Инновационная технология заточки посредством ультразвука
Ульманн, Богуславский, Кениг, Шаллен, Свердлов
При заточке клинков и ножей традиционно применяется формирование режущей кромки и финальный процесс шлифовки. КТ Берлин владеет технологией позволяющей существенно увеличить качество и остроту режущих элементов. Путем тончайшей ковки, базируемой на ультразвуке, могут производиться клинки, ножи, а также хирургический режущий инструмент и бритвенные лезвия наивысшего качества при одновременном снижении производственных и инвестиционных затрат. В настоящее время фирма реализует адаптацию инновационных технологии в серийное производство. Одновременно КТ преследует цели расширения возможностей технологического использования технологий и их маркетинга. Изначально технологии тончайшего формообразования были использованы в производстве скальпелей на российском партнерском предприятии Мелита-К. В Германии реализована разработка прототипа по заточке бритвенной ленты и начата работа по дальнейшему развитию технологии.
Технология тончайшей УЗ ковки используется для производства режущих кромок с повышенными техническими требованиями и характеристиками и для реализации режущих элементов малой толщины и размеров (Рис 1). Эта технология основывается на том, что формообразование режущей кромки производится под воздействием ударного инструмента вибрирующего в ультразвуковом диапазоне. При частоте в десятки тысяч колебаний в секунду сотроды работающие как молот, и наковальня формируют клинообразный угол соответствующий углу режущего клина. Энергия, подведенная посредством вибрации, приводит к перемещению материала и пластическому формообразованию металла в области режущей кромки. При этом режущая кромка приобретает максимальную твердость и прочность. Основой этому являются осуществление большой фоормообразуюшей работы на небольшом объеме металла и соответственное осуществление высочайшего пластического уплотнения материала. Дальнейшим преимуществом способа тончайшего формообразования является элиминирование поверхностных дефектов которые образуются при подготовке клинка и его шлифовке. Тончайшая УЗ ковка осуществляется при высоких скоростях реализации процесса.
Рис. 1 Принцип тончайшей ультразвуковой ковки
Особые задачи ставит формообразующая заточка клинков и инструмента из предварительно закаленной стали. И в этом случае вследствие малых амплитуд ультразвуковых колебаний реализуется локальное формообразование с повышением качества закаленных клинков в рамках границ пластичности мартенситно-аустенитной структуры. При этом наряду с повышением прочности реализуется сглаживание режущей кромки и таким образом достигается существенное улучшение износостойкости и режущих свойств (рис 2). Первые результаты использования УЗ заточки в производстве хирургического инструмента с особо высокими требованиями к качеству и остроте режущей кромки также являются многообещающими. Один немецкий лидер в производстве хирургического инструмента подтверждает в своих исследованиях, что использование технологии тончайшей УЗ ковки позволяет получать скальпели с гладкими режущими кромками (отсутствие пилообразной поверхности) и тонкими и прецизионными концами.
Рис.2 Заточка бритвенной ленты с помощью тончайшей УЗ ковки
Параллельно с оптическими исследованиями проведенные измерения нагрузки необходимой для разреза в сравнении с традиционно изготовленными скальпелями показывают, что необходимая нагрузка может быть снижена вдвое. Наряду с производством гладких режущих кромок (отсутствие пилообразной поверхности) технология тончайшей уз ковки позволяет осуществить реализацию специальных профилей концентрированных для различных тканей. Также использование титана в качестве материала для производства скальпелей облегчается при использовании технологии КТ. Титан в сравнении с традиционными сталями является полностью антимагнитным. Поэтому такие скальпели особенно предпочтительны при операциях в магнитных полях титановыми имплантатами.
В институте инструментальных машин и производственной техники технического университета Берлина произведена квалификация кухонных и машинных ножей посредством растерэлектронноптических и твердостных исследований. Так как в исследуемых клинках присутствуют тонкие структуры малых размеров и имеются сравнительно грубые следы шлифовальной обработки лежащие перпендикулярно режущей кромке их механическая характеристика представлялась особенно проблематичной. На Рис. ЗА представлен машинный нож. На Рис. ЗВ показана поверхность клинка под растерным электронным микроскопом.
Ausgeformter Bereich. — переформированый диапазон
Verformter Bereich — сформирований диапазон
Grundwerkstojf — базовый материал
Рис.3 Машинный нож обработанный тончайшей УЗ ковкой (А): Топография (В) измерения твердости (С).
Следы шлифовки со сравнительно высокой шероховатостью видны в нижнем диапазоне. Они являются показательными для базового материала. УЗ обработка снижает шероховатость режущей поверхности и переформирует топографию шлифовки в основном диапазоне со следам обработки лежащими параллельно режущей кромке. Непосредственно на поверхности режущей кромки присутствует область со следами обработки перпендикулярными режущей кромке. В этом диапазоне хотя и наблюдаются последствия шлифовки поверхности, уз - обработка указывает на существенное снижение шероховатости поверхности. На Рис. ЗС представлены результаты исследований твердости, которые коррелируются с поверхностной топографией. Показано, что в базовом диапазоне, полученном в результате обработки тончайшей УЗ ковкой, присутствует прим. 20% возрастание твердости по сравнению с твердостью базового материала. Таким образом, возрастает износостойкость ножа.
На Рис. 4А представлен высококачественный кухонный нож режущая кромка которого под растерэлектронным микроскопом представлена на Рис 4В. Как и в, случае машинного ножа здесь присутствует аналогичная корреляция поверхностной топографии и результатов измерения твердости (Рис 4С).
Хотя в случае кухонного ножа присутствует закаленный клинок, достигается повышение базовой твердости на дальнейшие 25% - на среднюю величину максимальной твердости в HV5 = 890. Дополнительно к описанным областям присутствуют выраженные переходные области. Этот диапазон характеризуется понижением твердости по сравнению с базовым материалом. Предположительно это может основываться на структурных изменениях в результате пластического формообразования.
Ausgeformter Bereich — переформирований диапазон
Ubergangsbereich — переходный диапазон
Verformter Bereich — сформирований диапазон
Grundwerkstoff — базовый материал
Рис.4 Кухонный нож обработанный тончайшей УЗ ковкой (А): Топография (В) измерения твердости (С).
Технология тончайшей уз ковки является в наивысшей степени применимой для повышения качества ножей и клинков. С помощью этой технологии быть компенсированы имманентные повреждения от шлифования и сверх этого реализоваться повышение твердости. Уже сегодня убеждающие результаты использования технологии должны быть далее оптимизированы относительно параметров обработки и критериев качества посредством дальнейших системных исследований. Параллельно КТ производит адаптацию технологии тончайшей УЗ ковки режущих кромок в индустриальные процессы и таким образом создает предпосылки к возможной реализации широкого рыночного внедрения уже в течение ближайших месяцев.