Sự phát triển và ứng dụng của vật liệu mài mòn và dụng cụ mài

Dụng cụ mài mòn là dụng cụ dùng để mài, mài và đánh bóng. Hầu hết các công cụ mài mòn là công cụ nhân tạo được làm từ chất mài mòn và chất kết dính, ngoài ra còn có các công cụ mài mòn tự nhiên được xử lý trực tiếp từ khoáng chất tự nhiên. Ngoài việc được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy móc và các ngành công nghiệp gia công kim loại khác, dụng cụ mài mòn còn được sử dụng trong chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất giấy và gia công các vật liệu phi kim loại như gốm sứ, thủy tinh, đá, nhựa, cao su và gỗ. Trong quá trình sử dụng dụng cụ mài mòn, khi các hạt mài mòn bị cùn, do bản thân hạt mài mòn bị phân mảnh một phần hoặc do chất kết dính bị đứt, các hạt mài mòn rơi ra một phần hoặc hoàn toàn khỏi dụng cụ mài mòn và chất mài mòn trên bề mặt làm việc của dụng cụ mài mòn. Dụng cụ mài mòn liên tục xuất hiện các cạnh cắt mới hoặc liên tục lộ ra các hạt mài mòn sắc bén mới để dụng cụ mài mòn có thể duy trì hiệu suất cắt trong một khoảng thời gian nhất định. Đặc tính tự mài sắc này của dụng cụ mài mòn là đặc điểm nổi bật của dụng cụ mài mòn so với các dụng cụ cắt thông thường.

Ngay từ thời kỳ đồ đá mới, con người đã bắt đầu sử dụng đá mài tự nhiên để chế biến dao đá, rìu đá, dụng cụ bằng xương, dụng cụ bằng sừng và dụng cụ làm răng. Năm 1872, bánh mài gốm làm từ chất mài mòn tự nhiên và đất sét xuất hiện ở Hoa Kỳ. Khoảng năm 1900, vật liệu mài mòn nhân tạo ra đời, nhiều loại dụng cụ mài làm bằng vật liệu mài mòn nhân tạo lần lượt được sản xuất, tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của máy mài và máy mài. Kể từ đó, tỷ lệ dụng cụ mài tự nhiên trong dụng cụ mài đã giảm dần.

Chất mài mòn được phân thành hai loại theo nguồn nguyên liệu thô của chúng: chất mài mòn tự nhiên và chất mài mòn nhân tạo. Chất mài mòn tự nhiên duy nhất thường được sử dụng trong ngành công nghiệp máy móc là đá dầu. Chất mài mòn nhân tạo được phân thành năm loại theo hình dạng cơ bản và đặc điểm cấu trúc của chúng: bánh mài, đầu mài, đá dầu, gạch cát (gọi chung là chất mài mòn ngoại quan) và chất mài mòn được phủ. Ngoài ra, chất mài mòn cũng thường được phân loại là một loại chất mài mòn.

Chất mài mòn liên kết có thể được chia thành chất mài mòn liên kết mài mòn thông thường và chất mài mòn liên kết mài mòn siêu cứng theo chất mài mòn được sử dụng. Loại thứ nhất được làm bằng chất mài mòn thông thường như corundum và cacbua silic, trong khi loại thứ hai được làm bằng chất mài mòn siêu cứng như kim cương và boron nitrit khối. Ngoài ra, còn có một số loại đặc biệt, chẳng hạn như chất mài mòn corundum thiêu kết.

Chất mài mòn liên kết mài mòn thông thường là chất mài mòn được liên kết bằng chất kết dính để tạo thành một hình dạng nhất định và có độ bền nhất định. Chúng thường bao gồm các chất mài mòn, chất kết dính và lỗ chân lông, thường được gọi là ba thành phần của chất mài mòn liên kết.

Chất mài mòn đóng vai trò cắt trong dụng cụ mài. Chất kết dính là vật liệu kết dính chất mài mòn rời vào dụng cụ mài. Có hai loại: vô cơ và hữu cơ. Chất kết dính vô cơ bao gồm gốm sứ, magie và natri silicat, v.v.; chất kết dính hữu cơ bao gồm nhựa, cao su và shellac, v.v. Trong số đó, gốm sứ, nhựa và chất kết dính cao su được sử dụng phổ biến nhất.

Trong quá trình mài, các lỗ có thể chứa và loại bỏ phoi, đồng thời có thể giữ chất làm mát, giúp tản nhiệt mài. Để đáp ứng một số yêu cầu xử lý đặc biệt nhất định, các lỗ chân lông cũng có thể được ngâm tẩm với một số chất độn nhất định, chẳng hạn như lưu huỳnh và parafin, để cải thiện hiệu suất của dụng cụ mài mòn. Chất độn này còn được gọi là phần tử thứ tư của dụng cụ mài mòn.

Các hạng mục chỉ ra đặc điểm của dụng cụ mài mòn ngoại quan thông thường bao gồm: hình dạng, kích thước của chất mài mòn, kích thước hạt, độ cứng, cấu trúc, lớp nền, keo nền và chất liên kết. Độ cứng của dụng cụ mài mòn đề cập đến độ khó của các hạt mài mòn rơi ra khỏi bề mặt của dụng cụ mài mòn dưới tác dụng của ngoại lực, phản ánh độ bền của chất liên kết để giữ các hạt mài mòn.

Độ cứng của dụng cụ mài mòn chủ yếu phụ thuộc vào lượng chất kết dính được thêm vào và mật độ của dụng cụ mài mòn. Nếu các hạt mài mòn dễ rơi ra thì nghĩa là dụng cụ mài mòn có độ cứng thấp; nếu không thì có nghĩa là độ cứng cao. Mức độ cứng thường được chia thành bảy cấp độ chính: siêu mềm, mềm, mềm vừa, trung bình, cứng vừa, cứng và siêu cứng. Các cấp độ này có thể được chia thành nhiều cấp độ nhỏ hơn. Các phương pháp đo độ cứng của dụng cụ mài mòn là phương pháp côn tay, phương pháp côn cơ học, phương pháp thử độ cứng Rockwell và phương pháp thử độ cứng phun cát.

Độ cứng của dụng cụ mài có mối quan hệ tương ứng với mô đun đàn hồi động của nó, thuận lợi cho việc sử dụng phương pháp âm thanh để đo mô đun đàn hồi động của dụng cụ mài để thể hiện độ cứng của dụng cụ mài. Trong quá trình mài, nếu độ cứng vật liệu của phôi cao thì thường chọn dụng cụ mài có độ cứng thấp; nếu không thì chọn dụng cụ mài có độ cứng cao.

Cấu trúc vi mô của dụng cụ mài mòn có thể được chia thành ba loại: chặt, trung bình và lỏng. Mỗi loại có thể được chia thành nhiều cấp độ, được phân biệt bằng số lượng cấu trúc vi mô. Số lượng cấu trúc vi mô của dụng cụ mài mòn càng lớn thì tỷ lệ phần trăm thể tích của chất mài mòn trong dụng cụ mài mòn càng nhỏ, khoảng cách giữa các hạt mài mòn càng rộng và cấu trúc vi mô càng lỏng lẻo. Ngược lại, số lượng cấu trúc vi mô càng nhỏ thì cấu trúc vi mô càng chặt chẽ. Dụng cụ mài mòn có cấu trúc vi mô lỏng lẻo không dễ bị thụ động trong quá trình sử dụng, tạo ra ít nhiệt hơn trong quá trình mài và có thể làm giảm biến dạng nhiệt và bỏng của phôi. Các hạt mài mòn của dụng cụ mài mòn có cấu trúc vi mô chặt chẽ không dễ rơi ra, điều này có lợi cho việc duy trì hình dạng hình học của dụng cụ mài mòn. Cấu trúc vi mô của dụng cụ mài mòn chỉ được kiểm soát theo công thức của dụng cụ mài mòn trong quá trình sản xuất và thường không được đo lường.