CC BY
13МШИЙ Ш МШ1 ШИШКИН
(Продолжение. Начало в№1 и№2за 2002 г., № 2 за 2003)
Виктор Васильевич Бескрованов,
доктор геолого-минералогических наук,
профессор кафедры физики твердого тела Физико-технического
института ЯГУ, заведующий Научно-технологическим центром алмаза ОИФТПС СО РАН, заместитель главного редактора журнала.
1.5. Алмазные шлифовальные круги
Алмаз используется в абразивных инструментах, применяемыхдля шлифования разнообразных материалов. Сама проблема шлифования уходит во тьму веков. Необходимость заточки инструментов и оружия появилась на стадии становления человека разумного (Homo sapiens) и даже раньше, когда он назывался человеком умелым (Homo habilis). В Эфиопии на берегу р. Омо было найдено кварцевое рубило, представляющее собой обтесанный обломок камня. На его режущей кромке остались следы заточки. Ученые полагают, что возраст примитивного каменного инструмента превышает два миллиона лет. Вообразите себе картину тех лет: человек, еще не утративший в облике черты животного, затачивает свое первое каменное оружие, приспособив для этого другой, более твердый камень - примитивный оселок. Уже в глубокой древности человек умел восстанавливать остроту каменных ножей и топоров путем направленной обработки режущей кромки.
Шлифовальные инструменты знакомы всем и каждому. В повседневной жизни приходится постоянно сталкиваться с необходимостью заточки инструментов, работающих эффективно только острыми, например, обыкновенного кухонного ножа. Восстановить остроту тупого ножа можно с помощью любого материала тверже стали, из которой этот нож изготовлен. Задачу заточки кухонных ножей из мягкой стали хозяйки решают просто и остроумно, используя в качестве подручного абразивного материала любой чугунный предмет. На кухне это может быть край чугунной плиты или сковороды. Заостряя таким образом кухонный нож, милые хозяйки не задумываются о причинах восстановления его режущих свойств. А возможно такое точение потому, что абразивные свойства чугуна кухонной плиты превышают такие же свойства металла, из которого изготовлен нож.
В. В. Бескрованов
Кстати говоря, для изготовления якутских ножей, которые известны не только в республике, как универсальные (за возможность и резать, и сверлить, а также использовать в качестве шила), часто выбирают именно мягкую сталь. Такие ножи легко затачиваются. В тайге для охотника или туриста абразивный брусок - лишняя ноша. Для заточки якутского ножа бывалые люди крепят на поверхность ножен небольшой брусок высокоабразивной углеродистой стали. При его отсутствии такого бруска восстановить остроту ножа из мягкой стали нетрудно обломками кремня или песчаника, которые практически всегда можно отыскать.
На примере заточки ножа удобно охарактеризовать абразивные материалы в целом. Нож из стали высокого качества заточить, тем более на чугунной плите, сложно. Но трудность обработки компенсируется возможностью более длительного его использования без переточки. Это закон сохранения остроты инструмента, если хотите. Легче точится -быстрее тупится, труднее точится -дольше остается острым. Чем тверже режущая часть, тем труднее ее заточить, зато ее технологические свойства сохраняются более длительно. Восстановить режущие способности твердосплавных резцов, в том числе алмазных, можно только с помощью алмазного шлифовального инструмента.
Использование абразивных свойств алмаза - самый, пожалуй, древний способ его технического применения. Обычно под абразивным инструментом понимается устройство, определяющим признаком которого служит способность производить механическую обработку изделия, которую выполняет содержащийся в нем абразивный материал. Мелкие зерна абразива скреплены в инструменте с помощью вещества, именуемого связкой.
Чтобы ориентироваться в многообразии абразивного инструмента, его условно разделяют на три группы по двум признакам: первый - способ-
ность инструмента сохранять неизменной форму; второй - положение зерен абразива в инструменте (в связке или в свободном состоянии).
В первую группу шлифовальных кругов по исторически сложившейся традиции включают не только диски, но любой абразивный инструмент фиксированной (неизменяемой) геометрической формы. Это круги разнообразной формы, различные кольца, сегменты и шлифовальные головки. Сюда же попадают и шлифовальные бруски, которые, не имеют круглых очертаний, но, тем не менее, отнесены к шлифовальным кругам, поскольку их форма постоянна.
Во второй группе, в отличие от первой, форма шлифовального инструмента не фиксирована, так как он изготавливается на гибкой основе. Это различные шлифовальные шкурки и ленты; гибкие лепестковые круги, представляющие собой совокупность лепестков шлифовальной шкурки, скрепленных между собой в центре или по периферии; сетчатые и фибровые диски, а также щетки, нити которые делают из синтетического материала, содержащего абразивный материал.
К третьей группе относятся свободные абразивы и пасты. Абразивными пастами называют смесь абразивного материала с материалами различной густоты - от твердых брикетов до жидких составов. При этом трудно провести границу между пастой и суспензией свободного абразива в жидкости.
Из всех видов алмазного инструмента рассмотрим только шлифовальные круги (рис. 1). Они нашли широкое применение еще в 30-х годах прошлого столетия в связи с появлением материалов с высокими абразивными и прочностными свойствами - металлокерамических сплавов и сталей. В настоящее время алмазные круги используются в различных производствах. Ими затачивается и доводится твердосплавный режущий и измерительный инструмент, обрабатываются изделия из твердых сплавов и сталей. Они незаменимы в работе с твердыми и сверхтвердыми материалами, например, когда производится размерная обработка самого алмаза при изготовлении бриллианта или инструмента. В таких случаях шлифовальные круги на основе других абразивных материалов не работают.
Абразивная способность алмазного порошка определятся как отношение массы слоя шлифовального круга, сработавшегося при шлифовании, к массе содержащегося в этом слое алмазного порошка. Практика
Рис. 1. Алмазные шлифовальные круги прямого профиля.
использования алмазных кругов свидетельствует о том, что по абразивной способности алмазные порошки заметно превышают все известные в природе абразивные материалы, а удельный расход алмазоносного абразива в сотни раз меньше (таблица*).
Конструкция шлифовальных кругов с алмазным порошком в качестве абразива достаточно проста: основа (круг) с алмазоносным слоем. Корпус круга изготавливается из металлов или пластмасс, а алмазоносный слой наносится на его краевую часть в виде кольца шириной 1,5-3,0 мм.
В зависимости от назначения круга применяется алмазный порошок разной зернистости и разной концентрации. Эффективность работы алмазного круга определяется главным образом скоростью и чистотой обработки изделия. Значение этих параметров зависит во многом от размеров зерен алмаза (в терминах алмазной технологии - зернистостью алмазного порошка) и их концентрации в алмазосодержащем слое. По государственному стандарту алмазные круги должны иметь 25, 50 и 100%-ную концентрацию алмазного порошка. Перечисленные значения стандартов приняты условно. За 100%-ную концентрацию принимается содержание
Абразивные свойства алмаза и других материалов
Абразивный материал Абразивная способность (по прибору Миндта) Расход абразива на шлифование 1 г твердого сплава, мг
-1- -2-8-
Карбид бора 0,5-0,6 1000-2000
.г-Алмаз 1-0 2510 45- 1-ЗООСгАЮОО--
1ППП °ппп
Карбид кремния 0,25-0,45 3000-18000
Электрокорунд 0,14-0,15
* По Л.А. Васильеву, З.П. Белых (Алмазы, их свойства и применение. - М.: Недра, 1983. - С.41).
0,878 мгалмазного порошка в 1 мм3 алмазосодержащего слоя. Исходя из этого, при концентрации 50 и 25% содержание зерен алмаза в единице объема меньше в 2 и 4 раза. Оно составляет 0,439 и 0,219 мг, соответственно.
Общий вес алмазного порошка в алмазоносном слое шлифовального круга вычисляется по формуле:
Р = 439(К• у/107,
где Р- вес алмаза, караты; К - концентрация алмаза, %; ^-объем алмазоносного слоя, мм3.
При выборе режима алмазной обработки технолог руководствуется тем, что с увеличением зернистости алмазного порошка производительность обработки повышается, но ухудшается чистота обрабатываемой поверхности. И наоборот, с уменьшением зернистости чистота поверхности повышается, но при этом приходится жертвовать скоростью обработки. Поэтому при выборе зернистости алмазных порошков учитывают заданные требования к чистоте поверхности обрабатываемых изделий.
Шлифовальные круги с высокой концентрацией алмаза используются преимущественно на предварительных этапах заточки инструмента, чем обеспечивается высокая производительность труда. Для большинства шлифовальных работ применяются круги со средней концентрацией алмаза, а при окончательной обработке и полировании изделий - с низкой.
Для удержания зерен алмаза в алмазоносном кольце используется связка - вещество, крепко связывающее отдельные зерна друг с другом. Вещественный ее состав может быть металлическим (медь, цинк, олово и др.), керамическим или органическим. К связкам предъявляются определенные требования. Они должны надежно удерживать алмазные зерна, на которые воздействуют громадные центробежные силы, возникающие при быстром вращении шлифовального круга (скорость -до 40 м/с).
Для соединения алмазосодержащего слоя с металлическим корпусом основы применяют диффузионное при-пекание, а к керамическим и пластиковым кругам его приклеивают эпоксидными смолами. Используются также горячее прессование, пайка и другие методы соединения.
Форма и расположение алмазосодержащего слоя на круге определяются технологическим назначением инструмента. Изготовляются круги разной формы и размера. Вот только некоторые виды алмазных кругов: плоские прямого профиля (см. рис. 1), двухсторонние, плоские с выточкой, разнообразные чашечные конические и тарельчатые, а также круги другого профиля.
В большом диапазоне изменяются
и размеры алмазных кругов: от крошечных до кругов-гигантов (рис. 2). С помощью круга-малютки диаметром не более миллиметра производится шлифование миниатюрных подшипников, используемых в некоторых точных приборах. Такая пестрота форм и размеров алмазных кругов свидетельствует о многообразии технологических процессов, в которых они находят применение и часто незаменимы.
Эффективность этого алмазного инструмента доказана многолетней практикой его эксплуатации. Трудоемкость обработки изделий из твердых сплавов алмазными кругами снижается в два раза, по сравнению с обработкой кругами с другим абразивным материалом.
Инструменты, заточенные на алмазном круге, работают быстрее и дольше не требуют переточки. Если однолезвийный инструмент с твердосплавной режущей частью заточить на алмазном круге, его стойкость к изнашиванию повысится в 1,5 раза по сравнению с такой же заточкой на каком-то другом шлифовальном круге. Еще больше эта разница для многолезвийного инструмента -в два раза и более.
Значительным достоинством алмазного шлифовального круга является высокое качество обработанной поверхности. При алмазной обработке материалов из твердых сплавов на их поверхности не образуется трещин, сколов и других механических дефектов, снижающих качество готовой продукции.
Рис. 2. В семействе алмазных шлифовальных кругов есть и гиганты, и карлики.
Сферы использования алмазных шлифовальных кругов многообразны и иногда неожиданны. Например, обувная промышленность. Отделка каблуков производится твердосплавными фрезами с фасонным профилем. Если такую фрезу заточить алмазным кругом, она способна обработать от 30 до 150 тыс. пар модельной обуви. Фреза из быстрорежущей стали справляется всего с 500 парами такой же обуви между переточками.
Известен случай, когда один шлифовальный круг, содержащий в связке 4 тыс. каратов синтетического алмазного порошка, заменил 400 шлифовальных кругов из карбида бора, общий вес которых составил 15 тонн. При этом была автоматизирована заточка твердосплавных буровых долот, что позволило повысить производительность труда в 13 раз.
Алмазный круг широко используется при шлифовке стекла. Один круг способен отшлифовать острые кромки 20 тыс. автомобильных стекол.
Результат работы алмазного инструмента можно найти в предмете на туалетном столике любой женщины - зеркале. Для его изготовления листы стекла разрезаются алмазным стеклорезом. Затем каждая пластина-заготовка проходит стадии обработки острых кромок и шлифования поверхности на алмазных кругах. Таким образом, абразивная способность алмаза проявляется в качественном зеркальном отображении.
Алмазные круги незаменимы при шлифовке линз и других стеклянных деталей для оптических приборов. Здесь особенно ценится чистота алмазной обработки поверхности стекла, на котором после шлифования не остается следов в виде царапин или мелких рисок.
Работает алмазный круг на заводах, выпускающих стеклянную и фарфоровую посуду, сглаживая кромки изделий. Использование алмазного инструмента увеличивает выход готовой продукции с одновременным снижением ее себестоимости. Шлифование изделий из хрусталя с помощью алмазного инструмента позволяет в два раза повысить производительность и улучшить
качество обработанных поверхностей.
Требуют шлифования и экраны телевизоров. Использование алмазного круга позволяет повысить скорость их обработки (в 2,0-2,5 раза) и гладкость поверхности, по сравнению с результатом использования других абразивных материалов. В научно-популярной книге «Рабочая грань алмаза» Г. Мишкевич приводит случай, когда одним шлифовальным кругом, рабочее кольцо которого содержало 124 карата порошка синтетического алмаза, на заводе по изготовлению телевизоров сошлифовали с поверхности кинескопов за один год в общей сложности 7 т стекла. Эти кинескопы были использованы при сборке примерно полутора миллионов телевизоров. Экономический эффект от внедрения алмазного инструмента в данном случае, как говорится, налицо.
Алмазный абразивный инструмент используется для затачивания в медицине скальпелей, инъекционных игл, ножей микротомов. Кому из читателей нашего журнала не знакомы неприятные ощущения при сверлении или обточке зуба? Их испытали многие. Вместе с тем, страдания от зубной боли в стоматологическом кабинете можно уменьшить с помощью алмаза! Зубная эмаль обладает большой твердостью и устойчивостью к изнашиванию. Такой ее сотворила природа. При сверлении и шлифовании зуба другими абразивами приходится прилагать немалые усилия, чтобы превысить прочность эмали. Отсюда и неприятный звук, пронизывающий, кажется, «до мозга костей». Иное дело - алмазные диски и боры. Они позволяют легко преодолеть сопротивление зубной эмали и безболезненно «подремонтировать» больной зуб.
Мы назвали только некоторые сферы применения алмазных шлифовальных кругов. На самом деле, их неизмеримо больше, и этот перечень непрерывно расширяется. За алмазным инструментом будущее!
(Продолжение следует)
ьутя
Выдающийся американский физик Артур Комптон, автор широко известного в физике эффекта упругого рассеивания электромагнитного излучения на свободных электронах, был очень энергичным человеком, прекрасно физически сложенным, отличным спортсменом. В 30-е годы XX столетия Комптон занимался изучением космических лучей. Он измерял интенсивность космического излучения на разных широтах и переезжал со своей аппаратурой из одного американского города в другой, пока не добрался до мексиканской столицы. В Мехико его ящики с аппаратурой выгрузили на перроне. На вид все они были одинаковы, однако в двух ящиках находились полые сферические корпуса, а остальные были нагружены свинцовыми шарами. Носильщики, тронув один из них, заломили огромную сумму за переноску этих тяжестей. Тогда Комптон, подхватив два ящика с полыми корпусами, бодро зашагал по перрону. Пристыженные носильщики, с трудом вдвоем поднимая один ящик со свинцовыми шарами, поплелись за ним следом.
Эта история попала в газеты и наделала много шума. С тех пор о Комптоне заговорили как о человеке, обладающем огромной физической силой.
