Projekt okładki i stron tytułowych: Piotr Fedorczyk

Fotografia na okładce: Andrey Kuzmin/Adobe Stock, Kazimierz Woźniak

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.: Michał Latusek

Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Gołąbczak

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2022

ISBN 978-83-01-22320-5

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022r. (Wydanie I)

Warszawa 2022

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

Wprowadzenie

Rozdział 1. Rys historyczny rozwoju materiałów ściernych

Literatura do rozdziału pierwszego

Rozdział 2. Zadania obróbki ściernej oraz rola w niej materiałów ściernych i polerskich

2.1. Wykorzystanie luźnego ścierniwa w obróbce strumieniowo-ściernej

2.2. Wykorzystanie luźnego proszku magnetyczno-ściernego

2.3. Obróbka ścierna materiałami ściernymi i polerskimi luźno związanymi

2.3.1. Docieranie ścierne

2.3.2. Polerowanie ścierne

2.3.3. Obróbka przetłoczno-ścierna

2.4. Materiały ścierne w pojemnikowej obróbce powierzchni

2.5. Obróbka ścierna ścierniwem spojonym

2.5.1. Ściernice i segmenty ścierne z tradycyjnych materiałów ściernych

2.5.1.1. Spoiwa do wiązania tradycyjnych ścierniw w spojone narzędzia ścierne

2.5.2. Narzędzia ścierne z materiałów ściernych supertwardych

2.5.2.1. Spoiwa do wiązania supertwardych ścierniw w narzędzia ścierne

2.5.3. Obciągacze diamentowe

2.5.4. Wyroby ścierne nasypowe

2.5.4.1. Rodzaje wyrobów ściernych nasypowych

2.5.5. Włókniny ścierne

Literatura do rozdziału drugiego

Rozdział 3. Ogólne wiadomości o materiałach ściernych

3.1. Podział materiałów ściernych

Literatura do rozdziału trzeciego

Rozdział 4. Materiały ścierne i polerskie pochodzenia naturalnego

4.1. Diament naturalny

4.2. Korund naturalny i szmergiel

4.3. Granat

4.4. Inne naturalne materiały ścierne do obróbki strumieniowo-ściernej

4.5. Naturalne krzemionkowe materiały ścierne

4.5.1. Piasek kwarcowy

4.5.2. Mączki kwarcowe

4.5.3. Krystobalit

4.5.4. Ziemia okrzemkowa, diatomit, trypla polerska

4.5.5. Krzemień

4.5.6. Pumeks

4.6. Inne naturalne materiały polerskie

Literatura do rozdziału czwartego

Rozdział 5. Materiały ścierne supertwarde

5.1. Diament syntetyczny

5.1.1. Właściwości diamentu jako materiału ściernego

5.1.2. Proces otrzymywania diamentów syntetycznych

5.1.2.1. Statyczna metoda wytwarzania diamentów w warunkach wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury

5.1.2.2. Diamenty wytwarzane w dynamicznych warunkach ciśnienia i temperatury

5.2. Regularny azotek boru

5.2.1. Właściwości regularnego azotku boru jako materiału ściernego

5.2.2. Proces wytwarzania regularnego azotku boru

5.3. Wytwarzanie ścierniw supertwardych materiałów ściernych

5.3.1. Segregacja ziaren supertwardych pod względem wielkości

5.3.2. Segregacja ziaren supertwardych pod względem kształtu

5.3.3. Powlekanie powierzchni ziaren supertwardych

5.4. Klasyfikacja gatunków ścierniw supertwardych

5.4.1. Gatunki ścierniw diamentowych

5.4.2. Gatunki ścierniw regularnego azotku boru

5.5. Zakres stosowania ścierniw diamentu i regularnego azotku boru w obróbce ściernej

Literatura do rozdziału piątego

Rozdział 6. Tradycyjne materiały ścierne

6.1. Węglik krzemu

6.1.1. Właściwości węglika krzemu jako materiału ściernego

6.1.2. Proces syntezy węglika krzemu w piecach Achesona

6.1.3. Technologia produkcji węglika krzemu w piecu Achesona

6.1.3.1. Przygotowanie wsadu reakcyjnego

6.1.3.2. Piece do syntezy węglika krzemu i ich załadunek

6.1.3.3. Przebieg procesu syntezy węglika krzemu w piecu Achesona

6.1.3.4. Otrzymywanie zielonego węglika krzemu

6.1.3.5. Charakterystyka produktów syntezy węglika krzemu w piecu Achesona

6.2. Elektrokorundy

6.2.1. Elektrokorund zwykły

6.2.1.1. Podstawy teoretyczne otrzymywania elektrokorundu zwykłego

6.2.1.2. Technologia produkcji elektrokorundu zwykłego

6.2.1.3. Blok elektrokorundu zwykłego – skład chemiczny i mineralny

6.2.2. Elektrokorund półszlachetny

6.2.3. Elektrokorund szlachetny

6.2.3.1. Otrzymywanie elektrokorundu szlachetnego

6.2.3.2. Krystalizacja bloku elektrokorundu szlachetnego

6.2.4. Elektrokorund sferyczny (pęcherzykowy)

6.2.5. Elektrokorund chromowy

6.2.6. Elektrokorund tytanowy

6.2.7. Elektrokorund cyrkonowy

6.2.7.1. Otrzymywanie elektrokorundu cyrkonowego

6.2.7.2. Zastosowanie elektrokorundu cyrkonowego

6.2.8. Monokorund

6.2.8.1. Proces wytopu monokorundu

6.2.8.2. Proces otrzymywania ziarna monokorundu

6.3. Węglik boru

6.3.1. Charakterystyka węglika boru

6.3.2. Otrzymywanie węglika boru

Literatura do rozdziału szóstego

Rozdział 7. Spiekane korundowe materiały ścierne

7.1. Klasyczne korundy spiekane

7.1.1. Charakterystyka ścierniw zwykłych korundów spiekanych

7.2. Mikrokrystaliczny i nanokrystaliczny korund spiekany

7.2.1. Otrzymywanie mikrokrystalicznych i nanokrystalicznych korundów spiekanych

7.2.2. Kształty ziaren mikrokrystalicznego i nanokrystalicznego korundu spiekanego

7.2.3. Otrzymywanie korundów spiekanych o regularnych kształtach  ziaren

7.2.4. Charakterystyka ścierniw mikrokrystalicznych i nanokrystalicznych korundów spiekanych

7.3. Tlenoazotek glinu (AlON)

7.3.1. Właściwości i zastosowanie ziaren ściernych AlON

Literatura do rozdziału siódmego

Rozdział 8. Inne materiały ścierne

8.1. Węgliki i borki metali przejściowych jako materiały ścierne

8.1.1. Metody wytwarzania węglików i borków metali przejściowych

8.1.2. Możliwości wykorzystania węglików i borków metali przejściowych w obróbce ściernej

8.2. Materiały magnetyczno-ścierne

8.2.1. Wpływ rodzaju materiału magnetyczno-ściernego na efekty obróbki

8.3. Ścierniwa żużlowe

8.3.1. Procesy powstawania żużli

8.3.2. Przeróbka żużli na ścierniwo

8.3.3. Charakterystyka ścierniw żużlowych

8.3.4. Zakres zastosowań ścierniw żużlowych w obróbce ściernej

Literatura do rozdziału ósmego

Rozdział 9. Syntetyczne materiały polerskie – proszki polerskie

9.1. Przegląd materiałów polerskich

9.2. Tlenek glinu

9.2.1. Otrzymywanie polerskiego tlenku glinu

9.2.2. Charakterystyka i zastosowanie polerskich tlenków glinu

9.3. Tlenek chromu

9.4. Tlenek ceru

9.4.1. Otrzymywanie tlenku ceru i jego właściwości

9.4.2. Zastosowanie tlenku ceru w procesach polerowania szkła

9.5. Krzemionka koloidalna

9.6. Inne materiały polerskie

Literatura do rozdziału dziewiątego

Rozdział 10. Wytwarzanie ziaren i mikroziaren ściernych

10.1. Rozdrabnianie

10.1.1. Wpływ procesu rozdrabniania na uziarnienie i kształt ziaren ściernych

10.2. Obróbka chemiczna

10.3. Odwadnianie, suszenie i chłodzenie ziarna

10.4. Separacja magnetyczna ziarna

10.4.1. Separatory magnetyczne stosowane do separacji materiałów ściernych

10.5. Przesiewanie

10.6. Klasyfikacja kształtowa

10.6.1. Metoda równi pochyłej

10.7. Mikroziarna ścierne

10.7.1. Otrzymywanie mikroziarna

10.7.2. Klasyfikacja wymiarowa mikroziarna ściernego

Literatura do rozdziału dziesiątego

Rozdział 11. Właściwości materiałów ściernych i metody ich badań

11.1. Przygotowanie próbek ścierniw do badań

11.2. Wielkość ziarna

11.2.1. Normalizacja uziarnienia ścierniw

11.2.1.1. Określenie składu granulometrycznego makroziarna ściernego

11.2.2. Skład granulometryczny mikroziarna ściernego

11.2.2.1. Określanie składu ziarnowego mikroziarna metodą sedymentacyjną

11.2.3. Optyczno-elektroniczne metody pomiaru uziarnienia ścierniw

11.3. Kształt ziaren ścierniw

11.3.1. Określenie kształtu ziaren ściernych

11.3.1.1. Ilościowe metody oceny kształtu ziaren ściernych

11.3.2. Parametry geometryczne ostrzy ziaren ściernych

11.3.3. Techniki pomiaru kształtu ziaren ściernych

11.3.4. Wpływ kształtu ziarna ściernego na jego właściwości

11.3.4. Wpływ kształtu ziarna ściernego na właściwości narzędzi ściernych

11.3.5. Ogólne zalecenia dotyczące wykorzystania ścierniw o różnym kształcie ziaren

11.4. Gęstość materiałów ściernych

11.4.1. Oznaczanie gęstości w piknometrze cieczowym

11.4.2. Oznaczanie gęstości w piknometrze gazowym

11.5. Gęstość nasypowa ścierniw

11.5.1. Oznaczanie gęstości nasypowej ziarna ściernego

11.6. Kapilarność (zwilżalność) ziaren ściernych

11.6.1. Wykonywanie badania zwilżalności

11.7. Określanie zawartości frakcji magnetycznej w ziarnie ściernym

11.7.1. Fizyczne metody określania zawartości frakcji magnetycznej

11.7.2. Metody fizyczno-mechaniczne

11.7.3. Porównanie metod oznaczania frakcji magnetycznej w ścierniwie

11.8. Właściwości mechaniczne materiałów ściernych

11.8.1. Twardość materiałów ściernych

11.8.1.1. Metoda Vickersa i Knoopa

11.8.1.2. Twardość Mohsa

11.8.2. Wytrzymałość na ściskanie ziaren ściernych

11.8.3. Kruchość dynamiczna (ciągliwość) ścierniw

11.8.4. Udarność ziaren ściernych

11.9. Właściwości technologiczne ścierniw

11.9.1. Zdolność ścierna

11.9.2. Skrawność ziaren ściernych

11.10. Skład chemiczny ścierniw i ich chemiczne zużywanie się w procesie obróbki ściernej

11.10.1. Chemiczne zużywanie się ścierniw w czasie obróbki ściernej

11.10.1.1. Chemiczne oddziaływanie materiału ściernego z materiałem obrabianym

11.10.1.2. Chemiczne oddziaływanie środowiska strefy szlifowania na materiał ścierny

Literatura do rozdziału jedenastego

O Autorze

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka

Wprowadzenie

Materiały ścierne i polerskie (ang. abrasive and polishing materials) to grupa substancji, głównie mineralnych, wyróżniających się przede wszystkim twardością oraz trwałością chemiczną. Materiały te, będąc medium stosowanym do obróbki ściernej powierzchni, są stosowane w postaci ziaren. Mieszanina ziaren o określonej ziarnistości określana jest jako ścierniwo. Podkreślenia wymaga wiązanie określenia „materiały ścierne i polerskie” z ich ziarnistą postacią. Jest to istotna uwaga, bo w potocznym języku takie określenie jest bardzo często rozciągane na różnorodne wyroby ścierne, takie jak papiery, płótna ścierne. Są to jednak wyroby ścierne wytwarzane w procesach, w których ścierniwo jest podstawowym surowcem.

Materiały ścierne i polerskie są produktami towarzyszącymi ludzkości w całej jej historii, służąc do ostrzenia narzędzi czy umożliwiając nadanie oczekiwanej gładkości powierzchni różnorodnym przedmiotom. To rozwój asortymentowy materiałów ściernych od czasów prehistorycznych aż do współczesności był i jest obecnie motorem postępu technicznego na świecie. To odpowiednie materiały ścierne umożliwiały wytwarzanie coraz bardziej wyrafinowanych produktów. Historii rozwoju asortymentowego materiałów ściernych poświęcony jest rozdział pierwszy książki.

Rozwój obróbki ściernej opiera się w zasadniczym stopniu na dostępności różnorodnych narzędzi ściernych, których przegląd zamieszczono w rozdziale drugim książki. Celem w tym rozdziale jest przedstawienie pełnego zakresu obecności materiałów ściernych i polerskich w obróbce ściernej. Opisane tam przykłady wielorakich zastosowań ścierniw pokazują, jak ważną rolę pełnią one we współczesnych technikach wytwarzania różnorodnych przedmiotów. Godnym podkreślenia jest fakt, że zdecydowana większość wyrobów ściernych zaprezentowanych w rozdziale drugim książki i stosowanych we współczesnej obróbce ściernej jest wytwarzana w Polsce, szczególnie przez polskie firmy. W tym miejscu chciałbym podziękować następującym firmom za udostepnienie zdjęć swoich wyrobów: Andre Abrasives w Kole, Armes w Nisku, Ażur w Bestwince, Diamemt w Inowrocławiu, Inter-Diament w Grodzisku Mazowieckim i Marbad w Warszawie.

Niestety podstawowy produkt do wytwarzania tych wyrobów, czyli ścierniwa i proszki polerskie nie są aktualnie wytwarzane w Polsce.

Polska była w przeszłości producentem ścierniw węglika krzemu i elektrokorundów. Były one produkowane w latach 1967–2000 w Fabryce KORUND w Kole. Po przejęciu Fabryki KORUND przez amerykańską firmę Norton ta jedyna w Polsce produkcja tradycyjnych materiałów ściernych została zlikwidowana. Jest to dla mnie jako autora bardzo przykre wspomnienie, bo Fabryka KORUND i jej zaplecze rozwojowe (Ośrodek Badawczo-Rozwojowy) były w latach 1967–1980 moim pierwszym miejscem pracy. To miejsce pracy wprowadziło mnie w tematykę materiałów ściernych, której jestem wierny przez całe życie zawodowe. Owocem tego jest też niniejsza książka.

Od lat 70. do 90. XX wieku Polska była jednym z nielicznych na świecie producentów diamentowego ziarna ściernego w oparciu o własną technologię. Diamenty były wytwarzane przez Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Monokryształów, w Kombinacie Przemysłu Narzędziowego VIS w Warszawie, a później w Warce i Grodzisku Mazowieckim. Równolegle produkowano diamenty w Centrum Naukowo-Produkcyjnym Materiałów Elektronicznych Unitra-Cemat w Warszawie, a następnie w Osieczanach k. Myślenic. Założeniem było osiągnięcie zdolności produkcyjnej 1 mln karatów diamentów. Niestety planowanych zdolności produkcyjnych nie uzyskano. Problemem były bardzo duże koszty wytwarzania, niska trwałość stosowanych kamer typu Belt. W warunkach powstałych po przemianach społeczno-politycznych na początku lat 90. XX wieku produkcja została zakończona.

Pomimo braku krajowej produkcji ścierniw, zarówno tradycyjnych, jak i supertwardych, są one w powszechnym użyciu przez producentów narzędzi ściernych, jak i licznych użytkowników stosujących je w postaci luźnego ścierniwa. Pochodzą one od znanych światowych producentów ścierniw, w tym w coraz większym stopniu od producentów chińskich, bo Chiny są ich największym światowym producentem.

Tematyce materiałów ściernych poświęcona była pierwsza moja książka Materiały ścierne. Wytwarzanie i własności wydana przez WNT w 1982 roku, czyli 40 lat temu. Przez minione 40 lat nie ukazała się w Polsce żadna książka na ten temat. W kolejnych latach 80. XX wieku ukazały się jedynie trzy monografie Wydawnictwa Uczelnianego Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Koszalinie mojego autorstwa poświęcone materiałom ściernym (Podstawy procesu wytwarzania ziaren ściernych w aspekcie regulowania ich kształtu z 1982 r., Chemiczne podstawy obróbki ściernej z 1984 r., Nowe materiały ścierne z 1985 r.). Postęp, jaki nastąpił przez 40 lat w zakresie materiałów ściernych i polerskich, w tym wprowadzenie do praktyki obróbki ściernej nowych ścierniw oraz wielu o zmodyfikowanych właściwościach, zastosowanie nowych metod wytwarzania ścierniw oraz badania ich właściwości, spowodował powstanie dużej luki na rynku wydawniczym w tym zakresie. Było to powodem podjęcia się napisania niniejszej książki. Z założenia miało to być drugie wydanie książki z 1982 roku, jednak z powodu wymienionego postępu w technologii wytwarzania materiałów ściernych i technice obróbki ściernej powstała zupełnie nowa książka. Nawet pobieżne porównanie tej książki i tej sprzed 40 lat na to wskazuje – w nowej znajduje się poniżej 20% „starego” tekstu.

Dane zawarte w książce opierają się na bogatych danych literaturowych, obszernej literaturze firmowej i patentowej oraz wynikach licznych moich badań własnych. Opisy współczesnych ścierniw stosowanych w obróbce ściernej zamieszczone w książce są efektem analizy materiałów informacyjno-technicznych większości producentów ścierniw funkcjonujących na świecie. W wyborze producentów opisywanych ścierniw czy aparatury badawczej zalecanej do badania różnych parametrów jakościowych ściernych nie kierowałem się względami marketingowymi ani żadnymi pozamerytorycznymi argumentami. Będąca w moim posiadaniu kolekcja większości stosowanych współcześnie ścierniw umożliwiła wzbogacenie tekstu o ich liczne zdjęcia. Pomoże to czytelnikowi lepiej zrozumieć właściwości poszczególnych ścierniw.

Tematyka poszczególnych materiałów ściernych i polerskich została w książce opisana w 11 rozdziałach, przy czym pierwszy zawiera zarys historii ich rozwoju, a drugi zakres wykorzystania we współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej. Rozdział trzeci dotyczy ogólnych właściwości materiałów ściernych oraz zasad podziału tych materiałów na poszczególne rodzaje. Kolejne rozdziały zawierają omówienie poszczególnych rodzajów materiałów ściernych i polerskich, poczynając od naturalnych materiałów, ciągle obecnych we współczesnej obróbce ściernej (rozdział czwarty). Rozdział piąty poświęcony jest diamentowi syntetycznemu i sześciennemu azotkowi boru, czyli materiałom ściernym supertwardym. Najbardziej obszerny rozdział szósty dotyczy tradycyjnych materiałów ściernych, czyli węglika krzemu i elektrokorundów. Ta grupa ścierniw jest w dalszym ciągu podstawą większości operacji obróbki ściernej.

Stosunkowo nową pozycję wśród materiałów ściernych i polerskich zajmują spiekane korundowe materiały ścierne. Dotyczy to szczególnie mikrokrystalicznych i nanokrystalicznych korundów spiekanych oraz tlenoazotku glinu. Został im poświęcony rozdział siódmy książki.

Przegląd materiałów ściernych zamykają ścierniwa omówione w rozdziale ósmym. Są to ścierniwa specjalnych zastosowań, a więc węgliki i borki metali przejściowych oraz materiały magnetyczno-ścierne. Omówione są w tym rozdziale również mineralne ścierniwa żużlowe jako tanie media obróbkowe stosowane w obróbce strumieniowo-ściernej.

Rozdział dziewiąty zawiera opis syntetycznych materiałów polerskich stosowanych powszechnie w wykończeniowej i polerskiej obróbce powierzchni. Są to media obróbkowe mikro- i nanoproszków tlenku glinu, tlenku chromu, tlenku ceru oraz krzemionka koloidalna.

Procesy wytwarzania ziaren i mikroziaren ściernych, w tym takie operacje technologiczne jak rozdrabnianie, obróbka chemiczna, separacja magnetyczna, przesiew oraz klasyfikacja kształtowa są omówione w rozdziale dziesiątym. Specjalna uwaga jest skupiona na mikroziarnach ściernych.

Ostatni rozdział jedenasty jest poświęcony właściwościom materiałów ściernych i metodom ich badań. Dotyczy to takich właściwości ścierniw jak wielkość ziarna i uziarnienie ścierniwa, kształt ziaren, gęstość i gęstość nasypowa ścierniwa, kapilarność, zawartość frakcji magnetycznej, a także właściwości mechanicznych oraz chemicznych ścierniw. Omówiony jest problem chemicznego zużywania się ścierniw w procesie obróbki ściernej. Nie ma w książce opisów badań składu chemicznego ścierniw z powodu obszerności tematu i ich małej przydatności dla użytkowników ścierniw. Są to dane dostępne w normach przedmiotowych oraz podręcznikach chemii analitycznej.

Składam podziękowanie recenzentowi książki prof. dr. hab. inż. Andrzejowi Gołąbczakowi za wnikliwą analizę przedstawionego do zaopiniowania tekstu oraz sukcesywną ocenę kolejnych rozdziałów książki i naniesienie swoich uwag i zastrzeżeń. Pozwoliło mi to na bieżąco wprowadzać poprawki i uzupełnienia stosownie do zaleceń recenzenta.

Serdeczne podziękowanie kieruję dla Pani mgr Jolanty Orligóra za pomoc i ciągłą współpracę przy redagowaniu tekstu, a zwłaszcza za nadanie ostatecznej postaci rysunkom znajdującym się w książce.

Specjalnie podziękowanie składam mojej Żonie Bożenie za zachętę do pisania książki oraz wyrozumiałość i wsparcie w codziennej wielogodzinnej pracy przy jej tworzeniu.

ROZDZIAŁ 1

Rys historyczny rozwoju materiałów ściernych

Początki stosowania materiałów ściernych sięgają czasów człowieka pierwotnego, który używał ich do ostrzenia narzędzi z drewna, kości i kamienia. Materiały ścierne były i nadal są używane przez zwierzęta – przez ptaki do ostrzenia dziobów, a przez niektóre zwierzęta do ostrzenia ich rogów. Ówczesne szlifowanie, jeżeli można użyć tego określenia, polegało na ręcznym pocieraniu obrabianego przedmiotu kamieniem.

Za początki świadomego stosowania materiałów ściernych można uznać czas, kiedy człowiek zaczął wybierać pewne skały ze względu na ich specyficzne właściwości i przekształcać je w narzędzia do szlifowania. Najwięcej miejsca o takiej działalności człowieka zajmują wzmianki pochodzące z Egiptu. Rozwój stosowania tych „narzędzi ściernych” miał związek z początkiem rozwoju metalurgii, który miał miejsce ok. 2000 r. p.n.e. Również z Egiptu pochodzą informacje o używaniu tych narzędzi do szlifowania metali. Znaleziono tam stalowy sztylet wraz z kamieniem do jego ostrzenia datowany na ok. 1500 r. p.n.e. [1.8].

Stosowanie ostrzenia stalowych narzędzi i broni miało miejsce w czasach biblijnych. Interesującym jest w tym zakresie zacytowanie wątku biblijnego z okresu ok. 1000 r. p.n.e. Przyszły król Izraela Dawid ukrywał się przed królem Saulem wśród Filistynów. Nauczył się on tam sztuki obróbki żelaza i jego ostrzenia, ponieważ Filistyni mieli w tym zakresie duże doświadczenie. Według I księgi Samuela 13: „Wszyscy Izraelici chodzili do Filistynów ostrzyć swoje lemiesze, topory, siekiery lub motyki. Potem płacili za ostrzenie lemieszy i toporów dwie trzecie sykla, a jedną trzecią sykla za siekierę lub motykę”.

Starożytni Chińczycy i Egipcianie używali też skał do obróbki powierzchni broni i biżuterii w bębnach. Kontynuowano to w średniowieczu również do obróbki metalowych elementów zbroi [1.4]. Części poddawane obróbce umieszczano w beczce wraz z małymi postrzępionymi kęsami kamieni i tak załadowaną beczkę toczono po ziemi, aż wszystkie części były wystarczająco gładkie.

W następnych stuleciach rozwinęła się technika wykonywania ściernic z naturalnego piaskowca. Początkowo były one obracane ręcznie, ale w XIV w. zaczęto używać kół wodnych. Te wczesne z piaskowca nie różniły się od tych, które również są współcześnie, sporadycznie używane.

Jako luźne ziarna ścierne stosowano w starożytności przeważnie piasek kwarcowy, krzemień, rozkruszone skorupy ślimaków i małży morskich oraz rozdrobniony pumeks. Podejmowano również próby wytwarzania syntetycznego materiału ściernego z iłu glinowego, starych kości zwierząt i tłuszczu. Taką mieszaninę wypalano i w ten sposób uzyskiwano materiał o twardości kamienia krzemiennego. Wskazują na to wykopaliska w miejscowości Dolni Vestonice na Morawach – 17 000 r. p.n.e. [1.30].

Wiele stuleci przed naszą erą znane były i używane trzy naturalne minerały, które pod względem zdolności ściernej przewyższały piaski kwarcowe i krzemień. Były to: korund, granat i diament. Znaczącym wydarzeniem w rozwoju obróbki ściernej było odkrycie 900 lat p.n.e. na greckiej wyspie Naxos złóż kamienia naxońskiego, czyli drobnoziarnistego korundu naturalnego, zanieczyszczonego kwarcem, hematytem i granatem. O znaczeniu odkrycia świadczy całkowite wyeksploatowanie tych złóż w ciągu następnego tysiąclecia i rozpoczęcie intensywnych poszukiwań podobnych złóż w innych rejonach świata (rys. 1.1). Poszukiwania te zakończyły się sukcesem, ponieważ koło miasta Smyrna (Turcja) znaleziono potężne złoża szmergla i tak od nazwy miasta nazwano tamtejszy kamień naxoński.

Rys. 1.1. Wyeksploatowana kopalnia korundu naturalnego na greckiej wyspie Naxos [1.12]

Korund naturalny jako taki lub jako szmergiel został opisany przez Teodora z Samos w 500 r. p.n.e, a później przez Pliniusza Starszego (Cajus Plinius Secundus) w 37 księdze jego monumentalnego dzieła „Pliny’s Natural History”, gdzie został on nazwany syderytem Adamasa (Adamas siderites).

Diament naturalny był wykorzystywany do polerowania. Pisane źródła podają, że był on stosowany w tej roli już w 3500 r. p.n.e. w Egipcie (nazywano go Amadeuszem), zaś co najmniej od 800 r. p.n.e. w Indiach.

Interesujące są początki historii narzędzi ściernych spojonych, a szczególnie ściernic, czy innych narzędzi w postaci brył (segmenty, osełki itp.). Pierwsze ściernice, czyli koła z centralnym otworem, pojawiły się w Egipcie i w Mezopotamii ok. 2000 r. p.n.e. Chińczycy wpadli na ten pomysł ok. 1500 r. p.n.e. [1.31]. O stosowaniu ściernic z naturalnego piaskowca w rejonie Bliskiego Wschodu świadczą kamienie szlifierskie znalezione w ruinach świątyni w Kafarnaum nad jeziorem Galilejskim (rys. 1.2), miejscu pierwszego nauczania Jezusa Chrystusa. Surowe kamienie szlifierskie były stopniowo udoskonalane przez kolejne stulecia i były głównym narzędziem do obróbki ściernej, aż do wynalezienia w XIX w. nowoczesnych ściernic.

Rys. 1.2. Kamienie szlifierskie w Kafarnaum nad jeziorem Galilejskim [1.31]

Pierwsza wzmianka o papierze ściernym pochodzi z XIII w., kiedy to w Chinach wytwarzano go z pokruszonych łupin, nasion i piasku osadzonych na pergaminie z naturalnym klejem. Jako papieru ściernego używano również skóry z rekina. Pierwsze znane zastosowania papieru ściernego w Europie (Paryż) zostało udokumentowane w 1760 r. Uważa się, że wynalazcą nowoczesnego papieru ściernego jest angielski innowator John Oakey (1813–1887) [1.31].

Znane są informacje z 1456 r., że Belg Van Vequen wykonał pierwszą tarczę pokrytą diamentem do cięcia i polerowania klejnotów.

Pierwsze informacje o wiązaniu ziarnistych materiałów ściernych (piasek, szmergiel, diament) pochodzą z 1825 r. z Indii. Tam, przynajmniej od tego roku materiały ścierne wiązano w koła ścierne lakierem lub szelakiem. Takie narzędzia pojawiły się też w Europie i w USA wraz z powstaniem w 1880 r. producenta takich narzędzi – Waltham Emery Wheel Company założonej przez Henry’ego Richardsona [1.8].

W 1857 roku wprowadzono ściernice klejone gumą. Guma i szelak pozostały jedynym organicznym spoiwem do 1923 r., kiedy weszła do użytku jako spoiwo żywica syntetyczna, zwłaszcza żywica fenolowo-formaldehydowa. Stała się ona zdecydowanie najważniejszym spoiwem organicznym narzędzi ściernych.

Wielokrotnie podejmowano próby spajania naturalnych materiałów ściernych spoiwami nieorganicznymi, aby uzyskać właściwości naturalnych piaskowców. Oczekiwane wyniki uzyskano dopiero w 1868 r. po wprowadzeniu jako spoiwa krzemianu sodu [1.8]. Były też próby użycia cementu portlandzkiego.

Pierwsza ściernica ze spoiwem ceramicznym z naturalnego korundu powstała w USA w 1873 r. na podstawie patentu Franklina Nortona, który produkował takie ściernice od 1876 r. W 1885 roku siedmiu przedsiębiorców z Worcester w USA kupiło patent Nortona oraz nazwę jego firmy.

Produkcję tych ściernic realizowano w ramach firmy Norton Emery Wheel Company [1.24]. Firma zmieniła później nazwę na Norton Abrasives.

Naturalne materiały ścierne stosowane były również, przez długie lata, w obróbce ściernej luźnym ścierniwem. Piasek kwarcowy był stosowany jako podstawowe medium w obróbce strumieniowo-ściernej aż do końca drugiej wojny światowej [1.44]. W obróbce pojemnikowej stosowano również jako medium obróbkowe kształtki pochodzenia naturalnego jeszcze na początku lat osiemdziesiątych XX w. [1.43]. Kształtki wykonywane były z takich skał jak bazalt, granit, kwarcyt czy marmur. Były one zalecane do obróbki wstępnej metali miękkich (stale niskowęglowe, mosiądze, stopy aluminium) w wygładzarkach wibracyjnych i rotacyjno-kaskadowych. Kształtki pochodzenia naturalnego w obróbce pojemnikowej szybko traciły swoje zdolności skrawne (ulegały wypolerowaniu) lub ulegały wykruszaniu dużych fragmentów, czyniąc je nieprzydatnymi do dalszej obróbki powierzchni.

Po długo trwającej epoce naturalnych materiałów ściernych, u schyłku XIX w. i na początku XX w. rozpoczął się okres syntetycznych materiałów ściernych. W okresie tym nastąpił szybki rozwój przemysłu i naturalne materiały ścierne nie były w stanie sprostać zadaniom, jakie przed nimi stawiano. Dzięki opracowaniu metod wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej możliwe były eksperymenty z wykorzystaniem energii elektrycznej do procesów piecowych stapiania i syntezy nowych materiałów w wysokich temperaturach.

Pierwszym syntetycznym materiałem ściernym był węglik krzemu. Przez syntezę został on przypadkowo odkryty w 1848 r. przez Despretza podczas porób topienia kwarcu w łuku elektrycznym między elektrodami węglowymi. Bracia Cowles zidentyfikowali powstające kryształy jako węglik krzemu i zostali uznani za faktycznych odkrywców tego związku [1.41]

Acheson, twórca metody grafityzacji elektrod, powtórzył doświadczenia Despretza. Uzyskał kryształy węglika krzemu, o których początkowo sądził, że jest to związek gliny węgla, i nazwał je karborundem [1.1]. Krótko po tym zamiast gliny wprowadził piasek kwarcowy, jak również zmienił nagrzewanie na oporowe, tak że jego doświadczenia laboratoryjne nosiły znamiona dzisiejszej produkcji przemysłowej. W 1893 roku Acheson (rys. 1.3) zgłosił swój patent [1.2] na produkcję węglika krzemu oraz założył w Stanach Zjednoczonych firmę Carborundum Company w celu jego produkcji i w ten sposób został prawnie uznany za twórcę metody otrzymywania węglika krzemu.

Rys. 1.3. Edward Goodrich Acheson twórca pieca i metody wytwarzania węglika krzemu (1856–19310)

Węglik krzemu jako materiał ścierny był przedmiotem zainteresowania wielu badaczy. Jednym z ważniejszych z nich był F.J. Tone, który w latach 1902–1911 złożył aż 13 poważnych patentów dotyczących procesu syntezy węglika krzemu, w tym konstrukcji pieca do jego syntezy [1.41].

Bardzo ważnym materiałem ściernym, którego produkcję rozpoczęto w tym okresie, był produkt topiony na bazie Al_2O_3. W latach 1890–1900 prowadzone były próby stopienia szmergla lub boksytu z dodatkiem węgla, których zadaniem było zredukowanie tlenków żelaza i krzemu do metalu. Próby te zakończyły się zgłoszeniem patentu (nr 85 021) w 1894 r. w Niemczech przez Hasslachera, a w 1895 r. we Francji (nr 293-996) przez Verleina [1.41]. Otrzymali oni sztuczny korund, mocno zanieczyszczony stopem żelaza i krzemu. Nowy materiał ścierny został później nazwany, w odróżnieniu od korundu naturalnego, elektrokorundem zwykłym. Wytwarzanie elektrokorundu zwykłego na skalę przemysłową umożliwił sposób oczyszczania produktu topienia od stopu żelaza i krzemu opracowany przez Halla [1.16] oraz dzięki nowej konstrukcji elektrycznego pieca oporowo-łukowego opracowanego przez Higginsa [1.19]. Elektrokorund zwykły szybko znalazł uznanie odbiorców i jego produkcja systematycznie wzrastała. Zarówno technologia opracowana przed 1900 r., jak i konstrukcja pieca Higginsa w praktycznie niezmienionej postaci przetrwały do dzisiejszych czasów i w dalszym ciągu są powszechnie stosowane.

Kolejnym sztucznym materiałem ściernym na bazie Al_2O_3 był elektrokorund szlachetny, nazywany również białym elektrokorundem. Jest to materiał ścierny o najwyższej czystości chemicznej. Twórcami technologii jego wytwarzania są Jeppson i Saunders, którzy w 1910 r. opatentowali sposób topienia tlenku glinowego w elektrycznym piecu oporowo-łukowym [1.20]. Ten nowy materiał ścierny otrzymywany z tlenku glinowego o czystości powyżej 98,5%, jak się później okazało, miał właściwości zupełnie różne od elektrokorundu zwykłego.

Prowadzony w fazie ciekłej proces produkcji elektrokorundu, a szczególnie proces topienia tlenku glinu wiodący do krystalizacji korundu, stwarzają możliwość dodawania do wsadu piecowego różnych modyfikatorów. Możliwe było uzyskanie w ten sposób nowych odmian elektrokorundu o właściwościach spełniających wymagania różnych procesów obróbki ściernej. Efektem tych modyfikacji było uruchomienia w pierwszej połowie XX w. produkcji elektrokorundu chromowego i elektrokorundu tytanowego. Tlenek chromu lub tlenek tytanu wprowadzone do stopionego tlenku glinu tworzą z nim roztwory stałe.

Duże zastosowanie w obróbce ściernej znalazły materiały ścierne stopione na bazie układu Al_2O–ZrO_2, nazywane elektrokorundem cyrkonowym. W 1917 roku Saunders i White [1.36], [1.35] wykazali, że dodanie do Al_2O_3 tlenku cyrkonu daje ścierniwo lepszego gatunku, wyróżniające się dużą ciągliwością. Nie skorzystano z tych wynalazków w tamtych latach z dwóch powodów: koszt tlenku cyrkonu był zbyt wysoki, a ponadto nacisk pras roboczych używanych do produkcji ściernic był zbyt mały do efektywnego wykorzystania właściwości układu Al_2O_3–ZrO_2. Produkt w formie użytkowej wprowadziła na rynek jako pierwsza w 1958 r. firma Norton na podstawie swojego nowego patentu [1.23]. Od tego czasu ukazało się na świecie wiele gatunków elektrokorundu cyrkonowego o różnej zawartości ZrO_2.

Kolejną odmianą syntetycznego ścierniwa korundowego, o bardzo wysokiej zawartości Al_2O_3 (powyżej 99%) był monokorund. Jest to materiał ścierny o bardzo dobrych właściwościach skrawnych i wysokiej zdolności samoostrzenia. Metoda jego produkcji została opracowana po raz pierwszy przez Haglunda w latach dwudziestych XX w. [1.14], [1.15]. Monokorund według tej metody otrzymuje się z boksytów za pomocą tlenkowo-siarczkowego wytopu. Proces polega na redukcyjnym topieniu boksytu w obecności pirytu. Inną późniejszą propozycją produkcji monokorundu było tworzenie siarczkowego podłoża do krystalizacji korundu poprzez wprowadzenie do wsadu piecowego z tlenku glinu siarki elementarnej i węgla [1.34].

Kolejnym, bardzo twardym materiałem, mającym jednak ograniczone zastosowanie jako materiał ścierny, jest węglik boru. Jego skład chemiczny określił w 1934 r. Ridgway i stwierdził, że odpowiada on wzorowi B_4C [1.32]. Rozwój technologii produkcji węglika boru był przez długi czas wzorowany na technologii węglika krzemu, i tak na przykład Ridgway zastosował piec oporowy z centralnym rdzeniem grzewczym [1.23]. Także w wielu innych publikacjach opisywany jest piec oporowy do syntezy węglika boru [1.8], [1.13]. Ridgway jest też autorem technologii produkcji węglika boru w piecach łukowo-oporowych, podobnych do pieca Higginsa, jakie stosuje się do produkcji elektrokorundu [1.33]. Obecnie powszechne zastosowanie mają piece łukowo-oporowe. Różnym aspektom syntezy węglika boru poświęconych było kilka istotnych patentów zgłoszonych w różnych krajach [1.41].

Następny, nowy okres rozwoju materiałów ściernych, który rozpoczął się w latach pięćdziesiątych XX wieku, dotyczy dwóch podstawowych materiałów supertwardych, czyli diamentu i regularnego azotku boru.

Alchemicy byli tymi, którzy podjęli próby wytworzenia diamentu. Diament był bowiem uznany za substancję bliską „kamieniowi filozoficznemu”, poszukiwanemu od niepamiętnych czasów. Dopiero jednak w 1797 r. chemik angielski Tennant stwierdził, że diament jest węglem pod postacią kryształu [1.37]. Już w XIX w. wnioskowano, że skoro gęstość diamentu (3,52 g/cm^3) jest większa od gęstości grafitu (2,25 g/cm^3), innej znanej postaci krystalicznej węgla, to diament musiał się wytworzyć w warunkach zwiększonego ciśnienia [1.3]. To domniemanie było podstawą eksperymentów zmierzających do otrzymania diamentu. Drugim czynnikiem była temperatura, którą brano pod uwagę podczas prób syntezy diamentu.

W pierwszej połowie XIX w. prowadzone były liczne prace nad wytworzeniem diamentu. Mimo że nie uzyskano diamentu, jednak te prace znacznie przybliżyły kolejnych badaczy do celu. Jednym z nich był angielski chemik James B. Hannay, który w 1880 r. opublikował cztery artykuły obwieszczające osiągnięty sukces w syntezie diamentu [1.3]. W przeprowadzanym procesie wykorzystał mieszaninę węglowodorów, oleju kostnego, litu i parafiny, umieszczoną w stalowym autoklawie, który był następnie rozgrzany do czerwoności i utrzymywany w tym stanie przez wiele godzin. Dokonujący się rozkład substancji organicznych wytwarzał w autoklawie znaczne ciśnienie. Badania produktów trzech udanych eksperymentów, polegające na pomiarze twardości produktu w autoklawie (próba zarysowania korundu) i gęstości (ok. 3,5 g/cm^3) oraz na ustaleniu składu chemicznego (spalał się niemal bez reszty w atmosferze tlenu w temperaturze 1000°C), pozwoliły Hannayowi obwieścić światu sukces otrzymania diamentu. Otrzymane monokryształy zostały zdeponowane w British Museum i skatalogowane jako pierwsze syntetyczne diamenty. Z upływem czasu i po kolejnych powtórzonych bezowocnych eksperymentach zaczęto wątpić w sukces Hannaya. Późniejsze, dokładne badania wykazały, że są to diamenty naturalne wprowadzone do autoklawu przez współpracownika Hannya, aby zakończyć uciążliwe eksperymenty [1.3]. Również kolejne próby Moissana zakończyły się niepowodzeniem. Efektem jego eksperymentów był węglik krzemu, a nie diament.

Drogą do sukcesu okazała się dopiero opracowana przez Bridgmanna prasa wysokociśnieniowa oraz ostateczne określenie diagramu fazowego węgla – krzywa równowagi temperatura/ciśnienie przejścia grafitu w diament [1.6].

Wzrastający popyt na diamenty w czasie drugiej wojny światowej i w latach następnych spowodował zainteresowanie dużych koncernów prowadzeniem prac nad otrzymaniem diamentu. Intensywne prace realizowane przez zespół w ramach firmy General Electric, przy użyciu prasy taśmowej, która była w stanie wytworzyć ciśnienie powyżej 10 GPa i temperaturę powyżej 2000°C, doprowadziły do przeprowadzenia przez Halla w dniu 16 grudnia 1954 r. pierwszej komercyjnej syntezy diamentu [1.7]. W prasie zastosowano pojemnik z pirofilitu, w którym grafit rozpuszczano w stopionym niklu, kobalcie lub żelazie. Te metale działały jako „rozpuszczalnik – katalizator”, który zarówno rozpuszczał węgiel, jak i przyspieszał jego przemianę w diament.

Pierwszeństwo syntezy diamentu zapewniła sobie jednak szwedzka firma ASEA, w której już 15 listopada 1953 r. wytworzono 14 diamentów syntetycznych, stosując ciśnienie 97 kilobarów i temperaturę 2700°C. Informację o tym osiągnięciu trzymano jednak w tajemnicy aż do 1960 r. [1.3].

W innych krajach też prowadzono intensywne prace nad syntezą diamentu. W Niemczech dokonano syntezy pierwszych diamentów w 1955 r. – w laboratorium Bronswerk. W Rosji pierwsze sukcesy zanotowano w 1956 r., w Holandii w 1959 r., w Afryce Południowej w 1959 r. (syntezy dokonano w laboratoriach firmy De Beers w Springs) [1.22].

W kolejnych latach XX wieku rozwijana była podstawowa metoda otrzymywania diamentu przy wykorzystaniu wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury. Należy pokreślić znaczenie dla rozwoju produkcji i jej współczesnego poziomu na świecie opatentowanej przez Halla sześciokowadłowej prasy sześciennej (rys. 1.4) [1.17]. Przy użyciu tych pras produkowanych jest współcześnie na świecie (a szczególnie w Chinach, które są największym światowym producentem) ok. 70% przemysłowych diamentów syntetycznych.

Rys. 1.4. Tracy Hall ze swoją prasą sześcienną o nacisku 1200 ton w 1967 roku

Rozwijane były również inne metody produkcji diamentów syntetycznych, jak na przykład chemiczne osadzanie z fazy gazowej czy metoda detonacji materiałami wybuchowymi. Tematyką tą zajmuje się wiele ośrodków badawczych na świecie.

Regularny azotek boru, drugi po diamencie supertwardy materiał ścierny, otrzymano niedługo po udanej syntezie diamentu. O ile w przypadku diamentu punktem odniesienia był diament naturalny występujący w przyrodzie, powszechnie stosowany i zbadany, o tyle w przypadku regularnego azotku boru nie było takiej możliwości, bo nie jest materiałem naturalnym. Biorąc za punkt wyjściowy dużo podobieństwo między heksagonalnym azotkiem boru a grafitem, przez dłuższy czas podejrzewano, że powinna istnieć faza azotku boru mająca strukturę diamentu. Po udanej syntezie diamentu zaczęto próbować w ten sam sposób wytworzyć azotek boru o strukturze regularnej. Autorem udanej próby przekształcenia heksagonalnego azotku boru w odmianę regularną, przy użyciu aparatury stosowanej do otrzymywania diamentu, był amerykański badacz Robert H. Wentorf (rys. 1.5). Próba była przeprowadzona w 1957 r. w laboratoriach firmy General Electric [1.40]. Przemiana ta zachodziła również w warunkach wysokiego ciśnienia (6,5–9 GPa) oraz wysokiej temperatury (1400–1900°C) w obecności katalizatorów. Wentorf jest autorem patentu na metodę otrzymywania regularnego azotku boru [1.39] i został uznany jako jego wynalazca.

Rys. 1.5. Robert H. Wentorf Jr. wynalazca regularnego azotku boru (1926–1997)

Produkcję regularnego azotku boru na skalę przemysłową rozpoczęto w 1969 r. w firmie General Electric Company pod nazwa borazon. Jego syntezę przeprowadzono również w innych krajach. W Związku Radzieckim produkcję regularnego azotku boru rozpoczęto w 1966 r. pod nazwą elbor i kubonit w Zakładach Iljicz w Leningradzie [1.41].

Uruchomienie przemysłowej produkcji diamentu i sześciennego azotku boru umożliwiło dynamiczny rozwój technologii produkcji różnorodnych narzędzi ściernych, w których te nowe materiały ścierne były wykorzystywane. Były to zarówno różnego rodzaju narzędzia ścierne spojone, jak również pasty i emulsje ścierne.

Wysoka energochłonność produkcji ścierniw, takich jak węglik krzemu czy elektrokorundy, jak również supertwardych materiałów ściernych wytworzyła pod koniec lat sześćdziesiątych XX w. przesłanki do zastąpienia, szczególnie procesów topienia elektrokorundów, procesami spiekania proszków. To był początek nowego rozwoju polikrystalicznych spiekanych korundów. Znacznie niższe temperatury spiekania (spiekanie zachodzi na ogół w temperaturach do 1600°C) oraz krótsze czasy utrzymywania maksymalnej temperatury stwarzały możliwość obniżenia kosztów wytwarzania wiążących się ze zużyciem energii elektrycznej.

Obszerna literatura patentowa, szczególnie w latach sześćdziesiątych XX w. świadczy o dużym zainteresowaniem w tym okresie spiekanymi materiałami ściernymi. Prowadzone były wówczas liczne prace nad sposobami wytwarzania, modyfikacji właściwości oraz zastosowaniem korundów spiekanych [1.41]. Pierwsze patenty i monopol na produkcję tych materiałów ściernych miała firma Norton [1.9], [1.38]. Jedną z podstawowych zalet tego typu materiałów ściernych była możliwość wytwarzania różnorodnych, z góry założonych kształtów ziaren. W zależności od potrzeby produkowane były ziarna w kształcie walców, prostopadłościanów, sześcianów, pryzmatów itp. (korund spiekany 76A). Wytwarzane były również spiekane korundy metodą kruszenia prasowanych prefabrykatów. Są to produkty wytwarzane z drobno zmielonego boksytu kalcynowanego lub tlenku glinu z różnymi dodatkami i spiekane w temperaturze do 1600°C [1.18]. Uzyskuje się w ten sposób materiał zawierający kryształy korundu o wielkości 1–5 µm. Są to najczęściej ziarna o dużych rozmiarach (nr 8–24) i są stosowane do wytwarzania ściernic ze spoiwem żywicznym przeznaczonych do szlifowania zgrubnego z dużymi naciskami i prędkością do 80 m/s.

W latach osiemdziesiątych XX wieku trwały intensywne prace nad nową generacją korundu spiekanego, charakteryzującego się strukturą mikrokrystaliczną lub nawet submikrokrystaliczną [1.29]. W 1981 roku firma 3M opracowała ścierniwo mikrokrystalicznego korundu spiekanego pod nazwą handlową CubitronTM, które zastosowano w ściernicach [1.21]. Znaczenie tego materiału do szlifowania ściernicowego zauważono jednak dopiero kilka lat później, kiedy to w 1986 r. firma Norton opatentowała materiał ścierny nazwany SGTM [1.10]. Był to mikrokrystaliczny korund spiekany wytwarzany w technologii zol-żel (Sol-Gel) spiekania submikroproszku Al_2O_3. Ziarna ścierne mikrokrystalicznego korundu spiekanego wytwarzane są również przez firmę Hermes Schleifmittel pod nazwą handlową Sapphire BlueTM. Dalszy rozwój mikrokrystalicznego korundu spiekanego zaowocował wytworzeniem przez firmę 3M ścierniw w postaci cienkich płytek w kształcie graniastosłupa prostego o podstawie trójkąta równobocznego i handlowej nazwie Cubitron IITM, wytwarzanego technologią mikroreplikowania [1.5].

Kolejnym nowym materiałem ściernym okazał się azotko-tlenek glinu AlxOyNz (w skrócie ALON), znany jako materiał ceramiczny stosowany m.in. na podłoża w przemyśle elektronicznym, do wyrobu okien optycznych i tygli [1.28]. Jako materiał ścierny po raz pierwszy został przedstawiony w 1980 r. w patencie amerykańskim [1.5]. Firma 3M opracowała i zastrzegła technologię wytwarzania materiałów ściernych z azotko-tlenku glinu odmiany γ metodą zol-żel i reaktywnego spiekania w swoich dwóch patentach [1.25], [1.26].

Francuska firma Pechinery Electrometallurgie w 1991 r. opatentowała w kilku krajach, w tym w USA [1.11], szeroką gamę tworzyw ściernych lub ogniotrwałych na bazie azotko-tlenku glinu ALON. Na podstawie opracowanych technologii w 2000 r. ta francuska firma rozpoczęła produkcję ziaren ściernych z azotko-tlenku glinu typu ALON pod handlową nazwą AbralR.. To nowe ścierniwo jest stosowane do produkcji narzędzi ściernych ze spoiwem ceramicznym i żywicznym przeznaczonych do szlifowania precyzyjnego i wysokowydajnego.

Zamieszczony rys rozwoju materiałów ściernych można podzielić na 6 podstawowych okresów [1.30]:

• okres I – stosowanie ścierniw naturalnych,

• okres II – stosowanie ścierniw twardych stopionych oraz powstałych w wysokotemperaturowych procesach elektrotermicznych,

• okres III – stosowanie ścierniw supertwardych,

• okres IV – stosowanie ścierniw spiekanych swobodnie,

• okres V – stosowanie ścierniw mikrokrystalicznych,

• okres VI – stosowanie ścierniw nanokrystalicznych.

Godnym podkreślenia jest fakt, że każdy kolejny okres rozwoju materiałów ściernych był coraz krótszy.

Przedstawiony rys historyczny rozwoju materiałów ściernych dotyczył głównego „nurtu” obróbki ściernej, czyli ich wykorzystania głównie do wytwarzania narzędzi ściernych spojonych. Podstawowe wymienione powyżej materiały ścierne były wykorzystywane również do obróbki luźnym ścierniwem. Dotyczy to w znacznym stopniu na przykład elektrokorundu zwykłego, stosowanego w dużym zakresie w pneumatycznej obróbce strumieniowo-ściernej, czy drobnych frakcji diamentu, węglika boru lub węglika krzemu, stosowanych do wytwarzania past polerskich. Rozwój obróbki magnetyczno-ściernej w drugiej połowie XX w. przyczynił się do opracowania nowych odmian materiałów ściernych, o właściwościach magnetycznych i ściernych. Szerokie zastosowanie znalazły tam materiały ścierne na bazie węglików i borków metali przejściowych [1.42].

Istotnym elementem historii materiałów ściernych jest ewolucja parametrów materiałów polerskich (w tym pochodzenia naturalnego), takich jak tlenek glinu, tlenek chromu czy tlenek ceru. Te powszechnie stosowane proszki polerskie przeszły dużą ewolucje w ostatnich kilkudziesięciu latach. Jest to bardzo widoczne, zwłaszcza w przypadku tlenku glinu. Współczesne polerskie tlenki glinu oferowane są bowiem w kilku odmianach różniących się uziarnieniem, powierzchnią właściwą, wielkością krystalitów czy składem fazowym o ściśle określonej ilości odmiany α-Al_2O_3, czy γ-Al_2O_3.

Duża ewolucja nastąpiła też w przypadku krzemionkowych materiałów ściernych. Aż do lat pięćdziesiątych XX w. stosowany był powszechnie w obróbce strumieniowo-ściernej piasek kwarcowy. Współcześnie jako materiały ścierne i polerskie stosowane są różnorodne mączki kwarcowe i krystobalitowe. Są to produkty przeróbki mechanicznej i termicznej piasków kwarcowych.

Literatura do rozdziału pierwszego

1.1. Acheson A.G., On carborundum, Chemical News, 1893, nr 68, 179.

1.2. Acheson A.G., Production of artificial Crystalline carbonaceous materials, US Pat. 492,767 (1893).

1.3. Barnard A.S., The Diamond Formula. Diamond synthesis: a gemmological perspective, Butterworth Heinemann, Oxford 2000.

1.4. Beaver L., Barel Finishing of Metal Products, Parts 17 – First in a Series of Discussions Covering the Development of Finishing Materials used in Barels, Products Finishing, 1948, no 12, s. 76–84.

1.5. Berg T.A. i in., Shaped abrasive particles and method of making same, US Pat. 5,201,916 (1993).

1.6. Bundy F.P., Direct conversion graphite to diamond in static pressure apparatus, J. Chem. Phys., 1963, 38, 631.

1.7. Bundy F.P., Hall H.T., Strong H.M., Wentorf P.H., Man-Made Diamonds, Nature, 1955, vol. 176, P51, July 9.

1.8. Coes L., Abrasives, Springer-Verlag, Wien, New York 1971.

1.9. Coes L., Abrasive and grinding wheel, US Pat. 2,725,268 (1955).

1.10. Cottringer T.E., Merwe C.B., Bauer R., Abrasive material and method for preparing the same, US Pat. 4,623,364 (1986).

1.11. Dubots D., Faure P., Abrasive and/or refractory products based on melted and solidified oxynitrides and process preparing the same, US Pat. 5,336,280 (1994).

1.12. Emery – Wikipedia. https://pl.qaz.wiki

1.13. Garszin A.P., Gropjanov V.M., Łagunov J.U.V., Abrazivnye materialy, Maszinostrojenije, Leningrad 1983.

1.14. Haglund T.R., The Haglund proces for the electrothermic production of pure aluminium oxide, Industrial and Engineering Chemistry, 1926.

1.15. Haglund T.R., Process for feining ores or products containing aluminium oxide, US Pat. 1,816,842 (1931).

1.16. Hall Ch.M., Purified Crystalline Alumina, US Pat. 677,209 (1901).

1.17. Hall H.T., High pressure press, US Pat. 3,159,876 (1964).

1.18. Haściło L., Knop L, Woźniak K., Spiekane korundowe materiały ścierne, Szkło i Ceramika, 1979, nr 9, s. 177–181.

1.19. Higgins A.C., Electric furnace, US Pat. 775,654 (1904).

1.20. Jeppson G.N., Saunders L.E., Electro-furnace product and method of making same, US Pat. 954,808 (1910).

1.21. Leitheiser M.A., Sowman H.G., Non-fused aluminium oxide-based abrasive mineral, US Pat. 4,314,827 (1982).

1.22. Łapat W., Diament. Praktikum gemmologiczne, Wyd. Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2003.

1.23. Marshall D.W., Roschuk J., Fused aluminium – zirconia abrasives, US Pat. 3,181,939 (1965).

1.24. Materiały techniczne firmy Norton Abrasives (USA), www.nortonabrasives.com

1.25. Mathers J.P., Wood W.P., Aluminium oxynitride/group IVB metal nitride abrasive particles derived from a sol-gel process, US Pat. 4,788,167 (1988).

1.26. Mathers J.P., Wood W.P., Forester T.E., Aluminium oxide/aluminium oxynitride/group IVB metal nitride abrasive particles derived from a sol-gel process, US Pat. 4.957,886 (1990).

1.27. McCauley J.W., Corbin N.D., Process for producing polycrystalline cubic aluminia oxynitride, US Pat. 4,241,000 (1980).

1.28. Nadolny K., Nowa generacja ziaren ściernych z azotko-tlenku glinu (ALON) zwiększająca efektywność szlifowania, Mechanik, 2012, nr 8/9, s. 670–677.

1.29. Nadolny K., State of the art. In production, properties and applications of the microcrystalline sintered corundum abrasive grain, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2014, vol. 76, s. 1445–1457.

1.30. Niżankowski Cz., Historia i perspektywy rozwoju ścierniw, Mechanik, nr 11, 2017, s. 1003–1005.

1.31. Pinkstone W.G., The abrasive ages, Sutter House, Lititz, Pa 1974.

1.32. Ridgway R.R., Boron Carbide, The Electrochem. Soc., 1934, 66 (27), s. 293–308.

1.33. Ridgway R.R., Method of production the abrasive metal carbides, US Pat. 2,285.837 (1940).

1.34. Roschuk S.J., Process for producing crystalline alumina, US Pat. 3,216,794 (1965).

1.35. Saunders L.E., White R.H., Aluminous abrasive and method of preparing the same, US Pat. 1,240,491 (1917).

1.36. Saunders L.E., White R.H., Composition containing alumina and zirconia, US Pat. 1,240,490 (1917).

1.37. Tennant S., On the nature of the diamond, Royal Society Publishing, vol. 87, 01 January 1797, s. 123–127.

1.38. Ueltz H.T., Abrasive grain, US Pat. 3,079,243 (1963).

1.39. Wentorf R.H., Abrasive material and preparation thereof, US Pat. 2.947.617 (1960).

1.40. Wentorf R.H., Cubic Form of Boron Nitride, The Journal of Chemical Phys., 1957, vol. 26 (4), s. 956.

1.41. Woźniak K., Materiały ścierne. Wytwarzanie i własności, WNT, Warszawa 1982.

1.42. Woźniak K., Nowe materiały ścierne, Monografia Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Koszalinie, Koszalin 1985.

1.43. Woźniak K., Obróbka powierzchni w wygładzarkach pojemnikowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2017.

1.44. Woźniak K., Obróbka strumieniowo-ścierna, tom 1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019.

ROZDZIAŁ 2

Zadania obróbki ściernej oraz rola w niej materiałów ściernych i polerskich

Obróbka ścierna jest miejscem użytkowania ścierniw, które pełnią w niej rolę mediów obróbkowych. W tej książce poświęconej materiałom ściernym i polerskim zamieszczono również wybrane informacje o obróbce oraz jej odmianach, w których stosowane są różne ścierniwa. Liczne rodzaje obróbki ściernej stawiają przed ścierniwami różnorodne wymagania, dostosowane zarówno do sposobu ich użytkowania, jak również do rodzaju obrabianego materiału.

Obróbka ścierna zaliczana jest do ubytkowych obróbek powierzchni. Przez obróbkę ubytkową rozumie się taką metodę obróbki materiałów, w której proces kształtowania części i wyrobów łączy się z koniecznością usunięcia określonej objętości tego materiału [2.13]. Do obróbek ubytkowych zalicza się m.in. obróbki za pomocą skrawania i obróbki za pomocą erodowania (rys. 2.1).

Obróbka skrawaniem dzieli się na obróbkę wiórową oraz obróbkę ścierną. Obróbka wiórowa jest obróbką wykonywaną za pomocą narzędzia o określonym kształcie i określonej liczbie ostrzy skrawających. W czasie tej obróbki jest usuwany naddatek w postaci wiórów widocznych gołym okiem. Obróbka ścierna jest natomiast takim rodzajem obróbki ubytkowej, w której skrawanie jest dokonywane licznymi drobnymi ostrzami o nieustalonej liczbie i nieustalonym kształcie. W czasie obróbki ściernej jest usuwany naddatek w postaci drobnych wiórów, na ogół niedostrzegalnych nieuzbrojonym wzrokiem, oraz w postaci cząstek wyrywanych z powierzchni obrabianej siłą tarcia.

Obróbką ścierną jest nazywany taki rodzaj obróbki ubytkowej, w której procesy obróbki powierzchni skrawaniem są dokonywane za pomocą narzędzi ściernych lub za pomocą luźnego ścierniwa (rys. 2.2). Obróbkę narzędziami ściernymi określa się również jako obróbkę ścierniwem związanym. Jest to obróbka za pomocą narzędzi ściernych o określonym kształcie i wymiarach. Są to takie narzędzia jak ściernice, segmenty ścierne, osełki, płótna i papiery ścierne. Charakterystyczną ich cechą jest to, że ziarna ścierne są umocowane w spoiwie w postaci bryły lub na podłożu i w czasie procesu obróbki nie zmieniają swojego położenia aż do zużycia się przez starcie lub wykruszenie.

Rys. 2.1. Klasyfikacja obróbki ubytkowej [2.13]

Rys. 2.2. Klasyfikacja obróbki ściernej [2.46]

Obróbka luźnym ścierniwem polega na tym, że proces obróbki skrawaniem wykonują ziarna, które podczas skrawania mogą zmieniać swoje położenie. Proces obróbki może być realizowany przy użyciu dwóch podstawowych metod. Pierwsza z nich to tzw. metoda dociskowa, w której ziarna ścierne uzyskują chwilowe oparcie w twardym, miękkim lub niejednorodnym materiale zwanym docierakiem lub w polerskiej tarczy tkaninowej. W drugiej metodzie, tzw. kinematycznej, ziarnom ściernym nadaje się określoną prędkość, aby energia kinetyczna wystarczyła do wykonania na obrabianej powierzchni pracy skrawania. Dotyczy to takich obróbek jak obróbka strumieniowo-ścierna, obróbka magnetyczno-ścierna, obróbka przetłoczno-ścierna czy obróbka pojemnikowa.

Obróbka ścierna, szczególnie ścierniwem związanym, należy do precyzyjnych obróbek wykończeniowych. W praktyce przemysłowej większość części maszyn poddawana jest jednej z wielu odmian obróbki ściernej. Liczba operacji technologicznych wykonywanych współcześnie tylko szlifowaniem stanowi średnio 25% wszystkich operacji obróbkowych związanych z wykonywaniem odpowiednich części maszyn [2.7]. Liczba ta powinna nadal wzrastać w związku z rozwojem dokładnych sposobów obróbki plastycznej, odlewania precyzyjnego, metalurgii proszków, które umożliwiają produkcję półwyrobów z minimalnym naddatkiem możliwym do usunięcia obróbką ścierną. Na rozwój obróbki ściernej ma także wpływ coraz szersze stosowanie nowych stopów na bazie trudnotopliwych składników, spieków metalowych i ceramicznych, których obróbka skrawaniem jest w wielu przypadkach niemożliwa. Precyzyjne obróbki ścierne wykonywane są na dokładnych

Rys. 2.3. Krzywa wzrostu kosztów obróbki przedmiotów jako funkcji chropowatości Ra obrobionej powierzchni [2.7]

szlifierkach, docierarkach i innych obrabiarkach z zastosowaniem narzędzi wysokiej jakości. Dążenie do uzyskania jak najwyższej jakości obrobionej powierzchni wiąże się jednak ze zwiększeniem kosztów obróbki. Na rysunku 2.3 przedstawiono zmianę kosztów obróbki powierzchni w funkcji jej chropowatości Ra zależnej od zastosowanego sposobu obróbki. Dane te wskazują, że stosowanie precyzyjnej obróbki ściernej jest uzasadnione tylko wówczas, gdy trwałość eksploatacyjna części wymaga wysokiej dokładności wymiarowo-kształtowej oraz wysokiej jakości warstwy wierzchniej [2.7].

Do zadań obróbki ściernej zaliczyć należy przede wszystkim: zapewnienie dokładności wymiarowej i odpowiedniej geometrii obrabianego przedmiotu, zmniejszenie chropowatości powierzchni, usunięcie zadziorów po obróbce skrawaniem czy też zaokrąglenie krawędzi, nadanie połysku lub przygotowanie powierzchni do nakładania powłok ochronnych czy dekoracyjnych. Obróbki ścierne mogą sprostać większości wymogów mechanicznych stawianych różnym częściom oraz przedmiotom codziennego użytku.

Schemat przedstawiony na rys. 2.2 nie zawiera wszystkich współczesnych metod obróbki ściernej, zarówno jeżeli chodzi o ścierniwo spojone, jak i luźne ścierniwo. Różnorodność stosowanych obecnie metod obróbki ściernej jest spowodowana rozwojem technik wytwarzania różnych przedmiotów oraz dostępności dużego asortymentu ścierniw, które umożliwiają realizację tych procesów obróbki. Rozwój technik wytwarzania wymusza też opracowywanie nowych rodzajów ścierniw o oczekiwanych właściwościach. Te nowe rodzaje i odmiany ścierniw dotyczą zarówno stopionych syntetycznych materiałów ściernych, jak i licznych odmian ścierniw spiekanych czy ścierniw supertwardych diamentowych lub regularnego azotku boru.

2.1. Wykorzystanie luźnego ścierniwa w obróbce strumieniowo-ściernej

Obróbka strumieniowo-ścierna jest metodą obróbki ściernej, w której wykorzystuje się największe ilości luźnego ścierniwa [2.64]. W tej metodzie obróbki ścierniwo zostaje uformowane w strumień, któremu nadaje się taką prędkość, aby energia kinetyczna wystarczyła do wykonania pracy skrawania po jego uderzeniu w obrabianą powierzchnię. Strumień ścierniwa uzyskuje tę niezbędną prędkość za pomocą sprężonego powietrza lub wody pod ciśnieniem albo przy użyciu koła rzutowego. Obróbka strumieniowo-ścierna jest najbardziej wydajną metodą mechanicznego przygotowania powierzchni. Stosowane są różne klasyfikacje metod obróbki strumieniowo-ściernej. Najczęściej stosowany jest podział zamieszczony w normie PN-EN ISO 85042-2002 (rys. 2.4). Wyróżnia się dwa rodzaje metod obróbki strumieniowo-ściernej: obróbki realizowane suchym ścierniwem oraz obróbki realizowane ścierniwem zwilżonym lub mokrym. Do obróbek strumieniowo-ściernych należy też zaliczyć obróbkę powierzchni wysokociśnieniową strugą wody, do której wprowadzane jest ścierniwo. Ten rodzaj obróbki określany jest jako obróbka strugą wodno-ścierną (ang. slurry blasting lub wet abrasive blast cleaning) [2.64]. Strumień wodno-ścierny pod wysokim ciśnieniem wykorzystywany jest również do cięcia różnych materiałów (ang. abrasive water jet).

Rys. 2.4. Metody obróbki strumieniowo-ściernej według normy PN-EN ISO 8504-2-2002 [2.48]

Obróbka strumieniowo-ścierna jako uniwersalna metoda oczyszczania i konstytuowania powierzchni jest stosowana głównie w następujących procesach [2.64]:

• usuwanie rdzy i zgorzeliny z powierzchni metalowej i przygotowanie powierzchni do nakładania powłok ochronnych,

• usuwanie zgorzeliny i zendry w procesach walcowania na gorąco,

• usuwanie starych powłok malarskich oraz przygotowanie powierzchni pod nowe operacje malarskie i lakiernicze,

• nadanie obrobionej powierzchni określonej geometrii,

• oczyszczanie odlewów z pozostałości w procesie odlewniczym z masy formierskiej i rdzeniowej,

• usuwanie wad na spoinach, krawędziach i innych obszarach na powierzchni stali z wadami,

• stępianie ostrych krawędzi,

• uszorstkowianie powierzchni metalowych i betonowych,

• oczyszczanie narzędzi, odkuwek, matryc oraz innych części maszyn po obróbce cieplnej,

• regeneracja form do metali, szkła i gumy,

• matowanie powierzchni, takich jak aluminium i szkło,

• czyszczenie konstrukcji stalowych, takich jak mosty, wiadukty, słupy linii energetycznych, rurociągi, ogrodzenia,

• czyszczenie instalacji przemysłowych,

• renowacja obiektów mieszkalnych, przemysłowych, monumentów,

• utwardzanie powierzchni metalowych (kulowanie),

• cięcie różnych materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną.

We współczesnej obróbce strumieniowo-ściernej, jako media obróbkowe, wykorzystywane są różnorodne ścierniwa. Nazywane są one popularnie śrutami. Zgodnie z międzynarodowymi normami ISO rozróżnia się ścierniwa metalowe i ścierniwa niemetalowe. Przedmiotem zainteresowania w tej książce są ścierniwa niemetalowe mineralne. Pozostałe śruty niemetalowe oraz śruty metalowe zostały omówione obszernie w innej książce autora poświęconej tej tematyce [2.64].

Zestawienie ścierniw mineralnych stosowanych powszechnie w obróbce strumieniowo-ściernej zamieszczono w tab. 2.1.

Tabela 2.1. Niemetalowe ścierniwa mineralne stosowane powszechnie w obróbce strumieniowo-ściernej według normy PN-EN ISO 11126 [2.49]

Numer normy

Typ ścierniwa niemetalowego

Wyjściowy kształt ziarna ścierniwa

Pochodzenie ścierniwa

ISO 11126-21)

piasek kwarcowy

G (ostrokątny, kątowy nieregularny)

naturalne

PN-EN ISO 11126-8

piasek oliwinowy

PN-EN ISO 11126-9

staurolit

S (kulisty – okrągły)

PN-EN ISO 11126-10

granat

G (ostrokątny, kątowy)

PN-EN ISO 11126-3

żużel pomiedziowy

G (ostrokątny, kątowy, nieregularny)

syntetyczne

PN-EN ISO 11126-4

żużel paleniskowy

PN-EN ISO 11126-5

żużel poniklowy

PN-EN ISO 11126-6

żużel wielkopiecowy

PN-EN ISO 11126-7

elektrokorund

1) PN jest wycofana.

Przyjmując jako kryterium pochodzenie, można wyróżnić trzy podstawowe grupy współczesnych śrutów:

• materiały ścierne pochodzenia naturalnego (piasek kwarcowy, granat, oliwin, staurolit),

• materiały ścierne syntetyczne otrzymywane w specjalnych procesach technologicznych (elektrokorund, węglik krzemu),

• materiały ścierne będące produktami ubocznymi bądź odpadowymi w wybranych procesach technologicznych (szkło mielone, żużel pomiedziowy, paleniskowy, poniklowy, wielkopiecowy).

W obróbce strumieniowo-ściernej zastosowanie znajdują ścierniwa o zakresie uziarnienia od 50 do 2500 µm. W ramach tego przedziału poszczególne rodzaje śrutów dzielone są na frakcje ziarnowe o ściśle określonym zakresie wymiarowym. Nie ma jednolitego systemu dla wszystkich ścierniw stosowanych w obróbce strumieniowo-ściernej określania zakresu uziarnienia tych frakcji ziarnowych. Te zakresy w odniesieniu do poszczególnych ścierniw są określane w normach dotyczących danego ścierniwa lub w specjalnych wymaganiach podanych przez jego producenta.

Kształt ziaren ścierniw mineralnych pochodzenia naturalnego czy syntetycznych, takich jak węglik krzemu, elektrokorund, granat, oliwin, staurolit czy żużle, jest nieregularny. Jest to efektem sposobu otrzymywania tych ścierniw na drodze rozdrabniania kęsów tych substancji.

2.2. Wykorzystanie luźnego proszku magnetyczno-ściernego

Obróbka magnetyczno-ścierna jest jedną ze specjalnych obróbek powierzchni, w których wykorzystuje się luźne ziarna ścierne o właściwościach ferromagnetycznych. W technologii obróbki magnetyczno-ściernej pole magnetyczne pełni rolę elastycznego spoiwa, gdyż następuje nałożenie elastycznej więzi pola magnetycznego na luźne ziarna ścierne. Tak uformowane narzędzie robocze pomaga dotrzeć do powierzchni, których obróbka tradycyjnymi metodami nie jest możliwa.

Współczesne zastosowania obróbki magnetyczno-ściernej to takie operacje obróbki powierzchni jak usuwanie gratów na krawędziach przedmiotów po obróbce mechanicznej, zaokrąglanie ostrych krawędzi przedmiotów, nadanie refleksyjności powierzchni [2.57]. Ta metoda obróbki znajduje zastosowanie w obróbce precyzyjnej. Na obecnym poziomie rozwoju obróbki magnetyczno-ściernej można wyodrębnić ponad 250 rozmaitego rodzaju rozwiązań technologicznych i obrabiarek do obróbki przedmiotów, zróżnicowanych pod względem kształtu, cech materiałowych i rodzajów obrabianych powierzchni [2.57].

Obróbce magnetyczno-ściernej poddawane są zarówno przedmioty ferromagnetyczne, jak i nieferromagnetyczne. Możliwa jest obróbka powierzchni, w tym polerowanie przedmiotów o złożonych kształtach, mających oś symetrii oraz całkowicie nieregularnych. Jedną z wad tej obróbki, ujawniającą się podczas obróbki przedmiotów ferromagnetycznych, jest m.in. konieczność ich rozmagnesowywania po obróbce, ze względu na tzw. magnetyzm szczątkowy [2.57].

Obróbce ferromagnetycznej poddawane są zarówno powierzchnie zewnętrzne, jak i wewnętrzne (rys. 2.5). Zewnętrznej obróbce poddawane są bardzo często rury czy inne przedmioty w kształcie walca (rys. 2.6). Ta obróbka ma również zastosowanie do obróbki powierzchni zewnętrznych płaskich i powierzchni wklęsłych (rys. 2.7). Narzędziem roboczym jest wirujący nabiegunnik, na którego powierzchni czołowej uformowana jest szczotka ferromagnetyka ściernego (rys. 2.7b).

Rys. 2.5. Schematy układów do polerowania magnetyczno-ściernego [2.57]: a) zewnętrzna powierzchnia przedmiotu obrotowo-symetrycznego, b) wewnętrzna powierzchnia rury; 1 – przedmiot obrabiany, 2 – nabiegunnik, 3 – ścierniwo magnetyczne, 4 – szczelina robocza

Rys. 2.6. Stanowisko do magnetyczno-ściernej obróbki zewnętrznej powierzchni mosiężnej próbki cylindrycznej [2.5]

Rys. 2.7. Przykład obróbki magnetyczno-ściernej powierzchni wklęsłej: a) przy zastosowaniu nabiegunników o powierzchni czołowej w kształcie czaszy kulistej, b) ze „szczotką” ferromagnetyka ściernego [2.56]

Urządzenia do obróbki magnetyczno-ściernej nie można zaliczyć do urządzeń uniwersalnych. Są to przeważnie urządzenia o konstrukcji dostosowanej do zadania obróbkowego, w tym do wielkości i kształtu obrabianego przedmiotu. Wśród tych urządzeń duży udział mają urządzenia zbudowane na bazie typowych obrabiarek.

Materiały magnetyczno-ścierne stosowane jako media obróbkowe muszą wykazywać dobre właściwości mechaniczne oraz wysoką wartość przenikalności magnetycznej. Dzięki właściwościom ferromagnetycznym ziarna te są podatne na działanie pola magnetycznego, które powoduje ich przyciskanie do obrabianej powierzchni, aby zachodził proces obróbki. Składnikiem ściernym są najczęściej materiały ścierne takie jak diament syntetyczny, węglik boru, elektrokorundy oraz węgliki, borki i azotki metali przejściowych IV grupy układu okresowego pierwiastków [2.62]. Jako składnik ferromagnetyczny stosowane jest przede wszystkim żelazo, kobalt, nikiel i ich stopy. Obszerne informacje o materiałach magnetyczno-ściernych i ich właściwościach zamieszczone są w dalszej części książki (rozdział 8).

2.3. Obróbka ścierna materiałami ściernymi i polerskimi luźno związanymi

Wiele rodzajów materiałów ściernych i polerskich, szczególnie o mniejszych rozmiarach ziaren, jest wykorzystywana w formie, w której są one związane względnie luźno za pomocą tzw. łącznika. Największą ilościowo grupę stanowią pasty polerskie płynne i stałe. Spośród różnych sposobów obróbki ścierniwem luźno związanym wymienić należy docieranie i polerowanie. Te sposoby obróbki ściernej mają na celu nadanie obrobionej powierzchni dobrej dokładności wymiarowej oraz dobrej gładkości powierzchni. W procesie docierania stosuje się zazwyczaj twarde i sztywne tarcze docierające, w procesie polerowania preferowane są natomiast tarcze miękkie i elastyczne. Do obróbek ściernych ścierniwem luźno związanym zaliczyć można również obróbkę przetłoczno-ścierną [2.13].

2.3.1. Docieranie ścierne

Docieranie ścierne jest operacją technologiczną przeprowadzaną na powierzchniach zewnętrznych i wewnętrznych części maszyn, którym stawiane są bardzo wysokie wymagania dokładności wymiarowo-kształtowej i gładkości powierzchni. Obróbka docieraniem polega na połączeniu skutków procesu mikroskrawania luźnymi ziarnami ściernymi i tarcia oraz reakcji chemicznych [2.3], [2.7]. Jego istota polega na doprowadzeniu pomiędzy, pozostającymi w określonym ruchu względnym, powierzchnię docieraka a powierzchnię obrabianego przedmiotu luźnych ziaren ściernych w odpowiedniej cieczy (nośnik). Oddziaływanie mechaniczne na powierzchnię obrabianą płaską (rys. 2.8a) lub na powierzchnię walcową PO (rys. 2.8b) następuje wskutek ruchu względnego vd docieraka wywierającego nacisk na tę powierzchnię z siłą Fn przez mieszaninę ścierną S.

Na rysunku 2.9 zamieszczono przykładowo docierarkę z trzema pierścieniami pozycjonującymi oraz pneumatycznym systemem dociskania do płyty docierającej obrabianych przedmiotów. Docierarka ma pojemnik na ścierniwo o pojemności 115 litrów.

Oddziaływanie chemiczne na materiał obrabiany związane jest z bardzo szybkim (setne części sekundy) tworzeniem się na jego powierzchni warstw tlenkowych i adsorpcji pod wpływem tlenu, siarki, jodu, chloru oraz środków powierzchniowo-aktywnych, wchodzących w skład suspensji ściernej. Rola ziaren ściernych w szczelinie roboczej jest zróżnicowana: część z nich osadza się trwale w materiale docieraka i wykonuje pracę skrawania w sposób ciągły. Część wykonuje pracę skrawania w sposób przerywany w warunkach przetaczania się ziaren, a pozostała część (najdrobniejsze frakcje ziarnowe) sporadycznie kontaktuje się z powierzchnią obrabianą i nie ma istotnego wpływu na ilościowe rezultaty obróbki. Na efektywność docierania wpływa kinematyka obrabiarki, zależna od liczby ruchów, ich kierunku i wielkości.

Rys. 2.8. Kinematyka docierania mechanicznego: a) powierzchni płaskich (jedno- i dwustronnie), b) otworu w przedmiocie PO docierakiem rozprężnym, S – dozowanie suspensji ściernej [2.7]

Rys. 2.9. Docierarka 48/56 o średnicy płyty docierającej 1219/1422 mm z pneumatycznym systemem dociskania przedmiotów docieranych firmy Kemet [2.28]: 1 – płyta docierająca, 2 – pierścienie pozycjonujące, 3 – płyty pneumatycznie dociskające obrabiane przedmioty, 4 – dozowanie suspensji ściernej

Podstawowymi ruchami występującymi w większości odmian docierania są: ruch obrotowy vs lub prostoliniowy postępowo-zwrotny vft. Mają one miejsce w warunkach ciągłego podawania mieszaniny ściernej lub jej okresowego nakładania (smarowania) na powierzchnię roboczą docieraka.

Ciągłe podawanie mieszaniny ściernej jest korzystne przy produkcji masowej części o podwyższonych wymogach dokładnościowych wykonanych z miedzi, aluminium, stopów metali kolorowych, stali węglowych i stopowych, węglików spiekanych i minerałów (elementów wtryskiwaczy, sprężarek, silników, łożysk, tranzystorów itp.). Okresowe nakładanie mieszaniny ściernej stosowane jest w ok. 70% operacji docierania niezależnie od stopnia mechanizacji procesu obróbki.

Na wydajność ilościową i jakościową docierania wpływa rodzaj i uziarnienie ścierniwa, materiał docieraka, kinematyka docierarki, prędkość względna docierania i naciski jednostkowe.

Docieranie umożliwia uzyskanie wysokiej dokładności wymiarowej w klasie IT1 (PN-EN 20286-2) i chropowatości Ra = 0,015–0,1 µm.

Charakterystyka ośrodka ściernego, a w szczególności rodzaj i wielkość ziarna ściernego oraz rodzaj i udział nośnika mają wpływ na przebieg i wyniki procesu docierania. Ścierniwo stosowane w procesie docierania powinno być tym twardsze, im bardziej twardy jest obrabiany materiał. W zależności od rodzaju docieranej powierzchni stosowane są różne ścierniwa. Stosowany jest więc węglik krzemu, elektrokorund, węglik boru, diament, jak również takie proszki polerskie jak tlenek glinu czy tlenek chromu. Do docierania wstępnego stosuje się ziarna o wielkości w zakresie od 20 do 60 µm, a do docierania końcowego w zakresie od 2 do 10 µm. Jako nośniki ziaren ściernych stosowane są oleje, nafta, tłuszcze (roślinne i zwierzęce), stearyna, dodatki antykorozyjne (trójetanoloamina) i inne (tab. 2.2). Udział ścierniwa w nośniku waha się w granicach od 20 do 50%.

Tabela 2.2. Zalecane parametry docierania i polerowania prasowanych spieków materiałów ceramicznych z tlenku glinu Al_2O_3 i azotku krzemu Si_3N_4 o wyjściowej chropowatości Ra = 40–80 µm [2.44]

Parametry procesu

Docieranie wstępne

Docieranie końcowe

Polerowanie

Al_2O_3

Si_3N_4

Al_2O_3

Si_3N_4

Al_2O_3

Si_3N_4

Tarcza docierająca lub polerująca

żeliwna (pełna)

żeliwna (żłobkowana)

miedziana

Rodzaj i wielkość ziarna ściernego

SiC nr 400

diament synt. 60 µm

diament naturalny 4–8 µm

diament syntetyczny 2–4 µm

Nośnik

woda + dodatki

lekka nafta

lekka nafta

spirytus lub woda + dodatki

Prędkość obrotowa tarczy, obr/min

70

70–80

60–70

50

Ubytek materiału obrabianego, µm

200–300

300–400

30–50

50–80

10–15

Chropowatość powierzchni Ra, µm

10–15

0,8–1,6

0,4–0,6

0,05–0,1

Czas obróbki, min

15–20

10–15

15–20

10–15

Zadaniem nośnika ziaren ściernych jest [2.44]:

• tworzenie hydrodynamicznej warstwy oddzielającej obrabiane przedmioty od docieraka w celu uniknięcia bezpośredniego styku obu powierzchni oraz przejmowanie pewnego udziału nacisku celem przeciwdziałania przedwczesnemu rozkruszaniu ziaren,

• ustawianie ziaren ściernych w skutecznych pozycjach obróbkowych,

• zapewnienie równomiernego doprowadzania i rozdziału ścierniwa,

• odprowadzanie cząstek wykruszonego materiału obrabianego,

• działanie smarujące i chłodzące.

2.3.2. Polerowanie ścierne

Polerowanie jest procesem obróbki prowadzącym do uzyskania powierzchni obrobionej o dużej gładkości objawiającej się najczęściej wysokim połyskiem. Polerowanie jest bardzo często ostatnim etapem kształtującym właściwości warstwy wierzchniej obrabianego przedmiotu.

Polerowanie wykonuje się najczęściej przy użyciu elastycznych wielowarstwowych tarcz polerskich lub miękkich tarcz polerujących zamontowanych na docierarkach i polerkach, jak również taśm polerskich zamontowanych na osi silnika elektrycznego, na które nanoszona jest warstwa pasty ściernej lub polerskiej. Mogą to być urządzenia obsługiwane ręcznie (rys. 2.10a) lub przy użyciu robota (rys. 2.10b).

Spośród różnych tarcz polerskich stosowane są tarcze filcowe z filcu litego lub szyte warstwowe tarcze filcowe (rys. 2.11).

Jako nośniki past ściernych i polerskich największe zastosowanie mają tarcze polerskie tkaninowe [2.1]. Zadaniem materiału włókienniczego jest utrzymanie materiału ścierno-polerskiego podczas obróbki w obszarze kontaktu tarczy polerskiej z przedmiotem obrabianym. Włókna tarczy pełnią rolę nośnika dla pasty, zawiesiny lub aerozolu, w których znajduje się ścierniwo lub proszek polerski. Przestrzenna budowa tkaninowej tarczy polerskiej powoduje, że cząstki ścierno-polerskie i inne składniki preparatu oblepiają włókna i wnikają w puste przestrzenie między nimi. W następstwie działania sił adhezyjnych i kapilarnych na powierzchni i między włóknami, a także w wyniku odparowania części lotnych i ciekłych składników preparatu, powstają względnie trwałe w czasie struktury przestrzenne.

Stosowane obecnie tkaninowe tracze polerskie składają się głównie z włókien sizalu, tampika i bawełny. Pod względem ułożenia tkaniny tkaninowe tarcze bawełniane, bawełniano sizalowe i sizalowe dzieli się na trzy podstawowe grupy (rys. 2.12). Grubość tarcz gładkich (G) wynika z liczby krążków tkaniny oraz ich grubości, a ponadto jest uwarunkowana splotem tkaniny bawełnianej i sizalu czy grubością nici. W przypadku tarcz plisowanych (P) i marszczonych (M) grubość tarcz zależy od sposobu marszczenia lub plisowania i ich wzajemnego ułożenia. W przypadku tarcz mieszanych bawełniano-sizalowych grubość tarczy jest zależna również od procentowego udziału bawełny i sizalu w tarczy. W standardowych tarczach plisowanych lub marszczonych ułożonych jest najczęściej od 2 do 8 warstw.

Marszczenie i plisowanie tarcz polerskich sprzyja chłodzeniu powierzchni polerowanej podczas procesu obróbki. Im luźniejsza jest budowa tarczy, tym bardziej rozszerza się ona podczas obróbki, co sprzyja pompowaniu powietrza przez wirujący materiał tarczy do obszaru obróbki.

Rys. 2.10. Polerka tarczowo-taśmowa do obsługi ręcznej (a) oraz przy zastosowaniu robota przemysłowego (b) [2.15]

Rys. 2.11. Polerskie tarcze filcowe z filcu litego (a) i filcowe warstwowe szyte (b)

Rys. 2.12. Rodzaje tkaninowych tarcz polerskich i ich oznakowanie [2.31]

Celem dostosowania właściwości tarcz polerskich do warunków polerowania i rodzaju polerowanego materiału są one najczęściej poddawane impregnacji. W zależności od rodzaju impregnacji uzyskuje się tarcze o różnej sztywności. Rodzaj impregnacji jest przez producentów tarcz wyróżniany kolorem. Przykład takich oznaczeń zamieszczono na rys. 2.13, a na rys. 2.14 zamieszczono zdjęcie kilku tarcz tkaninowych impregnowanych oraz w górnej części kilka gładkich tarcz bawełnianych składających się z ułożonych płaskich kawałków tkaniny.

Ogólne zalecenia wyboru tarczy polerskiej jako nośnika past polerskich do rodzaju ściernej obróbki powierzchni zamieszczono w tab. 2.3.

Impregnacja:

Tarcza bardzo sztywna Tarcza miękka i elastyczna

Oznaczenie:

G

Y

W

B

O

R

V

Barwa:

ZIELONA

ŻÓŁTA

BIAŁA

NIEBIESKA

POMARAŃCZOWA

CZERWONA

FIOLETOWA

Rys. 2.13. Przykład opisu impregnowanych tkaninowych tarcz polerskich [2.31]

Rys. 2.14. Tkaninowe tarcze polerskie, w tym impregnowane (czerwone, żółte i niebieskie)

Tabela 2.3. Zalecenia użytkowania tarcz polerskich w różnych operacjach ściernej obróbki powierzchni

Rodzaj tarczy polerskiej

Satynowanie

Matowanie

Polerowanie wstępne

Polerowanie wykończeniowe

Tampico

x

x

Sizal

x

x

Sizal-bawełna

x

x

Bawełna

x

x

W praktyce obróbki ścierno-polerskiej stosowanych jest kilka sposobów nanoszenia medium obróbkowego na powierzchnię nośnika. Zależy to przede wszystkim od jego postaci. W procesach polerowania ścierniwem luźno związanym stosowane są pasty stałe, pasty płynne, zawiesiny i szlamy (ang. slurry) czy też preparaty aerozolowe. Pasty ścierne o konsystencji stałej mają kształt pryzm lub walców (rys. 2.15). Kolorem oznacza się właściwości danego typu stałej pasty polerskiej. Różnią się one od siebie przede wszystkim rodzajem i uziarnieniem ścierniwa, a ponadto składem łącznika. Nanoszenie takiej pasty polerskiej na powierzchnię nośnika polega na dociskaniu kostki pasty do wirującej tarczy polerskiej. Pasta w postaci pryzmy lub walca jest mocowana w specjalnym uchwycie, za pomocą którego jest możliwe sterowanie dociskiem (rys. 2.16). Tego typu rozwiązania są stosowane przede wszystkim przy użyciu automatów polerskich, robotów lub w obróbkach realizowanych w wysokowydajnych liniach produkcyjnych. W prostszych metodach obróbki stosowany jest ręczny docisk pasty do tarczy polerskiej. Takie dozowanie nie wymaga wyposażania polerki w specjalne uchwyty, ale wiąże się z większym zużyciem pasty polerskiej.

Rys. 2.15. Kostki stałej pasty polerskiej o różnej charakterystyce [2.31]

Rys. 2.16. Pneumatyczny podajnik WPZ 80 kostki stałej pasty polerskiej dociskającej ją w określonych odstępach czasu do wirującej tarczy polerskiej [2.29]

Płynna pasta polerska nanoszona jest na powierzchnię tarczy polerskiej w postaci natrysku. Do jej dozowania stosowana jest specjalna instalacja ciśnieniowa (rys. 2.17). Poprzez sterowanie czasem otwarcia i zamknięcia elektrozaworem dozuje się wymaganą ilość pasty na tarczę polerską. Tego typu dozowania pasty są stosowane w przypadkach obróbek na polerkach stacjonarnych, a szczególnie w przypadkach polerowania na automatach, zwłaszcza za pomocą robotów.

Rys. 2.17. Schemat instalacji do ciśnieniowego natryskiwania ciekłych past polerskich na tarczę polerską [2.41]: 1 – przewód z pastą, 2 – przewody sprężonego powietrza, 3 – elektrozawór sterujący dozowaniem pasy, 4 – zbiornik pasty, 5 – zawory, 6 – pistolet natryskowy

Rodzaj użytej tarczy polerskiej, typ pasty polerskiej, jak również parametry obróbki (średnica tarczy, prędkość obrotowa wrzeciona polerki) powinny być dostosowane do rodzaju obrabianego materiału oraz oczekiwań dotyczących jakości obrobionej powierzchni. W tabeli 2.4 zamieszczono wartości prędkości obwodowych tarcz polerskich dla poszczególnych operacji obróbki powierzchni w zależności od rodzaju obrabianego przedmiotu.

Tabela 2.4. Zalecane prędkości obwodowe tarcz polerskich w m/s [2.53]

Obrabiany materiał

Satynowanie

Polerowanie wstępne

Polerowanie na wysoki połysk

Stale

15–25

35–40

35–45

Metale kolorowe

15–25

35–40

35–45

Tworzywa sztuczne

15–20

15–20

20–25

W procesach przetwórstwa szkła ważną operacją po szlifowaniu, celem uzyskania jego przezroczystości, jest polerowanie przy użyciu wodnej zawiesiny proszku polerskiego tlenku ceru naniesionego na tarcze filcowe.

Oprócz wymienionych operacji obróbki powierzchni przy użyciu tkaninowych i filcowych tarcz polerskich istotnym obszarem wykorzystania drobnych frakcji ścierniw są takie procesy obróbki jak: polerowania na docierakach, w tym przygotowanie powierzchni do badań metalograficznych, obróbka polerska form wtryskowych, polerowanie biżuterii. Są to obróbki wykonywane najczęściej przy użyciu małych tarcz polerskich montowanych na wrzecionach polerek stołowych (rys. 2.18). Otwory w takich tarczach dostosowane są rozmiarami i kształtem do końcówek wrzeciona polerek stołowych (rys. 2.19).

Rys. 2.18. Polerka stołowa PS-2 stosowana do polerowania biżuterii [2.20]

Rys. 2.19. Tkaninowe tarcze polerskie stosowane do polerowania w polerce stołowej, jak na rys. 2.18

Duża ilość operacji polerowania z zastosowaniem past polerskich wykonywana jest przy użyciu przenośnych ręcznych napędów z zastosowaniem trzpieniowych narzędzi polerskich, bardzo często filcowych. Dotyczy to na przykład polerowania form wtryskowych przy użyciu past diamentowych. W takim przypadku pasty diamentowe są konfekcjonowane w strzykawkach o pojemności od 5 do 20 g pasty. Podziałka na strzykawce umożliwia precyzyjne dozowanie pasty na powierzchnię nośnika (rys. 2.20).

Rys. 2.20. Maziste pasty diamentowe o zróżnicowanym uziarnieniu zapakowane w strzykawki po 10 g [2.31]

2.3.3. Obróbka przetłoczno-ścierna

Obróbka przetłoczno-ścierna (ang. abrasive flow machining, AFM) jest metodą obróbki strumieniem ściernym trudno dostępnych, zakrzywionych powierzchni, w tym otworów, do których jest trudno dotrzeć metodami konwencjonalnej obróbki ściernej. W przemyśle elektromaszynowym wytwarzanych jest wiele wyrobów, w których stosuje się różnego rodzaju dysze, kanały, otwory dodatkowe, przez które przepływają media. Te dysze, kanały mają często otwory o zmiennym przekroju. Opory przepływu, a więc i parametry użytkowe takich urządzeń zależą od warstwy wierzchniej, głównie od chropowatości powierzchni po obróbce wykończeniowej, która powinna być jak najmniejsza. O ile obróbka gładkościowa otworów prostych jest stosunkowo łatwa, o tyle obróbka otworów o osiach zakrzywionych stanowi poważny problem technologiczny [2.2].

Początki obróbki przetłoczno-ściernej miały miejsce w latach sześćdziesiątych XX w., kiedy firma Extrude Home Corporation opracowała metodę usuwania zadziorów, zaokrąglania naroży i polerowania trudno dostępnych fragmentów części lotniczych [2.26]. Pierwszy patent dotyczący tej technologii obróbki został zgłoszony w 1968 r. [2.43].

Współczesna obróbka przetłoczno-ścierna ma cechy charakterystyczne dla polerowania, z tą różnicą, że prędkość przemieszczania się medium ściernego względem obrabianej powierzchni jest znacznie mniejsza i nie przekracza 1 m/s. Proces obróbki polega na cyklicznym przemieszczaniu, pod znacznym ciśnieniem, lepkosprężystej mieszaniny ścierniwa i spoiwa elastycznego o konsystencji półstałej wzdłuż krawędzi czy obrabianej powierzchni podlegającej obróbce. Obróbka może być jednokierunkowa lub dwukierunkowa (rys. 2.21).

Przedmiot obrabiany może być mocowany w oprzyrządowaniu pomiędzy dolną i górną komorą obrabiarki, działającej na zasadzie prasy hydraulicznej (rys. 2.21a) lub prasy

Rys. 2.21. Zasada obróbki przetłoczno-ściernej AFM: przetłaczanie jednokierunkowe (a) i dwukierunkowe (b) medium ściernego przez obrabiane otwory [2.4]

Rys. 2.22. Obróbka przetłoczno-ścierna przedmiotu obrabianego PO w masie ściernej (1) ruchem posuwisto-zwrotnym z prędkością vs [2.7]

hydraulicznej podwójnego działania (rys. 2.21b). Możliwe jest też zamocowanie obrabianego przedmiotu w tłoczysku obrabiarki, które jest przemieszczane ruchem posuwisto-zwrotnym (rys. 2.22].

Na rysunku 2.23 zamieszczono zdjęcie fragmentu stanowiska do obróbki otworów metodą jednokierunkowego przetłaczania masy ściernej. Widoczne są cztery elastyczne wałki masy ściernej wytłaczane z obrabianych otworów.

Rys. 2.23. Obróbka przetłoczno-ścierna otworów metodą jednokierunkowego przetłaczania pasty ściernej [2.33]

Poza dwiema wymienionymi metodami obróbki przetłoczno-ściernej stosowana jest zmodyfikowana odmiana konwencjonalnej obróbki AFM, w której wprowadzony jest ruch przedmiotu obrabianego, określana jako metoda orbitalna (rys. 2.24). Jest to metoda szczególnie przydatna do obróbki wykończeniowej i polerowania powierzchni zewnętrznych z przestrzennym reliefem, jak na przykład formy do produkcji elementów z tworzyw sztucznych. Powierzchnie te wymagają różnokierunkowego przepływu pasty ściernej do skutecznej penetracji wgłębień i wypukłości profilu. W orbitalnej metodzie AFM układ obróbkowy pracuje w systemie dwukierunkowego przetłaczania masy ściernej przez szczeliny o ciągle zmieniających się lokalnie grubościach. Ruch względny obrabianej powierzchni i pasty ściernej jest wypadkową ruchu obrotowego oraz ruchu drgającego w górę i w dół i prędkości pasty ściernej. Te dodatkowe ruchy przedmiotu powodują, że czas obróbki niezbędny do zmiany chropowatości z Ra = 0,5 µm do Ra = 0,01 µm ustalony dla fragmentu powierzchni wokół osi obrotu wynosi od 7 do 10 minut [2.52].

Podstawy obróbki przetłoczno-ściernej zostały opisane przez Rhoadesa w jego patentach i artykułach [2.52]. Efekty tej obróbki zależą od trzech podstawowych czynników:

• właściwości pasty ściernej,

• parametrów procesu obróbki,

• przedmiotu obrabianego.

Rys. 2.24. Stanowisko do orbitalnej obróbki przetłoczno-ściernej: a) przed obróbką, b) w czasie obróbki [2.52]

Pasta ścierna stosowana jako medium obróbkowe w obróbce przetłoczno-ściernej ma specyficzne właściwości. Składa się ona z trzech podstawowych składników: z podstawowego (bazowego) nośnika, którym jest polimer lepkosprężysty, z dodatków reologicznych oraz z ziaren ściernych. To polimer lepkosprężysty wnosi do pasty ściernej te specyficzne właściwości. Odkształcenia sprężyste są odkształceniami, które znikają po usunięciu obciążenia, natomiast obciążenia lepkosprężyste mają również charakter odkształceń powrotnych, przy czym ich zanik nie jest natychmiastowy, lecz z opóźnieniem (po czasie relaksacji) [2.6]. Nośnik bazowy jest tworzywem o dużej masie cząsteczkowej, którego dominującą cechą jest elastyczność oraz mała lepkość. Aby regulować lepkość tego nośnika, dodaje się do niego dodatki reologiczne, takie jak plastyfikatory i zmiękczacze. W ostatnich kilkudziesięciu latach do praktyki obróbki przetłoczno-ściernej wprowadzonych zostało wiele różnych podstawowych składników w roli nośnika polimerowego. Są to głównie kauczuki: silikonowy, naturalny, butylowy, butadienowo-styrenowy, czy polimer poliborosiloksanu.

Drugim podstawowym składnikiem pasty ściernej jest ścierniwo, a najczęściej stosowanym jest węglik krzemu. Jest to ścierniwo o dużej twardości oraz ostrych krawędziach skrawających. Dlatego jest to efektywne medium obróbkowe w takiej specyficznej metodzie obróbki powierzchni, jaką jest obróbka przetłoczno-ścierna. Zastosowanie znajdują w tej obróbce również ścierniwa elektrokorundu i węglika boru. Do zastosowań specjalnych wykorzystuje się ścierniwa diamentu i sześciennego azotku boru (CBN). Pasty ścierne są barwione w różne kolory, w zależności od zawartego w nich ścierniwa (rys. 2.25)

Rys. 2.25. Pasty ścierne stosowane w obróbce przetłoczno-ściernej [2.4]: a) pasta z węglikiem krzemu do obróbki przedmiotów stalowych, b) pasta z diamentem do obróbki przedmiotów z węglików spiekanych

2.4. Materiały ścierne w pojemnikowej obróbce powierzchni

Pojemnikowa obróbka powierzchni jest specjalną metodą obróbki ściernej, w której możliwa jest jednoczesna obróbka znacznej liczby przedmiotów przy użyciu jeszcze większej liczby narzędzi obróbkowych [2.63]. Jest to cecha wyróżniająca obróbkę pojemnikową od innych sposobów obróbki, gdzie narzędzia związane są na sztywno z obrabiarką i obrabiają zwykle jeden przedmiot. Ta masowa obróbka powierzchni różnych przedmiotów odbywa się w urządzeniach nazywanych wygładzarkami pojemnikowymi i nazywana jest popularnie obróbką roto-wibracyjną (ang. vibratory mass finishing) lub bębnowaniem.

Zakres zastosowań obróbki powierzchni metodami obróbki pojemnikowej można podzielić na cztery podstawowe grupy [2.63]:

• usuwanie warstw powierzchniowych (tlenkowych),

• usuwanie zadziorów, wypływek i zaokrąglanie krawędzi,

• zmniejszanie nierówności powierzchni,

• wybłyszczanie powierzchni.

Narzędziami obróbkowymi w pojemnikach roboczych wygładzarek są tzw. kształtki ścierne lub polerskie (ang. mass finishing media), które wspomagane przez ciekłe dodatki (obróbka jest prowadzona najczęściej na mokro), zwane płynami wspomagającymi (ang. polishing compounds), umożliwiają uzyskanie oczekiwanych efektów stanu powierzchni przedmiotów po obróbce.

Obróbka pojemnikowa jest procesem, w którym na powierzchnię obrabianych przedmiotów oddziałują luźne kształtki. Ich praca odbywa się w sposób kinematycznie swobodny. Z tego powodu obróbka pojemnikowa określana jest często jako obróbka luźnym ścierniwem. Tym ścierniwem są kształtki, które są spojonymi narzędziami ściernymi o różnej wielkości i o kształcie: stożka, piramidy, walca, graniastosłupa, paraboloidy itp. Wyróżnia się dwa rodzaje kształtek: kształtki ceramiczne i kształtki żywiczne.

Kształtki ceramiczne można podzielić na dwie podstawowe grupy [2.59]:

• kształtki ceramiczne ścierne (rys. 2.26),

• kształtki porcelanowe polerskie (rys. 2.27).

Rys. 2.26. Kształtki ceramiczne ścierne [2.59]

Rys. 2.27. Kształtki porcelanowe polerskie [2.59]

Podobnie, kształtki żywiczne różnych kształtów i charakterystyk mają dwie podstawowe odmiany:

• kształtki poliestrowe (rys. 2.28),

• kształtki mocznikowe (rys. 2.29).

W ceramicznych kształtkach ściernych najczęściej stosowanym materiałem ściernym jest elektrokorund zwykły. Kształtki ścierne ceramiczne specjalnych zastosowań zawierają ścierniwo elektrokorundu szlachetnego, elektrokorundu chromowego albo zielonego węglika krzemu. Jest też odrębna grupa ceramicznych kształtek ściernych, w których zamiast tradycyjnych ścierniw są wprowadzane ziarna kwarcu lub krystobalit.

Rys. 2.28. Kształtki żywiczne poliestrowe o różnej charakterystyce oznaczonej kolorem [2.31]

Rys. 2.29. Kształtki żywiczne mocznikowe [2.63]

Spoiwo ceramiczne jest typową kompozycją surowców plastycznych (glina, kaolin) oraz kwarcu jako surowca schudzającego. Po wypaleniu spoiwo pod względem mineralogicznym stanowi kwarc i mulit. Bardzo istotną rolę odgrywa kaolin i ilość wody zarobowej odpowiedzialna m.in. za uzyskanie projektowanej porowatości kształtek ceramicznych. Pory spełniają rolę rowków wiórowych, tzn. wolnych przestrzeni, w których mieszczą się mikrowiórki powstające w procesie mikroskrawania.

Oprócz odmiany spoiwa ceramicznego i porowatości kształtek podstawowym narzędziem regulowania skrawności kształtek jest rodzaj ścierniwa, jego uziarnienie i zawartość w masie kształtek. W tabeli 2.5 zamieszczono charakterystykę kilku wybranych typów kształtek ceramicznych.

Kształtki ścierne o spoiwie ceramicznym różnią się znacznie pod względem struktury od narzędzi ściernych spojonych takich jak ściernice, segmenty ścierne czy osełki. W tych narzędziach ściernych zawartość ziaren ściernych mieści się w przedziale 38–62%, czyli znacznie więcej niż w ceramicznych kształtkach ściernych. Wynika to ze specyfiki pracy kształtek ściernych podczas pojemnikowej obróbki powierzchni [2.63].

Tabela 2.5. Rozdaje kształtek ceramicznych i ich charakterystyka [2.63]

Typ kształtek

Zawartość ziarna ściernego [%]

Numer wielkości ziarna ściernego

Gęstość kształtek [g/cm^3]

AA

40

70–90

2,58

A

30

90

2,53

B

24

90–120

2,51

BD

24

120–150

2,50

BC

12

150–180

2,43

Wielkość stosowanych kształtek ceramicznych wynosi od 3 do 45 mm, w zależności od kształtu i charakterystyki.

Kształtki porcelanowe to podstawowe narzędzia stosowane w procesach pojemnikowych obróbek wykończeniowych różnych przedmiotów. Są one stosowane w tej obróbce najczęściej z dodatkiem specjalnych past polerskich, zawsze „na mokro” z użyciem płynów wspomagających.

Dwa podstawowe rodzaje kształtek żywicznych, czyli kształtki poliestrowe i mocznikowe, różnią się od siebie przede wszystkim spoiwem stosowanym do wiązania ziaren ściernych w bryłę kształtek. Sposób formowania tych brył metodą odlewania ciekłej masy reakcyjnej narzucił ich kształty. Są to przede wszystkim cztery podstawowe kształty: stożek K, piramida T, piramida wklęsła Tw, paraboloida P. Te podstawowe typy kształtek żywicznych są wytwarzane i stosowane o nominalnych rozmiarach od 6 do 95 mm.

Kształtki poliestrowe są produktami składającymi się z wypełniacza mineralnego, którym są różnorodne ziarna ścierne i polerskie połączone spoiwem poliestrowym. Zróżnicowaną charakterystykę tych kształtek uzyskuje się przez kombinację następujących czynników:

• ilość ziaren ściernych lub polerskich (45–65% wag.),

• rodzaj materiałów ściernych (węglik krzemu, elektrokorundy, krzemionkowe materiały ścierne, piaski cyrkonowe, tlenek glinu itp.), przy czym podstawowym ścierniwem są krzemionkowe materiały ścierne,

• wielkość ziaren ściernych (1–300 µm),

• rodzaj żywicy, jej parametry oraz parametry procesu utwardzania.

Spoiwo kształtek mocznikowych jest produktem powstającym w wyniku utwardzania żywicy mocznikowej, która jest produktem kondensacji mocznika z formaldehydem. Stosowane są w nich te same materiały ścierne co w kształtkach poliestrowych.

Poza wymienionymi kształtkami ściernymi w obróbce pojemnikowej stosowane są materiały ścierne i polerskie również w innej formie. Duże zastosowanie w obróbce pojemnikowej na sucho mają produkty roślinne, a głównie granulaty z kolb kukurydzianych, ze skorupek orzechów (głównie orzechów włoskich) czy kształtek drewnianych [2.63]. Naniesienie na te produkty roślinne warstwy proszków, past ściernych i polerskich pozwala na zwiększenie ich zdolności skrawnych i tym samym skuteczności obróbki powierzchni. Na rysunku 2.30a jest pokazany granulat kukurydziany pokryty warstwą mikroziaren diamentowych, a na rys. 2.30b kształtki drewniane uzbrojone w roboczą powierzchnię pasty polerskiej.

Rys. 2.30. Media roślinne z naniesionymi na ich powierzchnie materiałami polerskimi: a) granulat kukurydziany pokryty warstwą mikroziaren diamentowych, b) kształtki drewniane uzbrojone w pastę polerską (widoczne zgrubienia na powierzchni kształtek) [2.61]

Rys. 2.31. Granulaty orzecha włoskiego jako nośnik pokryte [2.39]: a) elektrokorundem zwykłym, b) tlenkiem chromu, c) czerwienią żelazową

Czyste granulaty orzecha włoskiego są używane jako medium obróbkowe w operacjach polerowania i zaokrąglania delikatnych i wrażliwych na zderzenia przedmiotów. Są one stosowane jednak głównie jako nośniki proszków i past polerskich. Granulaty orzecha włoskiego z naniesioną warstwą ścierną lub polerską stają się uniwersalnym medium obróbkowym, które może być stosowane we wszystkich typach wygładzarek pracujących na sucho. Dodatek składnika ściernego, jak na przykład tlenek chromu, czerwień żelazowa, ziarna i mikroziarna ścierne (węglik krzemu, elektrokorundy, diament), wraz z substancją zwilżającą lub pastą o konsystencji kremu powoduje, że na bazie granulatu orzecha włoskiego uzyskuje się różnorodne media obróbkowe (rys. 2.31).

W obróbce pojemnikowej przy użyciu kształtek ściernych i polerskich realizowanych na mokro dużą rolę odgrywa wspomaganie procesów obróbki za pomocą past ściernych i polerskich. Dotyczy to szczególnie takich operacji obróbki jak:

• procesy wygładzania ściernego na mokro przy użyciu kształtek ceramicznych z dodatkiem wspomagających past ściernych,

• procesy wygładzania wykończeniowego na mokro przy użyciu polerskich kształtek porcelanowych z dodatkiem past polerskich.

Ilość dodawanej pasty wspomagającej wynosi najczęściej 1% wagowo w stosunku do masy wsadu roboczego zawartego w pojemniku wygładzarki, a jej skład powinien być dostosowany do rodzaju obrabianego materiału. W pastach wspomagających stosuje się następujące materiały ścierno-polerskie [2.63]:

• ziarna i mikroziarna węglika krzemu i elektrokorundu,

• proszki krzemianu cyrkonu,

• proszki pumeksu,

• proszki tlenku glinu,

• mączki kwarcowe i krystobalitowe.

Luźne ziarna ścierne jako podstawowe medium obróbkowe wykorzystywane są w specjalnych metodach obróbki realizowanych w tzw. wygładzarkach proszkowych, w których obrabiane przedmioty mocowane są w uchwytach [2.63]. Przedmioty poddawane obróbce nie mają w nich możliwości stykania się ze sobą. Nie ma tym samym niebezpieczeństwa uszkodzenia ich powierzchni w wyniku wzajemnego zderzania się podczas obróbki w pojemniku roboczym wygładzarki.

Jako medium obróbkowe w wygładzarkach proszkowych stosowane są kształtki z syntetycznych elektrokorundów oraz ze spieków na bazie tlenku glinu. Mogą być one stosowane w postaci nieregularnych kęsów powstających w wyniku rozdrabniania klinkieru i późniejszej klasyfikacji wielkościowej (rys. 2.32).

Rys. 2.32. Kęsy elektrokorundu szlachetnego o rozmiarach 2–6 mm jako narzędzie robocze w wygładzarkach proszkowych [2.63]

Istnieją różne propozycje handlowe dotyczące wielkości kęsów elektrokorundu (większych od znormalizowanych granulacji materiałów ściernych) jako narzędzi obróbkowych w wygładzarkach pojemnikowych. Firma Richwood [2.37] zaleca do obróbki pojemnikowej kęsy o wielkości od 3 do 50 mm, podzielone na 11 frakcji od najdrobniejszej 3–5 mm do najgrubszej 38–50 mm. Firma OTEC zaleca również stosowanie ziaren elektrokorundu szlachetnego do zaokrąglania krawędzi narzędzi skrawających umieszczonych w uchwytach wygładzarek proszkowych (tab. 2.6).

Tabela 2.6. Ścierniwo elektrokorundu szlachetnego używane do zaokrąglania krawędzi skrawających w wygładzarce proszkowej [2.35]

Oznaczenie ścierniwa

Rozmiar ziaren [mm]

Zastosowanie

QZ – 0,5W

0,5

zaokrąglanie krawędzi do 15 µm

QZ1 – 2 W

1,0 – 2,0

zaokrąglanie krawędzi do 30 µm

QZ1 – 3 W

1,0 – 3.0

zaokrąglanie krawędzi powyżej 30 µm

Procesy obróbki pojemnikowej realizowane są w specjalnych urządzeniach nazywanych wygładzarkami. W zależności od rodzaju ruchu pojemnika wygładzarki wyróżnić można grupę wygładzarek rotacyjnych i grupę wygładzarek wibracyjnych. Wygładzarki rotacyjne są urządzeniami, w których pojemnik roboczy, lub tylko sam wsad roboczy, jest poddawany ruchowi obrotowemu. Do grupy wygładzarek rotacyjnych należy zaliczyć wygładzarki bębnowe, kielichowe, rotacyjno-kaskadowe i proszkowe. Wygładzarki wibracyjne są podstawową grupą współczesnych wygładzarek pojemnikowych. Są one skonstruowane tak, aby pojemnik wygładzarki zapewniał ruch drgający, a ponadto ruch obrotowy wsadu roboczego. Ruch drgający jest zasadniczym ruchem obróbkowym. Tematyce obróbki powierzchni w wygładzarkach pojemnikowych jest poświęcona specjalna oddzielna książka autora [2.63].