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 и 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, материал вырабатывается не полностью, лишь та его часть, которая выступает над клеевым слоем. 

Изначально технология предназначалась для производства линз в проекторах, но в результате она легла в основу производства световозвращающих материалов и алмазных пленок

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, чтобы получились отдельные агломераты.

Именно агломерированные зерна наносили на основу для получения многослойной абразивной поверхности. 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 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 материала.

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

Изначально технология предназначалась для производства линз в проекторах, она легла в основу производства световозвращающих материалов и алмазных пленок. Ее суть заключается 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, нежели 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 естественно 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, отсюда родилось название Trizact™. Сегодня существует множество разновидностей продукции под этим брендом.

Помимо этой инновационной технологии в компании существует другой вид абразивов (с керамическим оксидом алюминия). Его отличие заключается в микрокристаллической структуре, которая позволяет материалу всегда оставаться острым. Микрочастицы оксида алюминия с помощью керамической связки соединяются в твердое абразивное зерно. Керамическая черепица при спекании приобретает особую прочность, предотвращая преждевременное разрушение абразивного зерна в случае сильных нагрузок. 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 компании 3М, ее 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 3M™ и целая линейка абразивов под уже ставшей широко известной торговой маркой 3M™ Cubitron™ II.

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 абразивами Cubitron™ II таких проблем больше не возникнет. Зерно точной формы 3M™ представляет собой призму, острием направленную к обрабатываемой поверхности. По сути, в абразивах Cubitron™ II 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 3M™, тоже имеют призматическую форму. В процессе шлифовки, когда отработавшие абразивные микрочастицы откалываются, на поверхности зерна открывается новый слой микрорезцов. В результате абразивы Cubitron™ II продолжают шлифовать вплоть до полного истирания абразивного слоя, не снижая скорость работы.

Кроме того, проявляя себя как резцы, зерна точной формы 3M™ обеспечивают более гладкую поверхность, позволяя во многих случаях сократить количество технологических операций и избежать деформации поверхности из-за ее перегрева при шлифовке.

Таким образом, зерно точной формы 3M™ – это искусственно созданный абразивный минерал со строго определенными, точно воспроизводимыми физическими свойствами и характеристиками. Зерно определенной формы 3M™ обеспечивает высокую эффективность  применения абразивов Cubitron™ II для обработки металлов.