci komponent na satelitih, kjer deluje kot električni in toplotni izolator.
Jedrska industrija: [9]
- Vpenjalni in centrirni elementi v nuklearnih elektrarnah, saj sevanje ne vpliva na dimenzijsko stabilnost izdelkov.
2.5.5 Omejitve pri uporabi keramike MACOR
Macor je občutljiv na halogenske kisline, kot je HCl (klorovodikova kislina). Reakcija ni hitra, vendar kljub temu povzroči poslabšanje snovnih lastnosti. V preizkusih je bilo ugotovljeno, da je 2,52-gramski vzorec Macorja, izpostavljenega klorovodikovi kislini pri pH 0,1, v 24 urah izgubil 100 mg ali 3,96 % mase. Približno enkrat počasneje pa na keramiko vpliva NaOH. Vzorec, enake mase, izpostavljen natrijevemu hidroksidu pri pH 13,2, je v šestih urah izgubil 0,396 % mase. [9]
V zraku je Macor stabilen do 1000 °C, v vakuumu pa do 600 °C. Pri temperaturah nad 600
°C se v vakuumu začne izločati fluor, ki se v snov veže kot borov trifluorid ali fluorovodikova kislina, ki je izredno korozivna, najbolj znana po raztapljanju stekla. [9]
2.5.6 Sposobnost spajanja
Macor je mogoče spajati z različnimi metodami. Če je metaliziran s kovinsko barvo ali s pomočjo postopka nabrizgavanja, lahko dele združujemo med sabo ali z drugimi kovinami s pomočjo spajkanja. Lahko se uporabi trdo ali mehko spajkanje. Eden od načinov spajanja je s pomočjo epoksi smole, ki zagotavlja močan spoj in hermetično zatesnjenost spoja. [9], [16]
Macor lahko spajamo oz. uporabimo tudi v konvencionalnih mehanskih vezeh npr. gredne vezi. Tvorjenje vezi omogoča dobra obdelovalnost, saj lahko dosegamo ozke tolerance, ki omogočajo natančne spoje (natančnost obdelave do 0,013 mm), toplotni razteznostni koeficient pa je primerljiv s kovinami. Z ustrezno površinsko obdelavo, poliranjem, lahko dosežemo zelo gladko površino, do 0,5 μm Ra, kar je pomembno pri natančnih ujemih. [9], [16]
Teoretične osnove
10
2.6 Primerjava keramike MACOR z njej podobnimi materiali
Keramika Macor ni edina tehnična keramika za katero je značilna dobra obdelovalnost.
Vseeno pa ima določene prednosti pred ostalimi njej podobnimi materiali.
2.6.1 Primerjava keramik MACOR in Shapal
Steklokeramiko Shapal in Macor pogosto primerjamo. Obe keramiki imata dobro sposobnost za obdelavo, razlikujejo pa se v mehanskih in toplotnih lastnostih. [17]
Primerjava snovnih lastnosti Shapal in Macor keramike:
Toplotna prevodnost
Shapal je toplotni prevodnik s toplotno prevodnostjo 90 W/(m K), medtem ko je Macor toplotni izolator s toplotno prevodnostjo 1,46 W/(m K). [17]
Temperaturni šok
Keramika Shapal ni nagnjena k porušitvi zaradi termičnega šoka, medtem ko je Macor nanj občutljiv. Pri aplikacijah, kjer se temperature hitro spreminjajo je torej boljša izbira keramika Shapal. [17]
Najvišja temperatura obratovanja
Najvišja temperatura obratovanja keramike Shapal v inertni atmosferi je 1900°C, za Macor pa 1000°C. Na zraku Shapal obratuje do 1000 °C, Macor pa do 600°C. [17]
Upogibna trdnost
Shapal ima upogibno trdnost 300 MPa, medtem ko Macor nižje pri 94 MPa. Tlačna trdnost Shapal keramike je 1200 MPa, Macor-ja pa 345 MPa. [17]
Cena
Macor je veliko cenejši v primerjavi Shapalom. Če nam zahteve posamezne aplikacije dopuščajo uporabo Macor-ja, lahko tako zmanjšamo stroške izdelka. [17]
2.6.2 Primerjava keramike iz aluminijevega oksida in keramike MACOR
Aluminijev oksid je zaradi svojih vsestranskih materialnih lastnosti zelo pogosto uporabljena tehnična keramika, vendar zaradi visoke trdote zahteva dodatno obdelavo z diamantnim brušenjem, zaradi česar je proizvodnja manjših serij izdelkov draga.
Obdelovalna keramika Macor je lahko dobra alternativa aluminijevemu oksidu, saj lahko znatno zmanjša proizvodne stroške. [18]
Teoretične osnove
11 Primerjava snovnih lastnosti aluminijevega oksida in Macor keramike:
Najvišja temperatura obratovanja
Aluminijev oksid ima višjo dovoljeno temperaturo obratovanja kot Macor in sicer do 1700°C pri atmosferskih pogojih. [18]
Odpornost proti obrabi
Keramika Macor je veliko bolje obdelovalna od keramike iz aluminijevega oksida, zaradi česar je slabša njena odpornost proti obrabi. [18]
Cena
Macor omogoča veliko bolj ekonomično proizvodnjo nizko serijskih izdelkov. [18]
12
3 Obdelovalnost
Obdelovalnost je lastnost materiala, ki nam pove kako enostavno oziroma kako težko je posamezen material odrezovati in oblikovati, hkrati pa zagotavljati zadovoljivo kvaliteto površine. Za materiale, ki so dobro obdelovalni je značilna manjša poraba moči pri odrezovanju, dobra kvaliteta površine in majhna obraba orodja. Nasprotno velja za slabo obdelovalne materiale, kar vodi do višjih stroškov obdelave takšnih materialov in dodatnih stroškov zaradi kasnejših nujnih površinskih obdelav. [19]
V splošnem torej za dobro obdelovalne materiale velja, da so pri odrezovanju prisotne majhne rezalne sile, torej lahko odstranimo veliko materiala. Življenjska doba orodij, ki jih uporabljamo je tako daljša, boljša pa je tudi kvaliteta površine obdelovanca. Pri dobro obdelovalnih materialih dosegamo boljšo dimenzijsko in oblikovno natančnost. [19]
Obdelovalnost materiala je odvisna od njegovih mehanskih in morfoloških lastnosti.
Ključne mehanske lastnosti materiala, ki vplivajo na njegovo obdelovalnost so trdota, modul elastičnosti, meja plastičnosti in tlačna trdnost, pomembne morfološke lastnosti pa so mikrostruktura, kemična sestava, velikost zrn, kadar govorimo o kovinah pa še toplotna obdelava.[20]
3.1 Metode za opredelitev obdelovalnosti
Kot rečeno, na obdelovalnost vpliva veliko dejavnikov, zato ne obstaja enotni standard za opredelitev obdelovalnosti. Obdelovalnost se določa z metodami, različnimi za posamezen primer. Metode so prilagojene obdelovalnim procesom in različnim materialom, za katere opredeljujemo obdelovalnost. Skupni parametri, ki so zajeti v metodah za opredelitev, so življenjska doba orodja, kvaliteta površine, temperatura pri odrezovanju, sile in poraba energije. [20]
Obdelovalnost
13
3.1.1 Glede na življenjsko dobo orodja
Obdelovalnost lahko opredelimo glede na življenjsko dobo orodja, ki ga uporabljamo. Ta metoda je uporabna, kadar primerjamo obdelovalnost dveh materialov s podobnimi mehanskimi lastnostmi in porabo energije med procesom. Razlika med materialoma je v njuni abrazivnosti, ki lahko zmanjša življenjsko dobo orodja. Glavna slabost te metode je, da je rezultat poleg lastnosti materiala odvisen tudi od geometrije rezalnega orodja, vpenjanja obdelovanca in orodja, stanja stroja ter obdelovalnih parametrov. Iz tega sledi, da je obdelovalnost med različnimi rezalnimi materiali, težko primerjati. [19], [20]
3.1.2 Glede na obdelovalne sile in porabo energije
Sila, potrebna, da lahko material odrezujemo, je neposredno povezana s porabo energije, zato lahko sile podajamo v enotah specifične energije. Glede na specifično energijo potrebno za odrezovanje posameznega materiala lahko določimo njegovo obdelovalnost.
Materiali z višjo specifično energijo so manj obdelovalni, materiali z nižjo specifično energijo pa so bolj obdelovalni. Prednost te metode je, da je vpliv zunanjih dejavnikov majhen. [20]
3.1.3 Glede na kvaliteto površine
Obdelovalnost lahko opredelimo tudi glede na kvaliteto obdelane površine. Za mehke in duktilne materiale je značilno, da na cepilni ploskvi prihaja do nabiranja materiala, ki cepilno ploskev ločuje od odrezka. Ta pojav je značilen tudi za nerjaveča jekla. Nabiranje materiala med cepilno ploskvijo in odrezkom vodi do slabše kvalitete obdelave. [20]
Prednost te metode je, da je enostavno merljiva z opremo za merjenje hrapavosti. Kljub temu pa se ta metoda redko uporablja, saj je kvaliteta površine odvisna od željene kvalitete (grob razrez). Rezultati te metode velikokrat niso skladni z ostalimi metodami. [20]
3.1.4 Stopnja obdelovalnosti
Stopnja oziroma ocena obdelovalnosti opredeljuje obdelovalnost različnih materialov glede na referenčni material. Izražena je v odstotkih ali kot normalizirana vrednost. [19], [20]
Ameriški inštitut za železo in jeklo – AISI, je določil ocene za opredelitev obdelovalnosti kovin s preizkusi struženja pri podajanju 55 m/min. Jeklu z oznako AISI 1112 je bila določena 100% stopnja obdelovalnosti, za ostale materiale pa se stopnja obdelovalnosti določi glede nanj. Torej bodo materiali s stopnjo obdelovalnosti višjo od 100% bolj obdelovalna od referenčnega materiala, materiali s stopnjo obdelovalnosti pod 100% pa bodo slabše obdelovalni od referenčnega materiala AISI 1112. [19], [20]
Obdelovalnost
14
3.2 Obdelovalnost keramike MACOR
Splošno dostopna konvencionalna keramika je lahko obdelovana z abrazivnimi postopki ali sintranjem. Abrazivni postopki so dolgotrajni in posledično neekonomični za izdelavo izdelkov, saj je potrebno za obliko končnega izdelka iz surovca odvzeti večji volumen materiala. Druga možnost izdelave izdelkov iz konvencionalne keramike je s pomočjo postopka sintranja. Pri slednjem največjo omejitev postopka predstavlja velikost izdelkov, saj morajo biti dovolj majhni zaradi karakteristik samega postopka. Pri sintranju je potrebno izdelati zeleni surovec s pomočjo stiskalnice, ki mora dosegati zadosten tlak, sledi sintranje v peči in naknadna obdelava, kar postopek dela neekonomičen. [1]
Dobre obdelovalne lastnosti steklokeramike Macor omogoča njena mikrostrukturna zgradba. Značilne so prepletene plošče sljudastih kristalov, razpršene po celotni steklasti matrici. Za sljudo je značilno, da redko prihaja do propagacije razpok po kristalu, tanki oziroma ploščasti kristali pa propagacijo še dodatno preprečujejo. Do razpok največkrat pride na vmesnem predelu, torej med kristalom sljude in steklasto matrico, kot je prikazano na sliki 2. Razpoke so majhne, saj kristali sljude preprečujejo njihovo propagacijo. Ugodna mikrostruktura z vidika obdelovalnosti, torej ne vpliva bistveno na trdnost in trdoto materiala. [21]
Slika 2: Razpoka med kristalom sljude in steklasto matrico [21]
Macor je ena redkih keramik, ki jo je mogoče obdelati z običajnimi orodji za obdelavo kovin. Zaradi njegovih dobrih obdelovalnih lastnosti je velikokrat primerjan s kovinskimi ali celo plastičnimi materiali. Kljub podobnim lastnostim s kovinami in dobro obdelovalnostjo, pa je potrebno za pravilno obdelavo keramike Macor poznati specifične značilnosti tega materiala med obdelavo. Za razliko od plastičnih in kovinskih materialov se keramika ne deformira plastično, kar pomeni, da lahko med obdelavo pride do krušenja in razpok. [22]
Najpomembnejši dejavniki pri obdelavi Macorja so ustrezne rezalne hitrosti, podajanje in zadostno hlajenje obdelovalnega mesta in orodja. Pomembo je biti pozoren pri vpenjanju obdelovanca na delovno površino, da ga z vpenjalnimi čeljustmi ne poškodujemo, saj gre za krhek material. [22]
Obdelovalnost
15 Na obdelovalnost steklokeramike močno vpliva spreminjanje mikrotrdote materiala med obdelavo, ki je neposredno povezana z mikrostrukturo materiala. Pomembni mikrostrukturni parametri, ki vplivajo na obdelovalnost so razmerje stranic kristalov, stopnja kristaliničnosti oziroma amorfnosti ter porazdelitev kristalnih in amorfnih struktur v materialu. Kadar ima material stopnjo kristaliničnosti in razmerje med stranicami kristalov visoko, pride do zmanjšanja mikrotrdote zaradi načina povezave med zrni. Za steklokeramike, kot je Macor, je značilen strm padec mikrotrdote zaradi načina povezave kristalov sljude, kar vodi do dobre obdelovalnosti. [23], [24]
Za dobre rezultate obdelave je potrebno uporabiti manjše obdelovalne hitrosti in globine kot pri obdelavi kovin, saj s tem dosežemo manjši vnos toplote v material in orodje.
3.2.1 Orodja za obdelavo
Material orodja in njegova oblika sta ključna dejavnika, ki vplivata na obdelovalnost materiala. Pomembne lastnosti materiala orodja so njegova trdota, obrabna odpornost, kemijska inertnost in žilavost.
Pomembna je pravilna oblika orodja in s tem definiran cepilni kot, ki vpliva na kvaliteto površine, na rezalne sile in s tem povezano življenjsko dobo orodja. S povečevanjem cepilnega kota se rezalna sila zmanjša in obratno. Spreminjanje velikosti rezalne sile je približno 1,5 % za vsako stopinjo (1°) spremembe cepilnega kota. Če je prosti kot velikosti med 3° in 12° nima vpliva na komponente rezalnih sil. [25], [26]
Slika 3: Geometrija orodja za obdelavo [27]
Trdota orodja mora biti višja od trdote materiala, ki ga obdelujemo. Med obdelovalnim procesom se sprošča toplota, ki povzroči zmanjšanje trdote rezalnega materiala, kar lahko vodi do porušitve orodja in slabe površine obdelovanca. Spreminjanje trdote s temperaturo za značilne materiale obdelovalnih orodij prikazuje slika 4. Temperaturno obstojnost trdote
Obdelovalnost
16 in s tem rezalne hitrosti pa lahko izboljšamo z različnimi dodatki kot sta sialon in silicijev karbid ojačan s kompozitnimi vlakni. [28]
Slika 4: Spreminjanje trdote različnih materialov v odvisnosti od temperature [28]
3.2.1.1 Orodja iz hitroreznih jekel
Hitrorezna jekla so se razvila okrog leta 1900 zaradi vse večje potrebe po hitrejši obdelavi materialov. Razvoj je sprožila industrijska revolucija, pred katero so za rezanje uporabljali ogljikovo jeklo. To je omogočalo majhne rezalne hitrosti in slabo učinkovitost, zaradi velike obrabe. Glavna prednost orodij iz hitroreznih jekel je majhna izguba trdote in obrabne odpornosti z višanjem temperature, kar nam omogoča do 5-krat višje obdelovalne hitrosti kot z običajnimi orodnimi jekli. [29]
Obdelovalnost
17 Slika 5: Orodje za obdelavo iz HSS [30]
Hitrorezna jekla so zlitine na osnovi ogljikovega jekla, katerim dobre mehanske in temperaturne lastnosti omogočajo dodatki volframa in molibdena. Vsebnost posameznega legirnega elementa se lahko prilagaja in kombinira s kromom, kobaltom in vanadijem glede na željene lastnosti. Pri tem morajo legirni elementi presegati vsaj 7 % strukture, za boljše mehanske in temperaturne lastnosti pa želimo več kot 10 % le-teh. Vsebnost ogljika mora biti vsaj 0,60 %. Glede na prevladujoč legirni element se hitrorezno jeklo tudi označi.
Če v sestavi prevladuje volfram bo oznaka jekla Txx, v primeru, ko pa je prisotnega več molibdena pa bo oznaka Mxx, po standardu AISI. [31]
Značilni predstavniki hitroreznih molibdenovih jekel so: [31]
M1 – Ima manjšo trdoto pri povišani temperaturi kot M2, vendar je odpornejša na sunke in udarce.
M2 – Molibdenovo hitrorezno jeklo M2 je najpogosteje uporabljeno hitrorezno jeklo, ki ima dobro obrabno odpornost. Za povečano trdnost je toplotno obdelan in dosega upogibno trdnost do 4700 MPa. Po standardu ISO 4957 ima to jeklo oznako 1.3343.
M7 – Uporablja se za izdelavo orodij, pri katerih je pomembna življenjska doba orodja in njegova fleksibilnost.
M50 – Izmed HSS ima najslabšo trdoto pri povišani temperaturi, uporablja pa se predvsem za svedre, kjer je zaradi upogibanja velika nevarnost za lom.
Značilni predstavniki kobaltovih hitroreznih jekel: [32]
Dodatek kobalta v hitroreznih jeklih dodatno izboljša temperaturno obstojnost materiala.
M35 – Je podoben materialu M2 s 5 % dodatkom kobalta, kar omogoča večje rezalne hitrosti in daljšo življenjsko dobo. Tako jeklo imenujemo tudi HSSE ali HSS-E.
M42 – Hitrorezno jeklo M42 ima dodanega 8 % kobalta, kar mu daje veliko trdoto pri visokih temperaturah. Orodja iz hitroreznega jekla M42 so pogosto uporabljena kadar se zahteva visoka produktivnost, kratki obdelovalni časi in visoke rezalne hitrosti.
Obdelovalnost
18 Slika 6: Spreminjanje trdote HSS jekel v odvisnosti od temperature in vsebnosti Co [33]
3.2.1.2 Orodja iz karbidne trdnine
Orodja iz karbidne trdnine so se razvila leta 1923 v Nemčiji, saj so želeli izdelati material s trdoto podobno trdoti diamanta in veliko nižjo ceno. Iz tega izhaja tudi trgovsko ime WIDIA (trdo kot diamant). Njihova glavna prednost so rezalne hitrosti, ki so višje od tistih, ki jih lahko dosegamo s hitroreznimi jekli. [30]
Slika 7: Orodje za obdelavo iz KT [30]
Obdelovalnost
19 Sestave karbidne trdnine: [34]
- Trdi delci volframovega karbida (WC), 90%, - vezivo iz kobalta (Co), 10%,
- lahko vsebuje tudi delce titanovega karbida (TiC).
Glavna naloga trdnih karbidnih delcev je doseganje čim višje trdote orodja pri povišani temperaturi, kar poveča obrabno odpornost. Kobaltovo vezivo omogoča povezavo krhkih in trdih karbidov v celoto. [34]
Orodja iz karbidne trdnine se izdelujejo po postopkih metalurgije prahov v naslednjih korakih: [34]
- Izdelava prahov volframovih, titanovih in drugih karbidov, - stiskanje v kalupih,
- sintranje (toplotna obdelava, kjer dosežemo spremembo strukture, kar da izdelkom večjo trdoto in trdnost),
- sekundarne operacije.
Slika 8: Spreminjanje strukture KT a) pred in b) po sintranju [34]
V splošnem za volframove karbidne trdnine s kobaltovim vezivom velja, da se s povečevanjem deleža kobalta povečuje tudi trdnost in žilavost, zmanjšuje pa se trdota, tlačna trdnost, elastični modul in abrazijska odpornost. Največja vsebnost kobalta je 25 %.
Take zlitine se uporabljajo ob prisotnosti udarnih obremenitev, saj nam velik delež kobalta daje visoko žilavost, poslabša pa se obrabna odpornost, zato se te zlitine ne uporabljajo za obdelovalna orodja. [34]
Karbidne trdnine se razlikujejo tudi po velikosti trdnih karbidnih delcev, ki jih ločimo na drobne, srednje in grobe. Velikost karbidov je odvisna od namena uporabe obdelovalnega orodja. [34]
Orodja z drobnimi karbidnimi delci so primerna za srednje grobo in končno obdelavo avstenitnih nerjavnih jekel, vseh vrst železovih zlitin, visokotemperaturnih zlitin in nekovinskih materialov, kot so npr. keramike (Macor). [34]
Srednje zrnat material orodij se prav tako uporablja za zgoraj naštete materiale od grobe do končne obdelave. Ti materiali so v praksi največkrat uporabljeni, saj dajejo dobro razmerje med trdoto in žilavostjo. [34]
Obdelovalnost
20 Grobo zrnat material se za orodja uporablja za zelo grobo obdelavo zgoraj naštetih materialov. Orodja iz teh materialov uporabljamo kadar je potrebna nizka trdota in visoka žilavost. [34]
Delitev karbidnih trdnin po standardu DIN 4990: [34]
- Skupina M: uporaba za obdelavo nerjavnih jekel,
- skupina P: uporaba za železne materiale, ki dajejo dolge odrezke, - skupina K: uporaba za materiale, ki dajejo kratek odrezek.
Glede na priporočila proizvajalca, lahko za obdelavo keramike Macor uporabimo orodja iz visoko hitrostnega jekla (HSS), kljub temu pa je priporočena uporaba orodij iz karbidne trdnine (KT), saj imajo le-ta boljšo protiobrabno odpornost. Življenjska doba orodij iz KT je torej daljša, dobljena kvaliteta površine pa boljša. Za najboljšo kvaliteto površine in najdaljšo življenjsko dobo orodja uporabimo orodja z diamantno konico. [2]
3.3 Življenjska doba orodij iz KT in HSS
Življenjska doba orodja je definirana kot čas dejanskega rezanja, po katerem orodje ni več uporabno. Obstaja več načinov za določanje obstojnosti orodja, najpogosteje pa se za določitev uporablja največjo predpisano obrabo proste ploskve orodja, ki znaša od 0,4 mm do 0,75 mm.
Obstojnost orodja je odvisna obdelovalni parametrov, materiala orodja in obdelovanca in pogojev okolice. Najpogosteje za popis življenjske dobe orodja v odvisnosti od parametrov obdelave uporabljamo Taylerjevo enačbo (1.0).
𝑣𝑐∙ 𝑡𝑛 = 𝐶 (1.0)
Pri tem sta n in C konstanti odvisni od načina obdelave in materialov. Konstanta n je odvisna od materiala obdelovalnega orodja in znaša od 0,1 do 0,2 za orodja iz HSS in od 0,2 do 0,4 za orodja iz KT. Konstanta C pa je obdelovalna konstanta odvisna od postopka obdelave, materiala obdelovanca, globine rezanja in podajanja. Numerično vrednost konstante C predstavlja rezalno hitrost pri obstojnosti orodja 1 minuto.
V logaritemskem grafu izrisane enačbe je razvidna linearna odvisnost med življenjsko dobo orodja in rezalno hitrostjo, ki ima nanjo največji vpliv. Kot je razvidno iz slike 9, lahko pri orodjih iz KT dosegamo do 10-krat večje rezalne hitrosti pri enaki obstojnosti orodja.
Obdelovalnost
21 Slika 9: Življenjska doba orodij v odvisnosti od rezalne hitrosti
3.4 Gibanje pri postopkih odrezovanja
Gibanje orodja in obdelovanca pri postopkih odrezovanja lahko razdelimo na glavno in pomožno gibanje, kjer sta za uspešno odrezovanje nujna oba.
3.4.1 Glavna gibanja
Glavna gibanja so tista gibanja, ki nastanejo med orodjem in obdelovancem med postopkom odrezovanja. Lahko so izvedena krožno ali premočrtno s strani orodja ali obdelovanca. [35]
Glavna gibanja so: [35]
- Podajalno gibanje – pomik orodja v obdelovanec ali obratno,
- rezalno gibanje – gibanje med orodjem in obdelovancem, ki je vzrok za tvorjenje odrezkov,
- delovno gibanje – rezultanta rezalnega in podajalnega gibanja.
Glede na način izvajanja glavnih gibanj ločimo osnovne postopke odrezovanja; struženje, frezanje in vrtanje, katerih glavna gibanja prikazuje slika 10. [35]
Obdelovalnost
22 Slika 10: Glavna gibanja pri a) frezanju, b) struženju in c) vrtanju [35]
3.4.2 Pomožna gibanja
Pomožna gibanja so tista gibanja, ki ne vplivajo na postopek tvorjenja odrezkov. [35]
Pomožna gibanja so: [35]
- Premik orodja – gibanje, ki omogoča doseganje skupne točke orodja in obdelovanca, - vračanje orodja – gibanje, ki omogoča odmik orodja od obdelovanca.
Kombinacije pomožnih in delovnih gibanj nam definirajo proces izdelave izdelkov in njegovo kompleksnost. [35]
Obdelovalnost
23
3.5 Parametri odrezovanja
Za optimalno obdelavo in veliko produktivnost je ključna pravilna izbira parametrov odrezovanja. Določimo jih glede na zahtevano kvaliteto površine, material orodja, željeno življenjsko dobo orodja in glede na zahtevan material obdelovanca, ki ima v našem primeru najpomembnejšo vlogo, saj se ukvarjamo z obdelavo keramike s specifičnimi lastnostmi. [36]
Najpomembnejši parametri so: [36]
- Rezalna hitrost (vc),
- podajanje/podajanje na zob (f/fz), - globina rezanja (ap).
3.5.1 Rezalna hitrost (v
c)
Rezalna hitrost je definirana kot hitrost orodja ali obdelovanca, ki opravlja odrezovanje.
Največkrat je definirana v enotah m/min. Najpomembnejša veličina, ki vpliva na izbiro rezalne hitrosti, je material, ki ga obdelujemo. Prevelika rezalna hitrost vodi do hitre obrabe in zloma orodja. Premajhna rezalna hitrost zmanjšuje učinkovitost, zato je pomembno, da izberemo optimalno rezalno hitrost. [36]
Poleg materiala, ki ga obdelujemo, imajo pomembno vlogo pri določevanju tudi naslednji dejavniki: [36]
- Hlajenje med obdelavo, - material orodja za obdelavo, - postopek obdelave,
- stanje obdelovalnega stroja, - željena kvaliteta površine.
3.5.2 Podajanje (f/f
z)
Podajanje oziroma podajalno gibanje je gibanje orodja v smeri odvzemanja materiala.
Glede na način obdelave in postopka je lahko podajalno gibanje vzdolžno ali prečno glede na os obdelovanca. Podajanje ima velik vpliv na kvaliteto površine, zato za fino obdelavo izbiramo manjše podajanje, kot za grobo obdelavo. Podajanje se največkrat podaja v enotah mm/vrt, kjer je izjema podajanje pri postopku frezanja, kjer se podajanje poda v enotah mm/zob. [37]
3.5.3 Globina rezanja (a
p)
Globina rezanja označuje pomaknitev orodja v obdelovanec ali obratno. Podaja se v dolžinski enoti, največkrat mm. [37]
Obdelovalnost
24 Na globino rezanja vpliva: [37]
- Material obdelovanca, - orodje (material in oblika), - obdelovalni stroj.
3.6 Parametri obdelave keramike MACOR
Proizvajalec keramike Macor podaja priporočila glede obdelovalnih parametrov.
3.6.1 Struženje
Tabela 4 prikazuje obdelovane parametre pri postopku struženja za Macor in jeklo.
Parametri so podani v obliki območja, kjer je izbira rezalne hitrosti odvisna od željene časovne obstojnosti orodja, podajanja in globine rezanja.
Tabela 4: Obdelovalni parametri pri struženju [38], [39]
Macor Jeklo 500 N/mm2
Rezalna hitrost 9 - 15 m/min 30 - 130 m/min
Podajanje 0,05 -0,13 mm/vrt 0,1 - 1,6 mm/vrt
Globina rezanja 3,8 – 6,35 mm 1 – 6 mm
3.6.2 Frezanje
V tabeli 5 so prikazani osnovni parametri za obdelavo keramike Macor, po priporočilih proizvajalca Corning. Poleg parametrov za obdelavo Macor-ja, pa so še parametri za obdelavo jekla z natezno trdnostjo 600 N/mm2 s pomočjo orodja iz HSS in KT.
Tabela 5: Obdelovalni parametri pri frezanju [38], [39]
Material Macor Jeklo 600 N/mm2(HSS) Jeklo 600 N/mm2 (KT) Rezalna hitrost 6,1 – 10,7 m/min 18 – 28 m/min 100 – 160 m/min Podajanje na zob 0,05 mm/zob 0,06 mm/zob 0,1 mm/zob
Globina rezanja 3,8 – 5,1 mm 0,15 mm 0,3 mm
Iz obdelovalnih parametrov je razvidno, da je potrebno za kvalitetno obdelavo Macor-ja imeti dovolj nizke rezalne hitrosti in podajanje na zob frezala, medtem ko je lahko globina rezanja večja kot pri jeklu. Parametri obdelave pri jeklu se močno razlikujejo tudi glede na material obdelovalnega orodja, kjer lahko pri orodjih iz KT dosežemo visoke rezalne hitrosti.
Podatki o rezalni hitrosti pri Macorju so zapisani kot območje, kjer zgornja meja predstavlja priporočljive vrednosti, kadar je obdelovalno orodje iz KT, spodnja pa kadar uporabljamo orodja iz HSS.
25
4 Metodologija raziskave
Glede na navedbe [2], se lahko za obdelavo Macorja uporabljajo orodja iz HSS in KT. Pri čemer naj bi z orodji iz KT dosegali višje rezalne hitrosti in boljšo kvaliteto površine kot z orodji iz HSS. Določiti je potrebno optimalne parametre obdelave za posamezen material orodja in določiti vpliv materiala orodja na kvaliteto obdelave.
Za preizkus sta bila uporabljena 2 identična valjasta vzorca premera 25 mm, ki sta bila obdelana na vertikalnem frezalnem stroju Mori Seiki Frontier M1. Za posamezni vzorec je bil določen material obdelovalnega orodja. Za obdelavo sta bila uporabljena steblasta čelna frezala premera 6 mm, kjer je imelo frezalo iz KT 4 zobe, frezalo iz HSS pa 3, kot prikazuje slika 11.
Slika 11: Čelno steblasto frezalo iz KT levo in in HSS desno
Glede na priporočila proizvajalca o rezalni hitrosti, podajanju na zob ter glede na izbrana frezala, je bila izračunana vrtilna frekvenca in hitrost podajanja. Te vrednosti so bile nato uporabljene pri pripravi G-kode za obdelavo vzorca.
Metodologija raziskave
26
4.1 Obdelava
4.1.1 Izračun parametrov obdelave
Glede na predpisane vrednosti obdelovalnih parametrov je bila izračunana vrtilna frekvenca po enačbi (1.1) in hitrosti podajanja po enačbi (1.2).
Uporabljene vrednosti:
Tabela 6: Določitev parametrov za obdelavo
Za orodje iz KT Za orodje iz HSS
𝑣𝑐 = 8,5 𝑚/𝑚𝑖𝑛 𝑣𝑐 = 6,1 𝑚/𝑚𝑖𝑛
𝑑 = 6 𝑚𝑚 𝑑 = 6 𝑚𝑚
𝑧 = 4 𝑧 = 3
𝑓𝑧= 0,05 𝑚𝑚/𝑧𝑜𝑏 𝑓𝑧= 0,05 𝑚𝑚/𝑧𝑜𝑏
Enačbi za izračun obdelovalnih parametrov:
𝒏 =𝒗𝒄∙ 𝟏𝟎𝟎𝟎
𝝅 ∙ 𝒅 (1.1)
𝒇 = 𝒇𝒛∙ 𝒛 ∙ 𝒏 (1.2)
Izračun obdelovalnih parametrov za orodje iz KT:
S pomočjo enačb (1.1) in (1.2) in znanih vrednosti, ki nastopajo v njih, lahko izračunamo obdelovalne parametre za orodje iz KT.
𝒏𝑲𝑻=𝟖, 𝟓 𝒎/𝒎𝒊𝒏 ∙ 𝟏𝟎𝟎𝟎
𝝅 ∙ 𝟔 𝒎𝒎 = 𝟒𝟓𝟎, 𝟗 𝒎𝒊𝒏−𝟏 (2.1)
𝒇𝑲𝑻= 𝟎, 𝟎𝟓𝒎𝒎
𝒛𝒐𝒃∙ 𝟒 𝒛𝒐𝒃 ∙ 𝟒𝟓𝟎, 𝟗 𝒎𝒊𝒏−𝟏= 𝟗𝟎, 𝟏𝟖𝒎𝒎
𝒎𝒊𝒏 (2.2)
Izračun obdelovalnih parametrov za orodje iz HSS:
S pomočjo enačb (1.1) in (1.2) in znanih vrednosti, ki nastopajo v njih, lahko izračunamo obdelovalne parametre za orodje iz HSS.
𝒏𝑯𝑺𝑺=𝟔, 𝟏 𝒎/𝒎𝒊𝒏 ∙ 𝟏𝟎𝟎𝟎
𝝅 ∙ 𝟔 𝒎𝒎 = 𝟑𝟐𝟑, 𝟔 𝒎𝒊𝒏−𝟏 (3.1)
Metodologija raziskave
27 𝒇𝑯𝑺𝑺 = 𝟎, 𝟎𝟓𝒎𝒎
𝒛𝒐𝒃∙ 𝟑 𝒛𝒐𝒃 ∙ 𝟑𝟐𝟑, 𝟔 𝒎𝒊𝒏−𝟏= 𝟒𝟖, 𝟓𝟒𝒎𝒎
𝒎𝒊𝒏 (3.2)
4.1.2 Določanje oblike izdelka in izdelava
Za uspešno spremljanje kvalitete obdelave je potrebno izbrati pravilno obliko izdelka.
Izbrana je bila oblika utora po sredini vzorca. Takšna oblika omogoča analizo vhoda in izhoda orodja iz obdelovanca kot tudi vpliv istosmernega in protismernega frezanja na kvaliteto obdelave.
Slika 12: 3D model izdelka
Željena oblika izdelka je bila dodana v računalnik, kjer je bilo potrebno vnesti poti orodja in predhodno določene parametre. Pred začetkom obdelave je bilo potrebno zagotoviti pravilno vpetje surovca s pomočjo vpenjalnih čeljusti in ustrezen dotok hladilne tekočine na mesto obdelave. Sledil je prenos generirane G-kode na stroj in izdelava izdelkov.
Slika 13: Vpetje vzorca z vpenjalnimi čeljustmi
Metodologija raziskave
28 Slika 14: Izdelka
4.2 Analiza izdelkov
Tvorjenje nepravilnosti na obdelanih robovih za jeklo in njegove zlitine je prikazano na sliki 15. Slika 15 v nadaljevanju predstavlja osnovo pri razumevanju pogojev tvorbe napak na robovih. Pričakovano dejansko stanje robov pri obdelavi Macorja pa je drugačno, saj se za razliko od jekla keramika ne deformira plastično.
Analiza izdelkov je bila izvedena na digitalnem mikroskopu Keyence VHX-6000.
Izvedena je bila analiza vhoda orodja v material na robovih B5, B6, B7 prikazanih na sliki 14, kjer je prisotno istosmerno in protismerno frezanje za posamezni material orodja.
Zaradi krhkosti materiala, je pri obdelavi keramike vhod in izhod orodja iz izdelka ključnega pomena. Do loma materiala na vhodu in izhodu pride zaradi povečanja rezalnih sil, za katere je značilno, da se s povečevanjem hitrosti podajanja povečujejo in s povečevanjem rezalne hitrosti zmanjšujejo. [40]
Slika 15: Tvorjenje nepravilnosti na robovih za jeklo in njegove zlitine [41]
29
5 Rezultati in diskusija
5.1 Določitev optimalnih obdelovalnih parametrov
Pri določevanju optimalnih obdelovalnih parametrov so osnovo predstavljali kataloški podatki proizvajalca za dan material. Priporočene vrednosti so bile prilagojene glede na material orodja in način obdelave. Določene so bile vrednosti podane v tabeli 7, glede na te pa izračunano št. obratov in podajanje, prikazano v tabeli 8.
Tabela 7: Določitev parametrov za obdelavo
Orodje iz HSS Orodje iz KT
𝑛 = 323,6 𝑚𝑖𝑛−1 𝑛 = 450,9 𝑚𝑖𝑛−1 𝑓 = 48,54 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛 𝑓 = 90,18 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛
5.2 Kvaliteta obdelane površine
Sliki 15 in 16 prikazujeta vhod posameznega orodja v material, kjer so jasno vidne nepravilnosti in napake na obdelanem robu.
Pri analizi vzorca obdelanega z orodjem iz HSS je opaženo večje krušenje v primerjavi z drugim vzorcem obdelanim z orodjem iz KT. Do krušenja robu na vhodu v obeh primerih prihaja na površini, ki je frezana istosmerno. Krušenje robu na tej površini je posledica povečanja za keramiko neugodnih nateznih obremenitev v materialu. Zaradi manjše hitrosti rezanja pri orodju iz HSS so sile in posledično natezne napetosti večje kot pri orodju iz KT, kar povzroči porušitev robu.
Dobljen rezultat obdelanega robu B5 na sliki 14 je glede na podatke pridobljene iz [41]
ustrezen. V primeru jekla prihaja na robu do kopičenja materiala in tvorjenja ostrega robu, med tem ko slaba deformabilnost in visoka trdota keramike kopičenje materiala onemogočata.
Rezultati in diskusija
30 Slika 16: Vhod orodja iz HSS
Slika 17: Vhod orodja iz KT
Na sliki 17, ki prikazuje obdelavo z orodjem iz KT so na spodnji površini jasno vidne sledi rezalnih robov. Polkrožne sledi orodja na obdelani površini so značilne za postopek frezanja in nakazujejo na ustrezno izbrane obdelovalne parametre. Na spodnji površini vzorca obdelanega z orodjem iz HSS sledi orodja niso prisotne, kar lahko opazimo na sliki 16. To je posledica slabših pogojev med obdelavo, kar je pričakovano glede na [2]. Zaradi nepopolnega odrezovanja je kvaliteta površine slabša in dimenzijsko manj natančna.
Sledi na spodnji površini pri obdelavi z orodjem iz KT so prav tako posledica majhnega radija rezalnega robu izmerjene s pomočjo optične merilne naprave Alicona InfiniteFocus SL in znaša 9,53 𝜇𝑚. Izmerjen radij rezalnega robu pri orodju iz HSS pa znaša 18,52 𝜇𝑚.
Rezultati in diskusija
31 Slika 18: Rezalni rob orodja iz HSS (levo) in KT (desno)
Na izhodu orodja iz obdelovanca so bile nepravilnosti na robovih izrazitejše kot na vhodu, kar lahko vidimo na sliki 19. Za dodatno analizo dodatna povečava ni bila potrebna. Na izhodni strani je poškodba najbolj izrazita na robu ploskve, ki je bila obdelana protismerno, na sliki 15 gre za rob B1. Na tem predelu pri protismerni obdelavi pride do povečanja nateznih obremenitev materiala, kar vodi do porušitve robu. Kot navaja [40] so zaradi manjših rezalnih hitrosti sile pri odrezovanju večje pri orodju iz HSS, kar je razlog za slabšo kvaliteto obdelave.
Slika 19: Izhod orodja iz KT (levo) in iz HSS (desno)
Za boljšo kvaliteto in manj krušenja robov obdelovanega kosa, bi bila potrebna sprememba poti orodja. Pot orodja bi lahko za boljši rezultat namesto v eni smeri opravljali iz vsake smeri posebej, s čimer bi se izognili izhodu orodja iz materiala in s tem slabši kvaliteti obdelave.
32
6 Zaključki
Zaključna naloga zavzema osnovne značilnosti, uporabnost in zmožnost obdelave keramike Macor. Pri tem je bilo narejeno sledeče:
1) Podali smo smernice za obdelavo 2) Izbrali smo ustrezna orodja za obdelavo
3) Določili smo ustrezne osnovne parametre obdelave 4) Izdelali smo reprezentativen kos
5) Analizirali vhod in izhod orodja iz izdelka
6) Ugotovili pomen istosmernega in protismernega frezanja na kvaliteto obdelave
Predlogi za nadaljnje delo
Pri nadaljnjih raziskavah na področju obdelave Macorja se bi lahko osredotočili na določanje velikosti obdelovalnih sil in njihov vpliv na kvaliteto obdelave in obrabo orodja.
Za obdelavo bi lahko uporabili še diamantno frezalo in glede na obrabo orodja, rezalne hitrosti in kvaliteto obdelave določili njihovo ekonomičnost.
