פיתוח ויישום של כלי שיוף וכלי שחיקה

כלים שוחקים הם כלים המשמשים לטחינה, ליטוש והברקה. רוב הכלים השוחקים הם כלים מלאכותיים העשויים מחומרים שוחקים ומקלסרים, ויש גם כלי שיוף טבעיים המעובדים ישירות ממינרלים טבעיים. בנוסף לשימוש נרחב בייצור מכונות ותעשיות עיבוד מתכות אחרות, כלים שוחקים משמשים גם בעיבוד מזון, תעשיית ייצור נייר ועיבוד של חומרים לא מתכתיים כגון קרמיקה, זכוכית, אבן, פלסטיק, גומי ועץ. במהלך השימוש בכלים שוחקים, כאשר גרגירי השוחקים בוטים, עקב פיצול חלקי של גרגרי השוחקים עצמם או שבירה של הקלסר, הגרגירים השוחקים נושרים חלקית או מלאה מהכלי השוחק, והחומר השוחק על משטח העבודה של הכלי. כלי שוחק מופיע ללא הרף קצוות חיתוך חדשים, או חושף ללא הרף גרגרי שוחקים חדים חדשים, כך שה כלי שוחק יכול לשמור על ביצועי חיתוך לפרק זמן מסוים. תכונה זו של השחזה עצמית של כלים שוחקים היא תכונה בולטת של כלים שוחקים בהשוואה לכלי חיתוך כלליים.

כבר בתקופת הניאוליתית, בני האדם כבר החלו להשתמש באבני שחיקה טבעיות לעיבוד סכיני אבן, גרזני אבן, כלי עצם, כלי קרניים וכלי שיניים. בשנת 1872 הופיעו בארצות הברית גלגלי שחיקה מקרמיקה העשויים מחומרי שיוף טבעיים וחמר. בסביבות שנת 1900 נוצרו חומרי שיוף מלאכותיים, ויוצרו בזה אחר זה כלי שחיקה שונים העשויים משחיקה מלאכותית, שיצרו תנאים לפיתוח מהיר של מכונות השחזה והשחזה. מאז, שיעור כלי השחזה הטבעיים בכלי השחזה ירד בהדרגה.

חומרים שוחקים מסווגים לשתי קטגוריות לפי מקורות חומר הגלם שלהם: שוחקים טבעיים וחומרי שוחקים מלאכותיים. חומר השוחקים הטבעי היחיד הנפוץ בתעשיית המכונות הוא אבן שמן. חומרי שוחקים מלאכותיים מסווגים לחמש קטגוריות על פי צורותיהם הבסיסיות ומאפיינים המבניים: גלגלי שחיקה, ראשי שחיקה, אבני שמן, אריחי חול (המכונה ביחד חומרי שוחקים מלוכדים) וחומרי שיוף מצופים. בנוסף, נהוג לסווג גם חומרי שוחקים כסוג של שוחקים.

ניתן לחלק חומרי שוחקים מלוכדים לחומרי שוחקים מלוכדים נפוצים ולחומרי שוחקים מלוכדים שוחקים קשים במיוחד לפי החומרים המשמשים. הראשון עשוי מחומרי שוחקים נפוצים כגון קורונדום וסיליקון קרביד, בעוד האחרון עשוי מחומרי שוחקים קשים במיוחד כגון יהלום ובורון ניטריד מעוקב. בנוסף, ישנם כמה זנים מיוחדים, כמו חומרי שיוף קורונדום סינטרים.

חומרים שוחקים מלוכדים רגילים הם חומרים שוחקים הנלכדים על ידי קלסר ליצירת צורה מסוימת ובעל חוזק מסוים. בדרך כלל הם מורכבים מחומרים שוחקים, קלסרים ונקבוביות, אשר נקראים לעתים קרובות שלושת האלמנטים של חומרים שוחקים מלוכדים.

חומרים שוחקים ממלאים תפקיד חיתוך בכלי השחזה. הקלסר הוא החומר שמגבש את החומר השוחק הרופף לתוך כלי השחזה. ישנם שני סוגים: אנאורגניים ואורגניים. קלסרים אנאורגניים כוללים קרמיקה, מגנזיה ונתרן סיליקט וכו'; קלסרים אורגניים כוללים שרפים, גומי ושלאק וכו'. ביניהם, קרמיקה, שרפים וקלסרי גומי הם הנפוצים ביותר בשימוש.

במהלך הטחינה, הנקבוביות יכולות להכיל ולהסיר את השבבים, ויכולות להכיל גם נוזל קירור, שעוזר לפיזור חום הטחינה. כדי לעמוד בדרישות עיבוד מיוחדות מסוימות, ניתן להספיג את הנקבוביות בחומרי מילוי מסוימים, כגון גופרית ופרפין, כדי לשפר את הביצועים של הכלי השוחק. חומר מילוי זה נקרא גם האלמנט הרביעי של הכלי השוחק.

הפריטים המציינים את המאפיינים של כלים שוחקים מלוכדים רגילים כוללים: צורה, גודל חומר שוחק, גודל חלקיקים, קשיות, מבנה, גיבוי, דבק גיבוי וחומר מליטה. קשיותם של כלים שוחקים מתייחסת לקושי של נפילת גרגירים שוחקים מפני השטח של כלים שוחקים תחת פעולת כוח חיצוני, המשקף את כוחו של חומר מליטה להחזיק גרגירים שוחקים.

קשיות הכלי השוחק תלויה בעיקר בכמות הקלסר שנוספה ובצפיפות הכלי השוחק. אם החלקיקים השוחקים נושרים בקלות, זה אומר שלכלי השוחק יש קשיות נמוכה; אחרת, זה אומר שהקשיות גבוהה. רמת הקשיות מחולקת בדרך כלל לשבע רמות עיקריות: סופר רך, רך, בינוני רך, בינוני, בינוני קשה, קשה וסופר קשה. ניתן לחלק את הרמות הללו למספר רמות קטנות. השיטות למדידת קשיות של כלים שוחקים הן שיטת קונוס יד, שיטת חרוט מכאני, שיטת בודק קשיות Rockwell ושיטת בודק קשיות התזת חול.

לקשיות כלי ההשחזה יש קשר תואם עם מודול האלסטי הדינמי שלו, דבר המתאים לשימוש בשיטת השמע למדידת מודול האלסטי הדינמי של כלי השחזה כדי לבטא את הקשיות של כלי השחזה. בתהליך השחזה, אם קשיות החומר של חומר העבודה גבוהה, בדרך כלל נבחר כלי שחיקה עם קשיות נמוכה; אחרת, כלי שחיקה עם קשיות גבוהה נבחר.

ניתן לחלק באופן גס את המבנה המיקרו של כלים שוחקים לשלוש קטגוריות: הדוקים, בינוניים ורופפים. כל קטגוריה ניתנת לחלוקה נוספת למספר רמות, אשר נבדלות על ידי מספרי מיקרו-מבנה. ככל שמספר המיקרו-מבנה של הכלי השוחק גדול יותר, כך אחוז הנפח של החומר השוחק בכלי השוחק קטן יותר, כך הפער בין גרגירי השוחקים גדול יותר והמיקרו-מבנה משוחרר יותר. לעומת זאת, ככל שמספר המיקרו-מבנה קטן יותר, המיקרו-מבנה הדוק יותר. כלים שוחקים עם מיקרו מבנים רופפים אינם קלים לפאסיביות במהלך השימוש, מייצרים פחות חום במהלך תהליך ההשחזה, ויכולים להפחית את עיוות החום והצריבות של חומר העבודה. גרגירים שוחקים של כלים שוחקים עם מיקרו-מבנים הדוקים אינם קלים ליפול, מה שמסייע לשמירה על הצורה הגיאומטרית של הכלי השוחק. מבנה המיקרו של הכלי השוחק נשלט רק על פי נוסחת הכלי השוחק במהלך הייצור ובדרך כלל אינו נמדד.