Эволюция технологий шлифовки

Что мы обычно подразумеваем под словом «абразив»? Шкурку, которой шлифуют детали или просто песок? Что такое абразивы на самом деле?

История абразивов начинается с каменного века. Первобытные люди использовали песок с водой для шлифовки камней, из которых делали оружие и бытовые принадлежности. В Древнем Египте для строительства пирамид применялись медные пилы и песок с водой – пилами распиливали огромные базальтовые блоки, а смесь песка с водой служила абразивом для шлифования каменных блоков, положенных один на другой, полировки статуй и рельефов из гранита и базальта.

В древней Греции резные камни — геммы — изготавливали с применением вращающегося медного колеса, абразивами служили порошок корунда, алмазная пыль, гематит и масло. В поздней античности, Средневековье, в искусстве эпохи Возрождения и Барокко изделия из стекла также шлифовали с помощью медного колеса, корунда, песка с водой и алмаза.

Итак, абразив (от лат. abrasio — «соскабливание») — это любое мелкозернистое твердое вещество, используемое для механической обработки других материалов. Это мелкие, твердые, острые частицы, используемые для механической обработки разнообразных материалов и изделий из них – от больших стальных плит до листов фанеры, оптических стекол и компьютерных микросхем.

Современный абразив состоит из основы, связующего материала и абразивного зерна, которое крепится на основе с помощью связующего материала – адгезива. Высокая твердость и форма с острой кромкой являются важнейшими характеристиками абразивного зерна. Сегодня, в высококачественных абразивах применяется только абразивное зерно из синтетических материалов: плавленый корунд, карбид кремния, корунд циркония и керамический корунд.

В качестве основы для традиционного абразива берется бумага или ткань, на нее наносится клей, а сверху приклеиваются абразивные зерна. Нанесенные в один слой, при работе они быстро стираются, из-за чего приходится часто менять абразив. Более того, абразив вырабатывается не полностью, лишь та его часть, которая выступает над клеевым слоем.

Возник вопрос – как повысить эффективность и производительность абразивов?

Инженеры-исследователи компании 3М не стали наносить на основу поочередно клей и зерна, как обычно, а смешали абразивные зерна в клеевой связке так, что получились отдельные агломераты.

Именно агломерированные зерна наносили на основу так, что получалась многослойная абразивная поверхность. При работе слои агломератов отламывались и стирались, открывая следующий свежий слой.

Новая разработка имела весомое преимущество перед традиционным абразивом, но в процессе ее тестирования был выявлен и ряд недостатков. Площадь сцепления агломерированных зерен с основой абразива была довольно маленькой, в процессе транспортировки и использования абразива агломераты скалывались и терялись, а в промежутки между ними забивались продукты шлифовки и пыль. Все это не позволяло использовать весь потенциал абразива.

Таким образом, стало понятно, что вопрос требует дальнейшей проработки. На помощь пришла технология микрорепликации, разработанная и запатентованная в 3М. Микрорепликация позволяет создавать материалы одинаковой структуры на микроуровне.

Изначально технология предназначалась для производства линз в проекторах, она легла в основу производства световозвращающих материалов и алмазных пленок. Суть этой технологии в трехмерных высокоточных насечках, которые радикальным образом в зависимости от формы и количества насечек на один миллиметр или даже нанометр поверхности меняют физические свойства материалов.

Так появилось целое направление пленок для мобильных дисплеев, LCD-мониторов и телевизоров, световозвращающих пленок. Они не только дают высокую четкость и яркость изображения, но и потребляют меньше энергии, чем традиционные аппараты на основе электронно-лучевых трубок.

Эту технологию решили применить и в производстве абразивов. Агломераты не сразу наносили на основу. Сначала абразивные частицы вместе со связкой формировали в микроскопические структуры правильной пирамидальной формы, содержащие множество слоев абразивных частиц абсолютно одинакового микронного размера. В процессе шлифовки абразивные частицы постепенно истирались, а затем и вовсе откалывались, открывая новые абразивные частицы с острыми краями. Угол между пирамидками был рассчитан таким образом, что продукты шлифовки естественным образом удалялись с поверхности, не забивая расстояние между ними. В результате получились абразивы с совершенно новыми свойствами – длительным сроком службы и постоянным на протяжении всего срока служба (до полного истирания абразивного слоя) качеством обработки поверхности. Первый абразив, созданный таким образом в компании 3М, имел трехгранные пирамидки.

Помимо этой инновационной технологии в компании 3М уже существовал другой вид абразивов – с керамическим оксидом алюминия. Отличие этого абразивного минерала заключается в микрокристаллической структуре, которая позволяет ему всегда оставаться острым. Микрочастицы оксида алюминия с помощью керамической связки соединяются в твердое абразивное зерно. Керамическая связка при спекании приобретает особую прочность, предотвращая преждевременное разрушение абразивного зерна при сильных нагрузках. В то же время в процессе шлифовки по мере износа абразивного зерна отработавшие микрочастицы оксида алюминия откалываются в местах соединения друг с другом, постепенно открывая новые микрочастицы с острыми режущими кромками. Такой механизм «самозатачивания» обуславливает высокую агрессивность и длительный срок службы абразивов с керамозерном.

Для дальнейшего совершенствования абразивных материалов инженеры решили соединить обе технологии, сформировав из керамического зерна полностью повторяющие друг друга микроструктуры правильной формы. Таким образом, появилось единственное в мире зерно точной формы и целая линейка абразивов.

Обычное керамическое зерно и микрочастицы, из которого оно состоит, имеют неправильную громоздкую форму. При шлифовке обычное керамозерно «вспахивает» обрабатываемую поверхность, создавая микрозаусенцы и генерируя избыточное тепло.

С новыми абразивами таких проблем больше нет. Зерно точной формы представляет собой призму, острием направленную к обрабатываемой поверхности. По сути в абразивах на основе закреплено множество резцов, которые как ножом прорезают металл и обеспечивают высокую скорость шлифовки. При этом и микрочастицы, из которых состоит зерно точной формы, тоже имеют призматическую форму. В процессе шлифовки, когда отработавшие абразивные микрочастицы откалываются, на поверхности зерна открывается новый слой микрорезцов. В результате абразивы продолжают шлифовать вплоть до полного истирания абразивного слоя, не снижая темпов.

Кроме того, работая как резцы, зерно точной формы обеспечивает более гладкую поверхность, позволяя во многих случаях сократить количество технологических операций и позволяет избежать деформации поверхности из-за ее перегрева при шлифовке.

Таким образом, зерно точной формы – это искусственно созданный абразивный минерал со строго определенными, точно воспроизводимыми физическими свойствами и характеристиками. Зерно точной формы обеспечивает высокую эффективность применения абразивов для обработки металлов.

По материалам выставки Металлообработка