Таблица гритности — как разобраться с понятием зернистости

Введение

Вероятно, вы осведомлены о существовании разнообразных классификаций зернистости абразивных материалов: в Европе используется система FEPA, в Японии — JIS, в России — ГОСТ. Производители придерживаются разных стандартов, что усложняет определение зернистости.

Вопрос на засыпку (попробуйте ответить на него сами или задайте его опытному заточнику, если вы пока не разбираетесь в предмете). Есть алмазная гранула размером 9 мкм. Какова ее зернистость в разных классификациях зернистости?

Скорее всего вы (или ваш визави) откроете одну из многочисленных сводных таблиц, чтобы найти однозначный ответ. И в этом случае ваш ответ будет неверным, вне зависимости от того, какие значения вы назовете. Потому что заданный вопрос просто не имел смысла.

Зернистость во всех существующих классификациях определяет статистический состав абразива как конгломерата огромного количества частиц. С отдельными частицами классификации не работают. Нельзя присвоить зернистость отдельно взятой частице, потому что частица одного размера может входить в совершенно разные фракции абразива. (Частица 9 мкм из нашего примера может входить в 4 фракции по ГОСТ 9206-80, и в целых 8 фракций по JIS!)

Что такое зернистость

Человек всегда будет стремиться свести любую сложную проблему к одному числу, и зернистость – не исключение. Вне всяких сомнений, присвоить любому точильному камню одно единственное число – зернистость – является очень соблазнительной идеей, так как задача сравнения становится тривиальной. Жонглируя значениями зернистости, вы должны отчетливо понимать – что стоит за цифрами. Пользуясь таблицами преобразования – знать фундаментальные недостатки и ограничения каждой классификации.

Основные классификации зернистостей объемных абразивов, которыми пользуются в деле заточки:

• FEPA-F – европейская классификация, которой также пользуются в США
• JIS – японская классификация
• ГОСТ 9206-80 – российская классификация алмазных абразивов
• ГОСТ 3647-80 – российская классификация не-алмазных абразивов

Каждая из этих классификаций дает определение своего набора зернистостей. Зернистость – величина дискретная (не непрерывная). К примеру, FEPA-F дает определение зернистости 800 и 1000, а зернистостей 801 или 900 не существует.

Любой абразив (неважно – твердый, паста или порошок) состоит из громадного числа частиц. В мире пони и бабочек (в котором живут многие маркетологи компаний-производителей) все частицы имеют одинаковый размер. В реальном мире абразивные частицы не могут иметь одинаковый размер, одни будут больше, другие – меньше. Даже если производитель тщательно сортирует абразивные частицы по размеру, всегда будет определенный диапазон размеров. Как классифицировать абразивный порошок, состоящий из миллиарда частиц разного размера?

Классификации вносят элемент порядка в хаотический мир статистики. Зернистость определяется как интегральная функция предельного распределения размера зерен. Поясняющая картинка – зернистость грубых абразивов (макрогриты) в классификации FEPA-F (мы используем логарифмическую шкалу на всех графиках). Большая часть исследуемого абразива должна находиться внутри указанного диапазона. Особо подчеркну – среднее значение размера зерен не совпадает с центром диапазона, а просто находится внутри.

Примерим на себя роль лаборанта, который должен определить зернистость FEPA-F абразивного порошка. Мы последовательно берем пары эталонных сит – крупнозернистое сверху и мелкозернистое снизу. И сыпем порошок сверху. Если большая часть порошка проходит сквозь верхнее сито и застревает в нижнем сите – значит образец удовлетворяет зернистости. При этом возможны три случая:

1. Если абразив плохой (слишком большое распределение размеров зерен), он может вообще не удовлетворять ни одной зернистости.
2. Нормальный абразив удовлетворяет лишь одной зернистости.
3. Сверхкачественный абразив (с узким распределением размера зерен) может удовлетворять двум или более зернистостям. К примеру, зерно 100±5 мкм можно классифицировать одновременно как F 150 и F 120.

И это – общая проблема при пользовании таблиц зернистостей. Зернистость по одной классификации никогда не совпадает с какой-либо зернистостью другой классификации. Если производитель декларирует соответствие бруска какой-либо зернистости, без тщательного лабораторного анализа невозможно определить соответствие бруска зернистости в другой классификации. Можно лишь делать допущения и упрощения.

Что такое фракция

Вы спросите – неужели нарисованные на графике прямоугольники FEPA так сильно отличаются от аналогичных для других классификаций? Все дело в том, что мы сильно упрощаем суть, так как говорим лишь об основной фракции. Основная фракция – это лишь половина абразивных частиц (размер которых ближе всего к среднему значению). Вторая половина (ее называют смежной фракцией) может находиться за пределами описанного диапазона. Смежная фракция может оказывать существенное влияние на чистоту абразива в целом.

Например, абразив J 2500 (JIS) имеет основную фракцию в диапазоне 5-6 мкм, а зерна смежной фракции могут достигать 14 мкм, что почти втрое крупнее. Если вы взглянете на таблицу преобразования в конце статьи, то увидите, что J 2500 соответствует ГОСТ 7/5. Но ГОСТ 9206-80 запрещает наличие крупных зерен смежной фракции. Поэтому транслировать J 2500 в ГОСТ 7/5 по меньшей мере самонадеянно.

Но и это еще не все! Основная фракция – около 50% частиц, смежная – еще около 40%. Остается еще 9-10% частиц, размер которых может выходить за диапазон смежной фракции. Это называется предельной фракцией. К примеру, абразив с зернистостью J 240 имеет основную фракцию 57±3 мкм, а зерна предельной фракции могут достигать размера 127 мкм! И это не какой-то брак, это такой стандарт.

Разумеется, не стоит кидаться в крайности и считать, что раз стандарт допускает разброс, безобразный с точки зрения заточки ножей, то производители этим пользуются и халтурят. Реальные абразивные бруски скорее всего будут иметь адекватное распределение размера зерен. Но не зная этого наверняка, не стоит делать допущений.

FEPA

Пройдемся по основным классификациям.

FEPA (The Federation of the European Producers of Abrasives, http://www.fepa-abrasives.org/) регулирует стандарты абразивов для Европы. Несмотря на наличие своего национального стандарта ANSI, производители США повсеместно используют стандарты FEPA для обозначения зернистости. Актуальные стандарты: 42-1:2006, 42-2:2006 для объемных абразивов и 43-1:2006, 43-2:2006 для поверхностных абразивов. Отсутствуют в свободном доступе.

Исторически сложилось, что значение зернистости объяснялось как количество частиц в единице объема для объемных абразивов. Так как у поверхностных абразивов объема нет, то для них зернистость объяснялась как количество частиц на единице площади. Этот не очень продуманный подход привел к тому, что один и тот же абразив имеет разную зернистость в точильном камне и на наждачной бумаге. Чтобы не путаться, для объемных абразивов используют обозначение «F» (классификацию называют FEPA-F), для поверхностных абразивов – обозначение «P» (FEPA-P).

Каждый из двух стандартов в свою очередь разделяется на два подстандарта: для макрогритов (грубых зернистостей) и микрогритов (мелкодисперсных зернистостей). Они имеют несколько разные требования к составу фракций.

JIS

JIS (Japanese Industrial Standards) регулирует стандарты абразивов Японии. Актуальный стандарт для объемного абразива:  JIS R 6001:1998. Отсутствует в свободном доступе.

В этой статье анализируются только микрогриты для JIS. (Информации по макрогритам JIS не было найдено.)

ГОСТ

ГОСТ регулирует стандарты абразивов РФ и некоторых стран бывшего СССР. Все стандарты ГОСТ есть в свободном доступе.

Актуальные стандарты, регулирующие зернистость:

• ГОСТ 9206-80 для алмазных абразивов
• ГОСТ 3647-80 для не-алмазных абразивов

ГОСТ называет макрогриты шлифзерном и шлифпорошком, микрогриты — микрошлифпорошком.

ГОСТ 9206-80 (для алмазов) используют интуитивно понятное именование зернистостей – в ней указывается диапазон основной фракции. Но в этом скрывается подвох, так как есть еще смежная и предельная фракции (поэтому алмазный порошок 2/1 может включать зерна от 0 до 3 мкм.)

Одна из прелестных черт классификации ГОСТ 9206-80 – это простая система диапазонов для всех фракций: основной, смежной и предельной. Надо лишь запомнить микронную лестницу – последовательность 1 – 2 – 3 – 5 – 7 – 10 – 14 – 20 – 28 – 40 – 60 для микрогритов, и аналогичную для макрогритов. Соседняя пара чисел будет основной фракцией для одноименной зернистости (к примеру 7/5 – основная фракция от 5 до 7 мкм). Смежная фракция – на одну ступеньку вниз (от 3 до 5 мкм). Предельная фракция – еще на одну ступеньку вниз и на одну – вверх (от 7 до 10 мкм, плюс от 2 до 3 мкм).

Для макрогритов смежная фракция – на одну ступеньку вверх и вниз. (Предельной фракции нет.)

В ГОСТ 9206-80 есть еще классификация субмикронных фракций, но мы ее не будем затрагивать в виду малого использования.

Если вы сравните размер полосок основной фракции ГОСТ 9206-80 с FEPA и JIS, вы обратите внимание на их сравнительно большой размер. Но не стоит ругать советский стандарт. В отличии от FEPA и JIS, основная фракция ГОСТ – это от 70% до 80% среднестатистических зерен (в отличии от 50% в FEPA, JIS и даже ГОСТ 3647-80).

ГОСТ 3647-80 (для не-алмазов) использует почти такую же микронную лестницу, но другую систему именования. Для макрогритов зернистость обозначается числом, для микрогритов – числом с индексом «М». При этом разработчики стандарта своеобразным образом «сплавили» макрогриты и микрогриты: зернистость 5 = М63, зернистость 4 = М50 (они полностью эквивалентны за исключением верхней предельной фракции).

Сводный график

Сведем все полученные данные в один график. Вертикальная шкала – размер зерна в логарифмической шкале, на которой горизонтальными линиями отмечены 0, 1, 10 и 100 мкм.

Теперь, приложив немного усилий, вы сможете ответить на некоторые вопросы, которые раньше ставили вас в тупик. Иногда вы видите явное несоответствие каких-либо данных «общепризнанным» таблицам зернистости.

Например, бруски Boride серии Golden Star имеют две маркировки – FEPA-F и JIS. На бруске зернистости F 800 отпечатано «J-1500».

Но если вы посмотрите любую таблицу преобразования, то напротив F 800 будет другая зернистость – J 2000. Boride ошиблись? Если абстрагироваться от дискретных значений в таблице и переключиться на график с диапазонами, то все встает на свои места. Boride делает бруски из отборных зерен, и реальный диапазон может быть очень узким. Легко представить где на графике должны быть зерна Golden Star 800, чтобы удовлетворять условиям F 800 / J 1500.

Нерегулируемые зернистости

Как вы, наверное, догадались, все описанные стандарты создавались с большим запасом. Необработанный песок, который черпает ковшом из карьера экскаватор, наверняка подходит под одну из зернистостей. И тем не менее, очень часто производители абразивов сталкиваются с тем, что их продукт не вписывается ни в одну стандартную зернистость. В этом случае вступают в дело маркетологи! И они начинают изобретать свои собственные зернистости.

Boride изобрела несуществующую зернистость F 900, базируясь на среднем размере зерна. Не исключено, что абразивы с маркировкой F 900 не удовлетворяют стандарту FEPA-F для соседних зернистостей: F 800 и F 1000. Eze-Lap изобрела несуществующую зернистость F 250 для своих грубых алмазов.

JIS заканчивает свое существование на отметке 8000 грит. Но уже начиная с 4000 грит начинается настоящая вакханалия. Производители японских водных камней и примкнувший к ним Norton предлагают собственные «продолжения шкалы JIS». Разумеется, каждый гнет свою линию, не оглядываясь на других. 5000, 10000, 15000, вот уже 30000 грит. Что означает та или иная зернистость в этом диапазоне, могут дать лишь данные о размере зерна.

Таблица зернистости

Если вы прочитали все вышесказанное, вы должны понимать необходимость таблиц преобразования с одной стороны, и огромные ограничения их использования с другой. Подавляющее большинство известных производителей абразивов не пользуются никакими стандартами классификаций вообще, либо отходят от них для некоторых продуктов. Но каждая надпись в приведенной таблице – это не точка, а размытое пятно. Пятно может быть маленьким, может быть большим (в зависимости от строгости отбора зерен для конкретного абразива). Если вы конвертируете одну зернистость в другую, не забывайте произносить слово «примерно».

Таблица разделена на серии с соответствующими заголовками. Вертикальная позиция метки – это средний размер зерна в микронах.

Некоторые колонки включают две серии (для компактности), например, в одной колонке вы найдете шкалу «ASTM Sieve» и серию Chosera. В этом случае метки двух серий различаются цветовым оформлением.

Черно-оранжевые вертикальные полосы демонстрируют удвоение размера зерна. Часто считается, что комплект абразивных брусков должен иметь зернистости с логарифмической прогрессией. Так как наша таблица имеет логарифмическую шкалу, то зернистости в наборе должны быть равноудалены друг от друга.

В некоторых колонках вы увидите метки, выделенные красным цветом. Это отмечены серии, которые не имеют своих отдельных колонок.

Цветные метки соответствуют продуктам, имеющим такой же цвет в реальности, например бруски Chosera и алмазы DMT. Цвет алмазных паст, указанный в колонке «♢ Compound», стал стандартом де факто, ей пользуются компании Advanced Abrasives Corporation, Amplex Superabrasives, BORIDE Engineered Abrasives, Engis®, Norton, PPT Pro Polishing Tools, United States Products Co. Российские алмазные пасты выпускаются в других цветах по требованию ГОСТ.

Фиолетовым цветом отмечены метки, которые были смещены по вертикали для того, чтобы избежать наложения друг на друга. Бруски Shapton 8K и 10K, 15K и 16К были смещены по вертикали на 2%. Micro-Mesh™ MXD 600, 800 и 1200 были смещены на 4.5% (они практически идентичны друг другу по зерну). В одном случае два бруска совпадают по зернистости: Norton Hard Arkansas и Spyderco Fine. Соответствующие метки надо читать как «Spyder Fine» и «Hard Ark», находящиеся в одной колонке в одной точке.

Алюмокерамика Spyderco, Wicked Edge, BRKT, а также арканзасы соответствуют «ожидаемой зернистости», то есть по результатам тестов, а не анализа физической структуры.

Продукты с недоказанной зернистостью отмечены серым цветом.

Для стандартных классификаций использовался средний размер зерна основной фракции.

Для продуктов, использующих средний размер зерна в микронах, использовался этот самый размер.

Один пиксел соответствует изменению размера на 1%. Поскольку из статьи вы знаете, что средняя фракция стандартных классификаций имеет существенно больший разброс, положение меток имеет достаточную точность для сравнения.

В колонке «Other» (другие) вы найдете пункт «Table Salt» (поваренная соль). Это шутка автора таблицы.

Сокращения

• CAMI
• LF
• MFF
• ♢
• BRKT
• DMT
• MM
• Spyder
• μ-Mesh
• Cs
• Md
• Fn
• Ark
• Crys

Чего в таблице нет?

Вы не найдете в таблице ответа на вопрос, какой результат дадут разные абразивы (в частности нет колонки «класс шероховатости»). Разные абразивы одинаковой зернистости могут давать кардинально разный результат. Класс шероховатости не коррелируется с размером частиц. Класс шероховатости – чрезмерно вариабельная величина, на которую оказывают сильное влияние такие факторы как химическая композиция абразива, его хрупкость, острота и сфероподобие частиц, разброс размеров, характеристики связки, химический состав и твердость обрабатываемого металла, давление и скорость работы.

Как оценивать по Центильным таблицам?

Центильные таблицы используются для оценки распределения данных. Центили — это значения, разделяющие упорядоченные данные на равные доли. Например, медиана — это значение, которое разделяет данные на две равные части. Таким образом, если мы говорим о 75-м центиле, то мы говорим о значении, которое разделяет данные на 75% и 25%.

Для оценки по Центильным таблицам необходимо выполнить следующие шаги:

1. Отсортировать данные по возрастанию или убыванию.
2. Вычислить количество наблюдений в выборке.
3. Найти центили, соответствующие нужному процентному значению. Например, для нахождения 75-го центиля нужно найти значение, которое будет разделять данные на 75% и 25%.
4. Интерпретировать результаты.

Центильные таблицы используются в различных областях, включая статистику, экономику, финансы и т.д. Они позволяют оценивать распределение данных и проводить различные анализы на основе этих оценок.