Brúsenie (strojárstvo)

Podstatou každej metódy brúsenia je úber brúsnym zrnom ako efekt účinku brúsneho zrna na obrábaný materiál. Brúsne zrno chápeme ako rezný nôž, ktorý má náhodnú geometriu a orientáciu. Pri brúsení sa materiál odoberá z obrobku tvrdými brúsnymi zrnami brusiva brúsiaceho kotúča pri rezných rýchlostiach 30 až 80 m.s^-1. Veľké rezné rýchlosti sú potrebné preto, aby brúsne zrná, ktoré majú vždy negatívny uhol čela, dobre odoberali triesky. Brúsenie sa v princípe zhoduje s frézovaním, rozdiel je však vo veľkosti triesok, ktoré sú pri brúsení nepomerne menšie - 0,0001 - 0,002 mm². Proces brúsenia prebieha za špecifických podmienok - pri brúsení pôsobí intenzívna plastická deformácia v orezávanej vrstve, dochádza k vysokej intenzite trenia pričom sa vyvíja značné množstvo tepla. Okamžitá teplota v zóne rezania dosahuje až 1500°C. Takáto vysoká lokálna teplota môže spôsobiť prehriatie materiálu, oduhličenie povrchu, vznik trhlín a zmenu štruktúry povrchu. Časť triesky sa taví a z miesta rezu odchádza vo forme roztavených mikrokvapiek. Aby sa zabránilo nepriaznivým tepelným účinkom, musí sa brúsený povrch intenzívne chladiť chladiacou kvapalinou.

Brúsny proces prebieha pri rezných rýchlostiach 30 až 80 m.s^-1, teda pri otáčkach brúsiaceho vretena 2000 až 100000 min^-l. Akosť povrchu a jeho presnosť sú oproti bežnému trieskovému obrábaniu väčšie. Pri silovom brúsení musí do miesta styku kotúča s materiálom pritekať mnoho reznej kvapaliny pod vysokým tlakom (až 3 MPa). S výhodou sa využíva prívod chladiacej kvapaliny vnútrajškom kotúča.

Rozklad síl pri brúsení

Kinematika je ako pri každom obrábaní určená hlavným a vedľajším pohybom. Hlavný pohyb je pracovný rotačný pohyb brúsneho kotúča, vedľajším pohybom je pohyb obrobku, ktorý môže byť priamočiary posuvný, alebo rotačný. Výsledný rezný pohyb je daný výslednicou týchto dvoch pohybov. Hlavný rotačný pohyb je niekoľko násobne vyšší, ako vedľajší pohyb (aj 100 - 200x), preto za reznú rýchlosť považujeme obvodovú rýchlosť brúsneho kotúča [m.s^-1]. Posuv je definovaný ako posunutie brúsneho kotúča za jednu otáčku obrobku (pri rotačnom brúsení), alebo priamočiary posun obrobku (kotúča) za časovú jednotku (pri rovinnom brúsení).

Ukazovateľom efektívnosti brúsenia je úber ${\displaystyle Q}$, čo je objem odbrúseného materiálu za jednotku času [mm³min^-1]. Skutočný úber je však daný aj účinnosťou brúsenia (vplyv ostrosti zŕn, chladiacej kvapaliny a pod.)

${\displaystyle Q=v_{o}.h.s}$, kde v_o je obvodová rýchlosť [m.s^-1], h je prísuv [mm] a s je pozdĺžny posuv [mm]

V procese brúsenia, keďže nástroj musí byť tlačený do rezu vzniká rezná sila ${\displaystyle F}$, ktorej výslednica je rozložená do hlavnej (tangenciálnej) sily ${\displaystyle F_{c}}$, prísuvovej sily (radiálnej) ${\displaystyle F_{p}}$ a osovej sily ${\displaystyle F_{f}}$.

Veľkosť tangenciálnej zložky si určíme zo vzťahu ${\displaystyle F_{c}={\frac {1000.P_{s}}{v_{k}}}}$
kde ${\displaystyle P_{s}}$ je skutočný výkon na hriadeli stroja [kW] a ${\displaystyle v_{k}}$ je obvodová rýchlosť kotúča [m.s^-1].

Rezná rýchlosť pri brúsení je vlastne obvodová rýchlosť kotúča, pričom rýchosť posuvu zanedbávame.

${\displaystyle v_{k}={\frac {\pi .D_{k}.n_{k}}{60.1000}}}$

kde ${\displaystyle D_{k}}$ je priemer kotúča [mm] a ${\displaystyle n_{k}}$ je počet otáčok kotúča [min^-1]

Obvodová rýchlosť obrobku sa určuje podobne

${\displaystyle v_{o}={\frac {\pi .D_{o}.n_{o}}{1000}}}$

kde ${\displaystyle D_{o}}$ je priemer obrobku [mm] a ${\displaystyle n_{o}}$ je počet otáčok obrobku [min^-1].

Brúsny kotúč

Brúsny nástroj je tvorený zrnami brusiva spojené spojivom do tuhého brúsneho kotúča. Na bežné kotúče sa obvykle používajú dva druhy materiálov:

• oxid hlinitý Al₂O₃ (syntetický korund)
• karbid kremíka SiC (karborundum)

Zrnitosť brusiva je určená číslom podľa STN 22 4501, ktorá závisí od rozmeru zŕn. Zásady voľby zrnitosti:

• veľká styčná plocha medzi kotúčom a obrobkom a veľká rezná rýchlosť - hrubšie zrno
• čím je väčší prídavok, tým je zrno hrubšie
• čím je potrebné menšie prehriatie obrobku, tým jemnejšia zrnitosť

Tvrdosť kotúča je odolnosť zrna brusiva proti vydroľovaniu pri brúsení. Volí sa podla materiálu, a označuje sa písmenom G až Z. Čím je brúsený materiál tvrdší, tým mäkší brúsny kotúč sa volí. Tvrdý kotúč (Z) je vhodný na prerušované plochy, mäkký kotúč (G) na presné brúsenie, a brúsenie bez chladenia.

Štruktúra kotúča je kvantitatívny pomer objemu brusiva, spojiva a pórov v brúsnom kotúči. Čím je vyššie číslo (1 - 13), tým väčšie sú póry v kotúči. Spojivá spájajú zrná brusiva medzi sebou a formujú tvar brúsneho kotúča. Druh spojiva určuje pevnosť brúsneho kotúča a tým aj jeho maximálnu obvodovú rýchlosť pri brúsení.

• keramické spojivá sú najpoužívanejšie, sú určené pre obvodovú rýchlosť 30 - 50 m.s^-l.
• kovové spojivá sa používajú hlavne pri diamantových kotúčoch, kovom je obvykle bronz
• gumové spojivá pre úzke kotúče hlavne na rezanie a leštenie
• syntetické živice (orgaické spojivo) sa používajú pre obvodové rýchlosti 80 - 100 m.s^-l.

Voľba brúsiaceho kotúča závisí od:

• druhu brúsenia
• vlastnosti brusiva
• druhu brúsneho stroja
• spôsobu chladenia

Tvary brúsnych kotúčov sú normalizované. Podľa tvaru je základné delenie na:

• plné brúsne kotúče
• segmentové brúsne kotúče
• brúsne kamene a telieska

Brúsny kotúč z brúsneho papiera

• plochý
• jednostranne kužeľový
• obojstranne kužeľový
• s jednostranným vybraním
• s obojstranným vybraním
• prstencový
• hrncový
• miskový
• obojstranne skosený
• tanierový
• vydutý brúsiaci segment
• plochý brúsiaci segnemt
• brúsne teliesko
  • kužeľové, zaoblené, valcové ...