Suché elektrolytické leštění

Kvalita povrchu leštěného tzv. technologií DryLyte Technology (obr. 1) je až fascinující – zcela běžný je zrcadlový lesk se střední aritmetickou úchylkou povrchu Ra = 0,02–0,03 µm, a to bez poškrábání či selektivního naleptání povrchu.

Na rozdíl od jiných abrazivních technologií (např. od vlečného omílání) tato technologie nevyžaduje tak tuhé upnutí leštěných dílců, nezahrnuje potenciální kinematický problém s přeleštěním určitých břitů při nevhodné synchronizaci otáček rotorů (pozorováno např. u odjehlování kotoučových pil) a dokáže naleštit rovnoměrně i ostré špičky (nebo zastíněné dutiny) předmětů (ze všech stran) bez jejich poškození (obr. 2). Redukuje i potřebu zásobníků abraziva s rozdílnou zrnitostí nebo chemickým složením a je energeticky mnohem méně náročná.

Systém se částečně podobá klasickému elektrolytickému leštění, ale nejde o nějaké ponoření do tekutého elektrolytu. Na okraji nádoby je vodivá elektrická klec (zapojená na záporný pól) a obrobek se upíná na tzv. suport, který je připojen k pozitivnímu pólu zdroje. Jako vodivé médium mezi těmito dvěma zdroji se zde uplatňuje kyselina, obsažená v porézních zrnech nasypaných v pracovním bubnu stroje (obr. 3).

Podobně jako v případě klasického elektrolytického leštění není v tomto systému automaticky zajištěno zcela rovnoměrné leštění všech ploch (to je dáno mj. proudovou hustotou), zvláště vnitřních nebo členitějších povrchů. Proto je zapotřebí, aby se obrobek v tomto médiu pohyboval prostorově. Pohyb se skládá ze tří základních částí – rotačního pohybu kolem osy upínače, planetového kolem hlavní osy suportu a translačního podél hlavní osy suportu. Celkový pohyb obrobku v pracovní náplni je relativně velmi pomalý, leštěné kusy se jen v podstatě reverzně brodí kuličkami, nejedná se však o nijak výrazný řezný pohyb (obr. 4).

U elektrolytického leštění se obecně využívá dvou základních mechanismů přenosu částic. V prvním mechanismu dochází k rozpouštění iontů materiálu, primárně na vrcholech povrchu. Ve druhém mechanismu se pomocí tzv. akceptoru a chelatace ionty odebírají z povrchu obrobku. V systému suchého elektrolytického leštění hrají roli oba tyto mechanismy, a to v různých poměrech. Samotný proces se skládá ze čtyř fází, které se opakují, ale každou fázi lze nastavit podle konkrétních materiálů, stavu předchozího opracování a požadavků na konečnou kvalitu povrchu:

– v první fázi (T1) není aplikováno žádné napětí, systém se chemicky vyrovnává a na povrchu obrobku a na porézních zrnech elektrolytu, obsahujících sulfonovou kyselinu, se vytváří mokrá vrstva;

– ve druhé fázi (T2) je připojeno elektrické napětí (obrobek je připojen na anodu), pomocí kterého dojde ke vzniku elektrického proudu, řízené oxidaci povrchu a rozpouštění iontů materiálu obrobku. Během této fáze se odebírá materiál a upravuje morfologie povrchu. Aplikované napětí závisí na materiálu obrobku, obvyklé hodnoty jsou 20 V až 50 V, dosahované proudy bývají zpravidla několik ampérů;

– aby se systém mohl opět chemicky vyrovnat a na povrchu obrobku a zrnech elektrolytu se obnovila mokrá vrstva, ve třetí fázi (T3) není aplikováno žádné napětí;

– v poslední fázi (T4) se změní polarita napětí, díky čemuž se oxidovaná vrstva materiálu na povrchu obrobku redukuje.

Leštění je vhodné pro celou řadu materiálů: uhlíkové a korozivzdorné oceli, superslitiny niklu, slitiny Co-Cr, titanové slitiny, slitiny Ni-Ti (materiály s tvarovou pamětí, jako je např. nitinol), barevné kovy (slitiny Cu a Al) a prakticky všechny slinované řezné a tvářecí nástroje ze slinutých karbidů. Oproti běžným metodám elektrolytického obrábění poskytuje tento systém lepší korozivní odolnost povrchu, neboť korozní potenciál obrobku se během prvních hodin leštění zlepšuje a teprve po 5–6 hodinách se dostává na úroveň klasických elektrolytických metod leštění. Vzhledem k použití sulfonové kyseliny je důležitou otázkou biokompatibilita této metody. Podle laboratorních studií lze tento systém považovat za biokompatibilní, a ne cytotoxický. Dlouhodobé laboratorní studie vzhledem k novosti technologie ještě probíhají.

Pro ověření účinků suchého elektrolytického leštění byla použita tyčová tvářená slitina Ti6Al4V (ASTM F136, Rp0,2 = 795 MPa, Rm = 860 MPa, A5 = 10 %, tvrdost HRC 32), D30mm, na které byly opracovány dílčí povrchy D20mm (obr. 5). Pro podélné soustružení na soustruhu SV18 RD byla použita vyměnitelná břitová destička KNUX 160405SR-73 Grade 6640 (pro každý řez byl použit nový břit), pro smirkování byly použity smirkové papíry různé zrnitosti a pro leštění diamantové pasty (obojí z produkce firmy Struers) – tab. 1. Kvalita povrchu byla analyzována pomocí mikroskopu Alicona IF-G5 (Bruker Alicona, Štýrský Hradec, Rakousko) a elektronového mikroskopu Tescan Mira3 (Tescan, Orsay Holding, Brno).

Pro ověření účinku suchého elektrolytického leštění na drsnost povrchu probíhalo leštění po dobu 30, 60 a 90 minut.

Účinky doby leštění na střední aritmetickou úchylku povrchu pro dílčí povrchy je zobrazen na obr. 6. Statistické zpracování na obr. 7 ukazuje nejvýraznější relativní redukci drsnosti povrchu po předchozím opracování – nejvyššího zlepšení bylo dosaženo po broušení smirkovým papírem jemné zrnitosti, resp. po hrubém leštění diamantovou pastou.

Analýza morfologie povrchu (obr. 8) ukazuje na změnu morfologie všech leštěných povrchů, nicméně nejvýraznějších účinků bylo dosaženo u povrchů č. 5–8, na kterých je patrná nová textura povrchu po suchém elektrolytickém leštění, plně nahrazujícím předchozí dokončovací metody (obr. 9) – dosažená hodnota drsnosti Ra = 0,02–0,03 mm.

Tato technologie má důležitý dopad na Abbottovu-Firestoneovu křivku nosného podílu (obr. 10): zde došlo k výrazné redukci výčnělků povrchu, čímž se zvýšil podíl nosného jádra materiálu. To má v technické praxi obecně za následek vyšší odolnost součástí proti opotřebení, zvláště v době jejich záběhu, dále ve stomatologii, chirurgii i například v potravinářském průmyslu, kde se snižuje možnost zachycení bakterií, virů či jiných mikroorganismů v površích implantátů a podobných dílců. Podobných příznivých parametrů bylo dosaženo i u dalších amplitudových charakteristik (Rq, Rz, Rt atd.) a podobně u charakteristik plošných a objemových (Sa, Sq, Sz, resp. Vmp, Vmc, Vvv a jejich poměrů).

Vzhledem k vysoké kvalitě a integritě leštěného povrchu lze technologii suchého elektrolytického leštění považovat za velmi perspektivní a také velmi šetrnou k leštěným vzorkům, s širokým potenciálem pro dokončovací obrábění všech kovových materiálů nebo materiálů obsahujících kovovou fázi.