Наждачная бумага и покрытые абразивы: промышленные и бытовые решения

История

Хотя наиболее знакомые типы покрытых абразивов — это отдельные листы наждачной бумаги, которыми домашние мастера готовят мебель или поделки к покраске, термин «покрытые абразивы» на самом деле охватывает гораздо более широкий ассортимент продуктов как для индивидуального, так и для промышленного использования. Принимая множество форм, все они по сути представляют собой единственный слой абразивного зерна, прикрепленного к гибкой основе. Помимо наиболее известной формы, наждачная бумага доступна потребителям также в виде лент, рулонов и дисков. Однако крупнейшими пользователями покрытых абразивов являются производители, применяющие крупномасштабные абразивы на различных стадиях промышленного производства. Например, покрытые абразивы критичны как в мебельной, так и в автомобильной промышленности.

Покрытые абразивы датируются тринадцатым веком, когда китайцы использовали расколотые раковины и семена, склеенные натуральным клеем на пергамент. К 1769 году покрытый абразивный бумагу продавали на улицах Парижа. Статья 1808 года описывает процесс изготовления покрытых абразивов, а в 1835 году в США выдан патент на станок для их производства.

Не всегда будучи высокоуниверсальным инструментом, покрытые абразивы изначально ограничивались финишными операциями: полировкой или подготовкой поверхностей к покраске или напылению. Благодаря улучшению прочности основ и свойств абразивных минералов, покрытые абразивы теперь могут использоваться для тяжелых применений. Сегодня промышленное применение варьируется от ручной полировки листами покрытого абразива до шлифовки стали крупными станками с 300-л.с. электродвигателями, вращающими ленты шириной в несколько футов.

В настоящее время около сорока компаний производят или импортируют джумбо-рулоны в США. Размер отрасли ограничен, так как она требует существенных инвестиций в оборудование, сырье, энергию и труд. Большее количество компаний конвертируют джумбо-рулоны в пригодные продукты, такие как диски и ленты.

Сырье

Название «наждачная бумага» — на самом деле ошибка, так как большинство покрытых абразивных продуктов содержат ни песок, ни бумагу. Обычно они состоят из абразивного минерала (органического или синтетического), гибких основ и клеев. Другие материалы могут добавляться для специальных применений. Большинство компаний, производящих джумбо-рулоны покрытых абразивов, закупают минералы и материалы основ у независимых компаний, специализирующихся на их изготовлении. Натуральные минералы приходят от горнодобывающих и перерабатывающих компаний, синтетические — от компаний, специализирующихся на огнеупорных материалах, а большинство основ — от ткацких фабрик.

Абразивное зерно, ключевая часть покрытых абразивных продуктов, может быть натуральным или синтетическим минералом. Благодаря экстремальной твердости натуральные минералы вроде граната или эмери (корунд с примесями железа) находят ограниченное применение в продуктах для деревообработки, в то время как крокус (природный оксид железа) ограничен использованием как полировальный агент из-за мягкости. Однако такие натуральные минералы составляют менее одного процента рынка абразивов. Металлообработка требует исключительно синтетических минералов, так как они обеспечивают стабильное качество и могут быть специально изготовлены с вытянутой структурой, хорошо связывающейся с гибкими основами.

Применение конкретного покрытого абразивного продукта определяет минерал, который будет в нем использоваться. Оксид алюминия — самый распространенный абразив, за ним следует карбид кремния. Поскольку карбид кремния тверже и острее, он используется для стекла и других неметаллических материалов. Оксид алюминия, более вязкий абразив, применяется в металлообработке, где встречаются высокие нагрузки. Минералы, содержащие цирконий-алюминий и алюмину, обычно используются там, где нужны экстремально жесткие абразивы, например в литейных цехах. Дорогие и экстремально твердые минералы вроде алмаза или кубического нитрида бора ограничены специальными полировочными процессами.

Размеры абразивных зерен варьируются от мелких частиц, похожих на муку (2000 зерен), до крупных, напоминающих гранулированный сахар (60 зерен). Мелкие зерна используются для финишной обработки поверхностей, крупные — для формовки и удаления материала. Недавние разработки по созданию равномерных и экстремально мелких абразивов с частицами размером с воздушные частицы в дыму создали применения в тонкой полировке, известной как суперфинишинг . Другие улучшения включают запатентованную технологию кластеризации мелких минералов в маленькие полые сферы или конгломераты размером с обычные зерна. Такие уточнения улучшили режущую способность и продлили срок службы покрытых абразивных продуктов.

Основа — гибкая платформа, к которой прикреплен абразивный минерал. Развитие покрытых абразивов как универсального производственного инструмента частично приписывается улучшению материалов основ. Без прочной и гибкой основы покрытые абразивы не выжили бы при грубом обращении или воздействии жидкостей, часто используемых как шлифовальные вспомогательные средства.

Основы бывают четырех базовых материалов, каждый с уникальными атрибутами. Бумага — самый легкий и слабый материал основ. Хотя отсутствие прочности ограничивает полезность бумаги для ручных применений, её гибкость делает идеальной для применений, где покрытый абразив должен точно повторять контур детали. Оценка по шкале, растущей с физическим весом пачки, бумажные основы имеют весовые категории от A до F. Если не специально обработана, бумага не может использоваться с водой или другими жидкостями.

Основы из сплетенных волокон идут в последовательно более тяжелых обозначениях J, X, Y, M и H и обычно делаются из хлопка, полиэстера или вискозы. Узор плетения основы варьируется от волокон, сплетенных под 90 градусов, до волокон, наложенных под 90 градусов и сшитых вместе. Реже используемый узор в виде сетки или экрана применяется для основ материалов, нужных во влажных, низконапорных применениях. Волокнистые основы делаются из множества слоев смолопропитанных тканевых волокон, используемых в некоторых сухих, высоконапорных применениях. Пленочные основы, недавнее развитие, улучшили эффективность покрытых абразивов в точной финишной обработке. Равномерно толстые синтетические пленки могут использоваться со специальными микронными минералами для получения высокорефлексивной финишной обработки и точных размеров деталей.

Связующее или клей наносится на основу в двух слоях, каждый из которых служит разной цели. Первый слой клея, называемый мейк-коут , удерживает абразивный минерал на основе. После нанесения первого слоя клея и зерна наносят второй клей, сайз-коут , в различной толщине в зависимости от типа производимого продукта. Тонкий слой сайз-коута оставляет больше абразивного минерала открытым, давая продукт, который режет агрессивнее. Более толстые слои сайз-коута, закрывающие больше минерала, создают продукт, режущий менее агрессивно, но дающий более тонкую финишную обработку.

Производственный процесс

Нанесение мейк-коута на основу 1

• 1 Типичная шлифовальная лента начинается с производства большого рулона покрытого абразива с основой из хлопковой ткани веса «X», 100 зерен оксида алюминия и смоляной связкой. Производство начинается, когда мейк-коут наносят на одну сторону материала основы.

Термин «наждачная бумага» — ошибка, так как большинство покрытых абразивов не содержат ни песка, ни бумаги. Вместо этого типичный покрытый абразив содержит основу из хлопка, полиэстера или вискозы, с начальным слоем клея — мейк-коутом — нанесенным на него. Абразивные зерна затем наносят электростатическим осаждением, при котором зернам придают электрический заряд. Наконец, наносят еще один слой клея — сайз-коут.

Нанесение абразива на мейк-коут

• 2 Следующий этап, нанесение абразивного минерала, самый важный в производственном процессе, так как он определяет ориентацию и плотность минерала. Раньше основа с первым слоем клея проходила под контролируемым потоком абразива, наносящим тонкий слой случайно ориентированного зерна. Сегодня основу проводят, клеевой стороной вниз, над ванной с абразивами, заряженными электростатически — получившими заряд, противоположный основе. Противоположный заряд заставляет абразив равномерно прилипать к основе, создавая очень острый, быстрорежущий покрытый абразивный инструмент с максимально возможным сроком службы.
• 3 Контроль плотности минерала на гибкой основе порождает две важные вариации дизайна продукта: открытые и закрытые покрытые абразивы. Открытый продукт содержит абразивные зерна, покрывающие 50–70% площади основы. Эта более низкая плотность позволяет готовому продукту быть гибким и предотвращает забивание или набивание частицами обрабатываемого материала. В закрытых продуктах минерал покрывает 100% доступной площади, делая готовые продукты лучше для финишных применений и более устойчивыми к грубому обращению, чем открытые.

Нанесение сайз-коута

• 4 После впрессования зерна в мейк-коут рулон сушат и перемещают для нанесения сайз-коута. После нанесения сайз-коута рулон сушат снова и выдерживают при тщательно контролируемых температуре и влажности. Наждачная бумага может принимать любые размеры и формы и использоваться для множества применений, от обычного ручного листа, показанного здесь, до огромных станков с 300-л.с. электродвигателями, вращающими ленты шириной в несколько футов. Готовый продукт затем навивают на большой барабан и отправляют компаниям, которые конвертируют его в шлифовальные ленты или другие изделия.
• 5 Дополнительные материалы и процессы могут включаться для придания конвертированному продукту специальных характеристик. Одно такое 처ение — добавление шлифовального вспомогательного средства в сайз-коут, улучшающее шлифовку некоторых металлов в высоконапорных применениях. Другое — нанесение давлением-чувствительного клея на неабразивную сторону основы для изготовления некоторых типов шлифовальных дисков. Материал также может добавляться для уменьшения статического электричества, возникающего при использовании ленты на дереве. Прогон рулона через два близко расположенных стальных вала в процессе, называемом сатинирование , сминает выступающие минералы и оставляет продукт с равномерной толщиной, предназначенный для тонких финишных применений.

Гибкий рулон

• 6 Прежде чем покрытый абразивный рулон конвертируется в ленту или другой продукт, его систематически сгибают или изгибают, чтобы разорвать непрерывный слой клеевой связи. Эта гибкость необходима, потому что свежепроизведенный рулон настолько жесток, что иначе не работал бы должным образом при конвертации в другие продукты. Гибкость может применяться в одном направлении или в нескольких. Однонаправленное изгибание разрывает связь обычно под 90 градусов к краю рулона. Для специальных применений, где лента должна точно соответствовать контурам поверхности детали, однонаправленное изгибание применяют вдоль линий, параллельных бокам ленты. Множественное изгибание разрывает связь под 45 градусов к бокам ленты в крестообразном узоре или в комбинации направлений 90 и 45 градусов. Хотя последнее дает очень гибкую ленту, такое изгибание сильно сокращает срок службы продукта.

Конвертация

• 7 Конвертация рулонного материала в абразивные ленты начинается с резки полос покрытых абразивов до нужной ширины. Каждую полосу затем режут до нужной длины, и концы соединяют вместе. Шов в обычных лентах — это наложенный шов под 45 градусов. Узкие ленты шовут под более острым углом, широкие — под более тупым. Различные техники шва можно применять в зависимости от важности изменений толщины ленты на срезе и нагрузок, которые лента получит в использовании. Обычная практика подготовки шва для соединения — скивинг , процесс, удаляющий слой абразива или основы с концов ленты. Для минимизации толщины швов в продуктах для финишных применений обе نهاточки скивят. Крупнозернистые продукты, используемые для менее точных применений, скивят на одном конце только. Конвертация других продуктов идет аналогично. Например, шлифовальные диски начинаются с соответствующего участка рулонного материала, и станок выбивает отдельные диски с центральным отверстием.

Контроль качества

Качество покрытых абразивных продуктов контролируется различными государственными и добровольными стандартами, установленными торговыми организациями в абразивной отрасли. Эти стандарты в первую очередь касаются безопасности и согласованной градации и идентификации продуктов. Стандарты безопасности находятся в публикации ANSI B7.7, стандарты размера зерна и идентификации — в ANSI B74.18.

Будущее

Покрытые абразивы продолжат оставаться надежными и полезными инструментами для потребителя и производственной отрасли, хотя изменения в использовании некоторых продуктов вероятны. Например, по мере улучшения и лучшего признания неволокнистых абразивных продуктов, они могут заменить некоторые покрытые абразивы. Продолжающееся развитие минералов и основ улучшит характеристики существующих покрытых абразивных продуктов. Новые пленочные основы и ультрамелкие абразивные минералы откроют новые подходы к высокорефлексивным и точным финишам. Также покрытые абразивы будут чаще использоваться с автоматизированным оборудованием по мере улучшения дизайнов и появления лучших систем компьютерного управления.