Współczesny przemysł maszynowy wykorzystuje najnowsze osiągnięcia inżynierii materiałowej. Niektóre elementy maszyn wykonane są z materiałów, które charakteryzują się specjalnymi właściwościami.  Do takich części należą na przykład łożyska toczne i ślizgowe, elementy pracujące w ruchu posuwisto-zwrotnym czy narażone na duże obciążenia udarowe. Części z tych materiałów nie można obrabiać konwencjonalnymi metodami. W takich przypadkach stosuje się narzędzia specjalne.

W obróbkach dokładnych i wykańczających, do których zalicza się przede wszystkim obróbkę ścierną, takim specjalnym materiałem narzędziowym jest diament i regularny azotek boru (borazon). Okazuje się jednak, że nawet wśród specjalistów z branży narzędziowej istnieje niedostateczne rozeznanie w zakresie istoty samych surowców do produkcji narzędzi diamentowych i borazonowych, ich właściwości, klasyfikacji, zasad doboru, zakresu zastosowań. Chociaż informacje te nie mają bezpośredniego wpływu na sam proces obróbki, przyczyniają się jednak do wzrostu ogólnej wiedzy o narzędziach tego rodzaju i ich zastosowaniach. Wiedza na ten temat pozwala skracać okres przygotowawczy doboru właściwych narzędzi, a także umożliwia podjęcie szybszych decyzji dotyczących doboru ich parametrów i warunków pracy.

Supertwarde materiały ścierne

Diament naturalny charakteryzuje się ekstremalnie wysoką twardością zarówno w normalnej, jak i w podwyższonej temperaturze. Jest także odporny na ściskanie i naścieranie. Nie wykazuje jednak dużej odporności na uderzenia. Przy obciążeniu udarowym odpryskuje lub wyłamuje się. Jest to spowodowane faktem, że ma on regularną budowę krystaliczną z wyraźnymi płaszczyznami podziału. Te właściwości tego najtwardszego materiału zmuszają producentów narzędzi diamentowych do takiego usytuowania ziaren diamentu, aby w procesie obróbki unikać naprężeń w płaszczyźnie podziału diamentu. Mimo takich środków ostrożności diament naturalny pozostał nadal podatny na odpryski pod wpływem uderzeń.
Z powodu tych ograniczeń w zastosowaniu diamentu naturalnego prowadzono intensywne badania nad produkcją diamentu syntetycznego. Pierwsze diamenty syntetyczne wyprodukowała grupa amerykańskich uczonych w roku 1955. W ciągu kilku następnych lat następował systematyczny rozwój w tej dziedzinie. Wkrótce potem ukazał się na rynku diament syntetyczny, który jako materiał ścierny miał tak dobre właściwości, że w wielu dziedzinach zastąpił diament naturalny. Diament syntetyczny swoje zalety ujawnia szczególne podczas obróbki aluminium i jego stopów.
Jednocześnie z badaniami diamentów syntetycznych prowadzono prace nad innym supertwardym materiałem, a mianowicie regularnym azotkiem boru (CBN – Cubic Boron Nitride), który występuje pod handlową nazwą borazonu. Pojawił się on na rynku jako surowiec ścierny w roku 1975. Materiał ten nadaje się do obróbki stali szybkotnących, nierdzewnych i trudno obrabialnych stopów odpornych na wysokie temperatury wykonanych na bazie niklu, kobaltu i tytanu. Regularny azotek boru w formie przystosowanej do obróbki skrawaniem jest, po diamencie, najtwardszym materiałem obróbkowym. Tym samym wypełnia on lukę między diamentem a konwencjonalnymi materiałami ściernymi. Diament i borazon doskonale się uzupełniają, gdyż każdy z nich może obrabiać inne grupy materiałów (tabl. 1).

Tablica 1. Materiały obrabiane przez ściernice diamentowe i borazonowe

Kształty i wymiary ściernic

Ogólnie obowiązuje zasada, że do danego zadania obróbkowego należy dobrać ściernicę o takim kształcie, który zagwarantuje możliwie największą sztywność narzędzia. Średnica ściernicy powinna być możliwie jak największa (do danego zadania), ponieważ wtedy zapewnione są korzystniejsze warunki kinematyczne i termiczne. Łatwiej też uzyskać większą szybkość skrawania, przy której obróbka jest bardziej ekonomiczna i wydajna.
Do każdego zadania obróbkowego należy dobrać optymalną i zalecaną prędkość obwodową. Wiadomo, że na przykład przy szlifowaniu węglików spiekanych ściernicami diamentowymi o spoiwie żywicznym prędkość obwodowa wynosi reguły 10–35 m/s przy szlifowaniu na mokro oraz 8–22 m/s przy szlifowaniu na sucho. Podczas szlifowania ściernicami o spoiwie metalicznym zalecane prędkości skrawania wynoszą od 10 do 30 m/s (obróbka mokra) oraz od 8 do 20 m/s (obróbka sucha). Z kolei przy szlifowaniu ściernicami o spoiwie galwanicznym obwodowa prędkość skrawania powinna wynosić 10–30 m/s niezależnie od tego, czy szlifuje się na mokro czy na sucho. Podczas obróbki stali szybkotnących ściernicami borazonowymi prędkości te wynoszą odpowiednio: dla spoiwa żywicznego – 15–40 m/s (szlifowaniu na mokro) oraz 10÷28 m/s (na sucho), natomiast dla spoiwa galwanicznego – 10÷30 m/s niezależnie od tego, czy jest to szlifowanie na mokro czy na sucho. Przy doborze konkretnej szybkości skrawania należy kierować się zasadą, że niższe wartości prędkości obwodowej skrawania obowiązują dla większych powierzchni styku narzędzia i przedmiotu obrabianego, większe natomiast – dla mniejszych powierzchni styku.

W przypadku stosowania ściernic o kształcie garnkowym lub talerzowym szerokość nasypu ściernego powinna być dobrana w zależności od wielkości powierzchni szlifowanej. Większe powierzchnie styku narzędzia i przedmiotu obrabianego wywołują powstawanie wyższej temperatury w strefie pracy, co może prowadzić w konsekwencji szybszego zużycia ściernicy.

Wielkość ziaren ściernych

Obróbka ścierna polega na takim sposobie obróbki skrawaniem, w którym proces usuwania ustalonych objętości obrabianego materiału dokonywany jest ostrzami ziaren materiałów ściernych doprowadzonych do styku z obrabianym przedmiotem. Wynika z tego, że własności ostrzy skrawających mają decydujący wpływ na jakość i skuteczność obróbki. W związku z tym takie własności ziaren diamentowych, jak ich wytrzymałość, stabilność termiczna, kształt i wielkość, muszą być przez producentów ściernic starannie kontrolowane i dobierane. Ze względu na obowiązujące wszystkich zasady ekonomiki obróbki należy stosować możliwie największe dopuszczalne wielkości ziaren, gwarantujące osiągnięcie pożądanej jakości obrabianej powierzchni. W tablicy 2. przedstawiono klasyfikację ziaren diamentowych i borazonowych według obowiązujących norm.

Tablica 2. Standardowe wielkości ziaren diamentowych i borazonowych

Zaleca się dla typowych przypadków obróbki stosować następujące wielkości ziaren:
szlifowanie wstępne – D151 lub B151 (D – diament, B – borazon),
szlifowanie kształtujące – D126-D91 lub B126,
szlifowanie wykańczające – D64-D46 lub B91,
szlifowanie bardzo dokładne – D30-D15 lub B46.* zadrapania na obrabianej powierzchni.*

Jan Krzos

* Opracowano na podstawie materiałów firmy Günter Effgen GmbH wHerrstein