Структура шлифовальных инструментов складывается из трех составляющих - зерен, связки и пор, причем ведущую роль среди них играют зерна. Именно на них возлагается основная задача по срезанию металла, связка и поры лишь содействуют выполнению этой задачи. Между тем, если сравнить режущий клин лезвийных инструментов (резцов, фрез, сверл и др. инструментов), с режущими микроклиньями зерен в шлифовальных инструментах (кругах, брусках, головках, шкурках и др.),то следует признать, что в последних процесс резания протекает в весьма неблагоприятных условиях. Это предопределяется тем, что зерна, в отличие, например, от резцов, имеют произвольную форму, колеблющуюся от изометрической до иглообразной разновидностей, и хаотичное расположение в теле инструмента. Как следствие, они приобретают произвольную и, в большинстве случаев, неблагоприятную для резания геометрию. В самом деле, режущий клин резца (и других лезвийных инструментов) затачивается с высокой точностью порядка ± 0,5÷1,0º в соответствии с рекомендациями для данного случая обработки и обрабатываемого материла. Выход, по каким-либо причинам, за пределы рекомендуемой геометрии приводит к резкому возрастанию деформаций в зоне резания и, вслед за этим, к повышению температуры резания, износа инструмента и шероховатости обрабатываемой поверхности.
Режущий микроклин любого зерна никто специально не формирует - он получается, как результат конкретного сочетания формы зерна и его расположения на рабочей поверхности инструмента. Так, для зерен с изометрической формой передний угол будет иметь преимущественно отрицательные значения, независимо от положения в теле инструмента, в связи с их приблизительной симметричностью по всем трем координатам. Такие зерна будут срезать микростружку, но с довольно существенным уровнем деформаций. Зерна осколочные, пластинчатые и иглообразные будут срезать металл только тогда, когда их форма и ориентация на рабочей поверхности сформируют благоприятные углы резания. Например, плоские и иглообразные зерна, расположенные параллельно к обрабатываемой поверхности, вообще резать не будут, вызывая лишь деформацию и нагрев металла.
Таких зерен, вносящих минимальный, нулевой или даже отрицательный вклад в интегральный результат процесса шлифования всеми зернами данного инструмента, довольно много. Исследования и подсчеты в этом направлении показывают, что число данных зерен может достигать 80-90 % от общей суммы всех зерен. Все это наводит на мысль, о необходимости обращения более пристального и адекватного внимания к проблеме формы и ориентации зерен.
На кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» КузГТУ более 15 лет проводятся исследования в рамках обозначенной проблематики, как результат понимания ее важности и актуальности для повышения эксплуатационных возможностей шлифовальных инструментов и повышения эффективности процесса шлифования в целом. Формальным итогом исследований на сегодняшний день является опубликование порядка 80 научных статей, 3-х монографий, получения 10-ти патентов на изобретения РФ, защита 3-х кандидатских диссертаций. Что касается самих шлифовальных инструментов, то здесь за истекший период удалось создать принципиально новые конструкции шлифовальных кругов на керамической связке, отрезных и обдирочных кругов на бакелитовой связке, лепестковых кругов и шлифовальных лент на тканевой основе. Перечисленные инструменты, по сравнению со стандартными, имеют ряд преимуществ, в числе которых: повышенная режущая способность, пониженный размерный износ, более низкая шероховатость обрабатываемых поверхностей. Количественно преимущества выражаются в цифрах от десятков процентов до нескольких раз, в зависимости от рассматриваемого выходного параметра, разновидности шлифовального инструмента и схемы шлифования.
Упорядочения формы зерен, используемых при изготовлении шлифовальных инструментов, удалось достичь путем сортировки массы обычного свободного абразива на специальных сепараторах и выделения фракций зерен с заданной формой. Для ориентации зерен в нужном направлении использовались электростатические установки. Другие технологические операции, выполняемые при производстве шлифовальных инструментов, оставались без изменений.
Упомянутые экспериментальные шлифовальные инструменты успешно прошли производственные испытания и внедрены на ряде машиностроительных заводов.
В настоящее время на каф. «МСиИ» КузГТУ ведутся разработки второго возможного направления по упорядочению формы шлифовальных зерен - это не сепарация массы обычного абразива, а непосредственное формирование зерен с заданной формой. Полученные к настоящему моменту данные еще раз подтверждают исходную мысль о важности факторов формы и ориентации зерен и говорят о том, что и в этом направлении может быть достигнут положительный результат.
Таким образом, подходя рационально и дифференцированно к проблеме выбора и упорядочения формы и ориентации шлифовальных зерен, можно существенно повысить работоспособность шлифовальных инструментов, изготавливаемых из них.