|
|
Шлифовка стекла долгое время оставалась
технологией чисто эмпирической, лишенной обобщающего и глубокого
теоретического обоснования. Только в 1921 —1922 гг. Preston опубликовал
результаты своих экспериментальных исследований, положивших +1 л чал о научному
обоснованию этого процесса. Чтобы лучше понять сложный процесс шлифовки, оп
разделил его на несколько отдельных фаз и изучил каждую фазу путем
моделирования.
Первым элементарным процессом является статическое
воздействие нагруженного твердого шарика на полированную -поверхность стекла.
При этом на стекле образуется кольцевая трещинка, направленная в глубь стекла
и конически расширяющаяся. При увеличении давления образуется контактный
кружок, и стекло вблизи контактной зоны ломается, когда это давление
достигает определенной величины.
Несколько иначе действует нагруженный шарик, если о л
скользит по поверхности стекла. Это движение осуществляется, например, иглой,
острие которой имеет небольшой радиус н образует полушарие. Если давление па
шарик достаточно велико, R стекле образуется ряд дугообразно изогнутых трещин
^ форме неправильных гиперболических поверхностей, проникающих л глубь
стекла. Эти «цепные трещины» чапто сопровождаются каскадными трещинами,
расположенными по обе стороны цепных. Иногда каскадные трещины вовсе не
образуются или образуются без средних цепных трещин. Полукружия цепочки
обращены вогнутой стороной к направлению движения. Ширина царапины, наносимой
нагруженным шариком, не может быть меньше определенного критического предела;
практически он равен диаметру начального круга трещинки при спокойной
нагрузке неподвижного шарика. При повышении давления па шарик ширина царапины
увеличивается совсем незначительно, гораздо больше меняется общий вид
царапины, У нижней критической границы давления взаимное расстояние между отдельными
дугами цеп if уменьшается н каскадные трещины принимают изогнутую форму.
Отношение ширины царапин к глубине цепных трещин у нижней
критической границы нагрузки шарика приблизительно равно G. При уменьшении
давления это соотношение может увеличиться до, однако при еще большей
нагрузке шарика стекло начинает расщепляться и ломаться, а типичная форма
трещины вовсе исчезает.
Совершенно иной характер имеет возникающая трещина при
прокатывай и и нагруженного шарика по полированной поверхности стекла. Здесь
также образуется ряд цепных трещин, однако дуги цепи расположены вогнутой
стороной против направления движения шарика. Если давление значительно выше
критического, образуются продольные трещины, которые проникают ii стекло
вертикально. Каскадные трещины менее развиты и обычно их можно увидеть только
после протравки поверхности.
Еще один тип элементарного процесса, протекающего при
шлифовке стекла, можно представить себе в виде разрез а стекла алмазным
острием. По пути резания под поверхностью стекла образуется трещина,
направленная вглубь; она снижает прочность стекла и позволяет сломать его по
линии надреза.
Все эти элементарные процессы имеют место при шлифовке
стекла свободными абразивными зернами. Из бесчисленного количества зерен, двигающихся
по поверхности стекла, некоторая часть откатывается, иные задерживаются на
нижней поверхности шлифовалышка, другие, раздвигая скопления соседних зерен,
скользят по поверхности. Острые зерна разрезают стекло подобно алмазному
острию, полукруглые частицы действуют как металлические шарики. Это
кинетическое и статическое воздействие шлифовальных зерен протекает
одновременно ЕЮ В^сх основных формах и создаст в месте шлифовки систему
поверхностных и подповерхностных повреждений, нарушающих целостность стекла.
При последующей шлифовке :<срна снимают с нарушенной поверхности стекла
мелкие обломки и создают характерную матовую поверхность. Абразив действует,
таким образом, в двух направлениях; механически разрушает поверхностный и
подповерхностный слои стекла, снижая их сцепление, и снимает мелкие кусочки
стекла с разрушенного слоя, придавая ему тем самым шероховатость.
Микроскопическое исследование шлифующего действия
отдельных зерен показывает, какие следы оставляет зерно на поверхности и под
поверхностью первоначально гладкого стекля. На поверхности образуются выступы
и выколки, создающие своеобразный рельеф, под которыми простираются бороздки
и трещины, направленные в глубь стеклянной массы. Как видно из 4,
размеры микронеровностей в рельефном слое больше, чем длина волны видимого
света. Свет на этих ми кроне ровностях рассеивается, и поверхность
шлифованного стекла становится матовой и непрозрачной.
Из сказанного ясно, что действие абразива не
ограничивается разрушением поверхностного слоя, но простирается и в глубь
стекла, в его массу. Кроме видимого рельефного слоя, при шлифовке создается
подповерхностный слой трещин — «трещиноватый слой», который располагается
ниже рельефного слоя, но он в три раза толще его. Как в рельефном, гак и
в трещиноватом слое целостность стекла нарушена, поэтому
оба эти слоя называют иногда «разрушенным слоем».
Это относится только к круглым зернам, которые
одновременно соприкасаются как со стеклом, так и со шлифовальни ком и
передают на обрабатываемое стекло давление с подкладочного или прижимного
инструмента. Каждое из этих зерен может передавать только такую часть общего
давления, которая не превышает его собственного предела прочности. Как только
этот предел будет превышен, абразивное зерно раздавливается и распадается на
меньшие части, которые уже не передают никакой нагрузки и свободно
передвигаются между большими рабочими зернами, не производя полезной работы.
Дробление абразивных зерен протекает параллельно с пронесло
При шлифовке свободным абразивом работают тс шлифовальные
зерна, которые находятся между обрабатываемым стеклом и шлифовальнмком.
Разная скорость вращения стекла и шлифовалъника заставляет их двигаться по
поверхности шлифуемого стекла с большой скоростью. При этом неко
сом шлифовки и cm интенсивность зависит от хрупкости
абразива л давления шлифовальщика.
Шлнфовальннк прижимает зерна абразива к шлифуемому стеклу.
Они или прилегают к стеклу сверху, как при шлифовке листового стекла, или
образуют подкладку, как при горизонтальной шлифовке оптического стекла.
Свойства инструмента и прежде всего его твердость оказывают большое влияние
на процесс н его окончательный эффект.
Шлифовка связанным абразивом производится инструментом,
образованным соединением большого количества абразивных зерен. Будь то лента
или шлифовальный круг, рабочая поверхность всегда состоит из массы
ориентированных острых зерен, режущие грани которых приходят в
соприкосновение со шлифуемым стеклом. Шлифовальное зерно имеет вид
неправильного многогранника, рабочая часть Которого выступает из связующего
вещества и имеет вид четырехгранной пирамиды. Угол при вершине этой пирамиды
обычно* приближаете» к его вершина никогда не бывает абсолютно острой, но
всегда несколько закруглена. Радиус кривизны р зависит от вида абразива и его
зернистости. Длп^искусственного корунда с номером зернистости 24 он будет в
пределах 8—14 мк, тогда как в кристаллах карбида кремния той же зернистости
вершина кристалла острая; ее радиус кривизны р составляет б—12 мк. Чем
б&тьше зерно, тем больше и кривизна его острия. Форма зерен в рабочей
поверхности шлифовальнлка обусловливает его шероховатость, от которой, в свою
очередь, зависит эффективность шлифовки. Поверхность инструмента будет
шероховатой в том случае, если она состоит из острых абразивны х частиц. При
работе таким инструментом связанные зерна действуют на стекло подобно
алмазному острию. Такая шлифовка гораздо эффективнее, чем работа с
притуплённым шли- фовальннком, закругленные зерна которого скользят по
поверхности стскла, оставляя на нем относительно меньшие повреждения. Часто
происходит перекатывание зерен абразива; это бывает н тех случаях, ко да
какое-ли'бо зерно выкрашивается из поверхности шлнфовальника. Различное
воздействие связанного и свободного абразивов отражается и на микроструктуре
шлифованной -поверхности
Поверхность, обработанная свободным абразивом, отличается
равномерной шероховатостью, тогда как стекло, шлифованное шлифовальным кругом
связанного абразива, имеет явные следы обработки, направленные в одну
сторону.
Шероховатость такой поверхности не будет всюду одинаковой:
в направлении обработки она меньше, чем перпендикулярно к нему.
Связанный абразив отличается от свободного также тем, что
его шлифовальная эффективность не всегда одинакова. Лучше всего связанный
абразив шлифует тогда, когда его поверхность шероховата. В этом случае
преобладает режущее действие острых зерен, и сошлнфовка стекла происходит
очень быстро. Однако шлифующие зерна в процессе работы притупляются,
поверхностная шероховатость инструмента уменьшается, и закругленные шлифующие
частицы в основном скользят не] стеклу. Тупой инструмент менее эффективен и
снимает стекло значительно медленнее.
Такое снижение шлифовальной эффективности связанного
инструмента происходит тем быстрее, чем более прочна связка зерен абразива.
Круги литого строения и очень твердые притупляются быстрее, чем инструмент
пористый и мягкий, из которого зерна выкрашиваются; поэтому рабочую
поверхность твердых кругов приходится часто заострять.
Шлифовочная жидкость выполняет важную механическую
функцию: она вымывает продукты шлифовки и отводит тепло, образованное
трением. Кроме того, она оказывает и физико- химическое воздействие и может
ускорить или замедлить процесс шлифовки. Чаще всего шлифовку производят С
подачей воды; при применении других жидкостей сошлифовка стекла меняется.
Влияние различных шлифовальных жидкостей па со- шлифовку разных типов стекла
приведено в табл. 4. Из таблицы -видно, что водная суспензия шлифовочного
порошка обеопочивает максимальную сошлифовку при шлифовке стекол сложного
состава, тогда как на кварцевое стекло наиболее эффективно действует
суспензия абразива в скипидаре.
Физико-химическое воздействие шлифовальной жидкости
сказывается па механической прочности шлифуемого стекла. проникает в
микроскопические трещины и вы колки и выбывает в них гидролитическое
набухание, которое облегчает выкрашивание обломков стекла. Кроме того, в
дефектных местах поврежденного слон создается под воздействием молекулярных
сил, тонкая жидкостная пленка, которая обладает иными свойствами, чем
маточный раствор. Прежде всего она имеет большую упругость, что приближает ее
к твердым телам. Этот слой, называемый сольватным, вызывает расклинивание
микроскопических трещи и и тем самым ускоряет диспергирование шлифуемого
стекла. Измерение показало, что в стекле сложного состава наибольший
сольватпый слой создастся водой, а на кварцевом стекле — скипидаром.
Из сказанного вытекает, что применение воды как
шлифовальной жидкости вполне оправдано, так как вода, кроме своего
механического воздействия, снижает прочность поврежденного слоя и тем самым
помогает сошлнфовке стекла.
|