способ изготовления шлифовальных кругов с высокой проницаемостью

Формула изобретения

1. Способ изготовления абразивного изделия с сообщающейся пористостью, составляющей по объему ориентировочно от 55 до 80%, содержащего абразивное зерно и связующее вещество в количествах, необходимых для эффективного шлифования, отличающийся тем, что в процессе изготовления изделия составляют смесь, содержащую удлиненное абразивное зерно, имеющее отношение длины зерна к диаметру поперечного сечения, равное, по меньшей мере, 5 : 1, и остеклованное связующее вещество для образования абразивной смеси, прессуют абразивную смесь в форме для образования сырого абразивного изделия и производят обжиг сырого абразивного изделия при температуре от 600 до 1300^oC при условиях, эффективных для отверждения сырого абразивного изделия и образования готового абразивного изделия, причем обжиг осуществляют в течение промежутка времени, который составляет, по меньшей мере, половину времени, необходимого при тех же самых условиях для обжига эквивалентного сырого абразивного изделия без абразивного зерна или наполнителя, имеющего отношение длины зерна к диаметру поперечного сечения более 4 : 1, при этом абразивное изделие имеет воздухопроницаемость, составляющую, по меньшей мере, 0,44 диаметра поперечного сечения абразивного зерна в микрометрах, и измеренную в см³/с Кпа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что абразивное изделие после отверждения имеет вариацию размера менее 3% по объему по отношению к сырому абразивному изделию, причем сырое абразивное изделие, главным образом, не имеет упругого последействия после прессования.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сообщающаяся пористость абразивного изделия составляет от 60 до 70% по объему.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что остеклованного связующего абразивное изделие содержит от 3 до 15% по объему.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что удлиненного абразивного зерна абразивное изделие содержит от 15 до 43% по объему.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что удлиненное абразивное зерно имеет отношение длины к диаметру, по меньшей мере, равное 6 : 1.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что абразивное изделие выполнено, главным образом, без материалов индукции пор.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что абразивная смесь дополнительно включает в себя материалы, выбранные из группы, в которую входит абразивное зерно, наполнитель, технологические добавки, их комбинации и их агломераты.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удлиненное абразивное зерно представляет собой абразивное зерно из золь гель оксида алюминия.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что наполнитель выбран из группы, в которую входит керамическое волокно, стекловолокно, органическое волокно, их комбинации и их агломераты.

11. Способ по п.6, отличающийся тем, что абразивное изделие имеет проницаемость, по меньшей мере, 200,8 см³/с Кпа для абразивного зерна крупнее 80 единиц зернистости.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что абразивное изделие получают за счет обжига сырого абразивного изделия при температурах ориентировочно от 1100 до 1300^oC в течение времени ориентировочно от 1 до 5 ч.

13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что абразивное изделие содержит ориентировочно от 16 до 34% по объему удлиненного абразивного зерна.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что абразивное изделие содержит ориентировочно от 15 до 40% по объему удлиненного абразивного зерна и ориентировочно от 5 до 20% по объему связующего вещества.

15. Способ изготовления абразивного изделия с сообщающейся пористостью, составляющей по объему ориентировочно от 40 до 55%, содержащего абразивное зерно и связующее вещество в количествах, необходимых для эффективного шлифования, отличающийся тем, что в процессе изготовления изделия составляют смесь, содержащую удлиненное абразивное зерно, имеющее отношение длины зерна к диаметру поперечного сечения, равное, по меньшей мере, 5 : 1, и остеклованное связующее вещество для образования абразивной смеси, прессуют абразивную смесь в форме для образования сырого абразивного изделия, осуществляют обжиг сырого абразивного изделия при температуре от 600 до 1300^oC при условиях, эффективных для отверждения сырого абразивного изделия и образования готового абразивного изделия, причем обжиг осуществляют в течение промежутка времени, который составляет, по меньшей мере, половину времени, необходимого при тех же самых условиях для обжига эквивалентного сырого абразивного изделия без абразивного зерна и наполнителя, имеющего отношение длины зерна к диаметру поперечного сечения более 4 : 1, при этом абразивное изделие имеет воздухопроницаемость, составляющую, по меньшей мере, 0,22 диаметра поперечного сечения абразивного зерна в микрометрах и измеренную в см³/с Кпа.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что абразивное изделие после отверждения имеет вариацию размера менее 3% по объему по отношению к сырому абразивному изделию, причем сырое абразивное изделие, главным образом, не имеет упругого последействия после прессования.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что остеклованного связующего абразивное изделие содержит от 3 до 15% по объему.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что удлиненного абразивного зерна абразивное изделие содержит от 15 до 43% по объему.

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что удлиненное абразивное зерно имеет отношение длины к диаметру, по меньшей мере, равное 6 : 1.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что абразивное изделие выполнено, главным образом, без материалов индукции пор.

21. Способ по п.15, отличающийся тем, что абразивная смесь дополнительно включает в себя материалы, выбранные из группы, в которую входит абразивное зерно, наполнитель, технологические добавки, их комбинации и их агломераты.

22. Способ по п.15, отличающийся тем, что удлиненное абразивное зерно представляет собой абразивное зерно из золь гель оксида алюминия.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что наполнитель выбран из группы, в которую входит керамическое волокно, стекловолокно, органическое волокно, их комбинации и их агломераты.

24. Способ по п.19, отличающийся тем, что абразивное изделие имеет проницаемость, по меньшей мере, 200,8 см³/с Кпа для абразивного зерна крупнее 80 единиц зернистости.

25. Способ по п.15, отличающийся тем, что абразивное изделие получают за счет обжига сырого абразивного изделия при температурах ориентировочно от 1100 до 1300^oC в течение времени ориентировочно от 1 до 5 ч.

26. Способ по п.13, отличающийся тем, что абразивное изделие содержит ориентировочно от 16 до 34% по объему удлиненного абразивного зерна.

27. Способ по п.15, отличающийся тем, что абразивное изделие содержит ориентировочно от 15 до 55% по объему удлиненного абразивного зерна и ориентировочно от 5 до 20% по объему связующего вещества.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа изготовления абразивных изделий за счет использования удлиненных (вытянутых в длину) абразивных зерен, чтобы получить абразивные изделия с высокой проницаемостью, полезные при различных видах высокоэффективного шлифования. Такие абразивные изделия имеют не известную ранее сообщающуюся пористость, открытость и обеспечивают высокую эффективность шлифования.

Поры в абразивном инструменте, в особенности сообщающиеся поры, играют критическую роль в двух аспектах. Поры обеспечивают доступ для шлифовальных текучих тел (газов и жидкостей), таких как охлаждающие жидкости, используемые для переноса теплоты, выделяемой при шлифовании, что позволяет постоянно поддерживать охлаждение в зоне шлифования, и для смазочных материалов, используемых для снижения трения между подвижными абразивными зернами и поверхностью обрабатываемой детали, а также для увеличения производительности резания за счет действия сил трения. Жидкости и смазки сводят к минимуму металлургическое повреждение (например, прижог) и максимально увеличивают срок службы абразивного инструмента. Это особенно важно при большой глубине резания и в современных точных процессах (например, при глубинном шлифовании) высокоэффективного шлифования, когда большие объемы материала удаляются при одном глубоком проходе шлифования без снижения размерной точности обрабатываемой детали. Было обнаружено, что качество шлифования не может быть предсказано на основании пористости, такой как ее объемный процент в абразивном инструменте. Вместо этого структурная открытость (то есть взаимосвязь пор) шлифовального круга, которая может быть оценена количественно его проницаемостью для текучих сред (воздуха, охладителя, смазки и т.п.), определяет качественные характеристики абразивного инструмента.

Проницаемость позволяет также иметь зазор для отвода удаляемого материала (например, металлической стружки или шлама) в ходе шлифования детали. Шламовый зазор имеет первостепенное значение в случае тяжелого для обработки шлифованием или вязкого материала обрабатываемой детали (такого как алюминий или некоторые сплавы), когда получают длинную металлическую стружку. В этом случае быстро происходит засаливание шлифовальной поверхности круга стружкой и проведение операции шлифования становится затруднительным в отсутствии проницаемости круга.

Для удовлетворения требований пористости абразивного инструмента уже предложены различные способы, известные в течение ряда лет.

В патенте США N A-5,221,294 на имя Кармана и др. раскрыты шлифовальные круги, имеющие объем пустот 5-65%, что достигнуто за счет применения одностадийного процесса изготовления, при котором выжигают органическую порообразующую структуру в ходе отверждения для получения абразивной структуры с сетчатым строением.

В патенте Японии N A-91-161273 на имя Гото и др. раскрыты абразивные изделия, имеющие большой объем пор, причем каждая пора имеет диаметр, превышающий в 1-10 раз средний диаметр абразивного зерна изделия. Поры создают за счет использования материалов, которые выгорают при отверждении.

В патенте Японии N A-91-281174 на имя Сато и др. раскрыты абразивные изделия, имеющие большой объем пор, причем каждая пора имеет диаметр, превышающий по меньшей мере в 10 раз средний диаметр абразивного зерна изделия. Пористость 50% по объему достигнута за счет выжигания органических материалов - индукторов пор в ходе отверждения.

В патенте США N A-5,037,452 на имя Гари и др. указан коэффициент, полезный для определения конструкционной прочности, необходимой для формования кругов с очень высокой пористостью.

В патенте США N А-5,203,886 на имя Шелдона и др. раскрыта комбинация органических индукторов пор (например, скорлупы грецких орехов) и индукторов закрытых ячеистых пор (например, пеноглинозема), полезная для изготовления шлифовальных кругов с остеклованной связкой (связующим веществом), имеющих высокую пористость. Одной из частей полной пористости шлифовального круга считают "естественную или остаточную пористость" (составляющую ориентировочно 28-53%).

В патенте США N A-5,244,477 на имя Рю и др. раскрыты нитевидные абразивные частицы, использованные в сочетании с индукторами пор для изготовления абразивных изделий, содержащих 0-73% по объему пор.

В патенте США N A-3,273,984 на имя Нельсона раскрыты абразивные изделия, имеющие органическую или полимерную связку, по меньшей мере 30% по объему абразивного зерна и самое большее 68% по объему пор.

В патенте США N A-5,429,648 на имя Уиу раскрыты остеклованные шлифовальные круги, содержащие органический индуктор пор, который выжигают для изготовления абразивного изделия, имеющего 35-65% по объему пор.

Упомянутые выше и иные аналогичные усилия можно отнести к двум основным категориям, ни одна из которых не отвечает истинным образом требованиям получения высокой проницаемости абразивного инструмента.

К первой категории относятся способы выжигания. Пористая структура создается за счет добавки органических средств индукции пор (таких как скорлупа грецких орехов) на стадии перемешивания при приготовлении материала круга. Эти средства термически разлагаются при обжиге сырого тела абразивного инструмента, что приводит к образованию (оставлению) пустот или пор в обожженном абразивном инструменте. Среди недостатков этого способа можно указать следующее: поглощение влаги при хранении индуктора пор; плохое перемешивание и разделение при перемешивании, частично вызванное влагой, а частично разницей плотностей абразивного зерна и индуктора пор; рост толщины формования или "упругое последействие", вызванное постепенным в течение времени снижением напряжений в индукторе пор после разгрузки формы, что приводит к неконтролируемому изменению размера абразивного инструмента; неполное выжигание индуктора пор обожженного абразивного инструмента ("coring"), если скорость нагревания недостаточно медленная или если точка размягчения остеклованного связующего вещества недостаточно высока; и выделение воздуха и запахов при термическом разложении индуктора пор, что часто оказывает вредное воздействие на окружающую среду.

Ко второй категории относятся способы с закрытыми ячейками или с образованием пузырьков. Вводимые в абразивный инструмент материалы, такие как пеноглинозем, создают пористость без операции выжигания. Однако создаваемые за счет пузырьков поры являются внутренними и закрытыми, так что пористая структура не является проницаемой к прохождению охладителей и смазок, а размер пор обычно недостаточен для создания зазора для металлической стружки.

Для преодоления указанных недостатков и даже для сохранения и максимального использования соответствующих преимуществ каждого из указанных способов индукции пор, в соответствии с настоящим изобретением предлагается использовать слабые упаковочные характеристики удлиненных или волокноподобных (нитевидных) абразивных зерен, имеющих коэффициент формы (L/D, отношение длины к диаметру поперечного сечения) по меньшей мере 5 : 1, чтобы увеличить как проницаемость, так и пористость абразивного круга. Определенные наполнители, которые также имеют нитевидную форму, могут быть использованы изолированно или в сочетании с нитевидным абразивным зерном.

При использовании в составах абразивных изделий удлиненные абразивные зерна обеспечивают высокую пористость, высокую проницаемость и высокие качественные характеристики абразивного инструмента после его обжига или отверждения, без недостатков упомянутых ранее способов выжигания или индукции пор.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления абразивного изделия, которое содержит по меньшей мере ориентировочно от 55% до 80% по объему сообщающейся пористости, а также абразивное зерно и связующее в количествах, необходимых для эффективного шлифования; причем указанный способ включает в себя следующие операции:

a) составление смеси, которая содержит удлиненное абразивное зерно, имеющее отношение длины зерна к ширине поперечного сечения (коэффициент формы) по меньшей мере 5 : 1, и остеклованное связующее для образования абразивной смеси;

b) прессование абразивной смеси в форме для образования сырого абразивного изделия; и

c) обжиг сырого абразивного изделия при температуре от 600 до 1200^oC при условиях, эффективных для отверждения сырого абразивного изделия и образования готового абразивного изделия,

причем операцию обжига осуществляют в течение промежутка времени, который составляет по меньшей мере половину времени, необходимого при тех же самых условиях для обжига эквивалентного сырого абразивного изделия, которое не содержит абразивного зерна или наполнителя, имеющего коэффициент формы более 4 : 1, при этом абразивное изделие имеет воздухопроницаемость, измеренную в см³/сКПа, которая составляет по меньшей мере 0,44 ширины поперечного сечения в микрометрах (микронах, мкм) абразивного зерна.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления абразивного изделия, которое содержит по меньшей мере ориентировочно от 40% до 55% по объему сообщающейся пористости, а также абразивное зерно и связующее в количествах, необходимых для эффективного шлифования; причем указанный способ включает в себя следующие операции:

a) составление смеси, которая содержит удлиненное абразивное зерно, имеющее отношение длины зерна к ширине поперечного сечения (коэффициент формы) по меньшей мере 5 : 1, и остеклованное связующее для образования абразивной смеси:

b) прессование абразивной смеси в форме для образования сырого абразивного изделия; и

c) обжиг сырого абразивного изделия при температуре от 600 до 1200^oC при условиях, эффективных для отверждения сырого абразивного изделия и образования готового абразивного изделия,

причем операцию обжига осуществляют в течение промежутка времени, который составляет по меньшей мере половину времени, необходимого при тех же самых условиях для обжига эквивалентного сырого абразивного изделия, которое не содержит абразивного зерна или наполнителя, имеющего коэффициент формы более 4 : 1, при этом абразивное изделие имеет воздухопроницаемость, измеренную в см³/сКПа, которая составляет по меньшей мере 0,22 ширины поперечного сечения в микрометрах абразивного зерна.

За счет использования указанного способа абразивное изделие после отверждения имеет вариацию размера менее 3% по объему по отношению к сырому абразивному изделию, причем сырое абразивное изделие главным образом не имеет упругого последействия после прессования.

Абразивное изделие, изготовленное в соответствии с настоящим изобретением, содержит абразивное зерно и связующее в количествах, необходимых для эффективного шлифования, а также опционно наполнители, смазки и другие компоненты. Абразивные изделия преимущественно содержат максимальный объем проницаемой пористости, которая может быть обеспечена при сохранении достаточной конструкционной прочности, необходимой для выдерживания усилий шлифования. Абразивные изделия включают в себя такие инструменты, как шлифовальные круги, хоны и сегменты кругов, а также иные формы изделий со связанными абразивными зернами, предназначенных для шлифования обрабатываемой детали.

Абразивное изделие может содержать ориентировочно от 40% до 80%, преимущественно от 45% до 75%, а еще лучше от 50% до 70% по объему сообщающейся пористости. Сообщающейся пористостью именуется пористость абразивного изделия, образованная пустотами между частицами связанных абразивных зерен, которая открыта для потока текучего тела.

Баланс объема от 20% до 60% состоит из абразивного зерна и связующего вещества, при объемном соотношении ориентировочно от 20 : 1 до 1 : 1 зерна к связующему. Указанные объемы обеспечивают эффективное шлифование, причем более высокие объемы абразивного зерна и связующего требуются для шлифовальных кругов большего размера и для составов, которые скорее содержат органические, а не остеклованные связующие. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения абразивные изделия отформованы с остеклованным связующим и содержат от 15% до 40% абразивного зерна и от 3% до 15% связующего вещества.

Для того чтобы обеспечить существенное увеличение срока службы, высокие качественные характеристики шлифования и высокое качество поверхности обрабатываемой детали, абразивные изделия в соответствии с настоящим изобретением должны иметь минимальную проницаемость для свободного потока текучей среды через абразивное изделие. В данном описании под проницаемостью абразивного изделия понимают величину Q/P, где Q представляют собой расход потока воздуха, выраженный в кубических сантиметрах, а P означает дифференциальное давление. Q/P представляют собой дифференциал давления, измеренный между структурой абразивного инструмента и атмосферой при заданном расходе текучего тела (например, воздуха). Указанная относительная проницаемость Q/P пропорциональна произведению объема пор на квадрат размера пор. Предпочтительны поры большего размера. Другими факторами, влияющими на Q/P, являются геометрия пор и размер абразивного зерна или зернистость, причем при большей зернистости получают более высокую относительную проницаемость. Q/P измеряют с использованием аппаратуры и способов, описанных далее в примере 6.

Для абразивного инструмента, который имеет пористость ориентировочно от 55% до 80% в остеклованном связующем, при использовании абразивного зерна с шириной поперечного сечения от 80 до 120 единиц зернистости (132-194 мкм), требуется воздухопроницаемость по меньшей мере 160,6 см³/сКПа, чтобы использовать преимущества настоящего изобретения. Для абразивного зерна с зернистостью более 80 единиц (194 мкм) требуется воздухопроницаемость по меньшей мере 200,8 см³/сКПа.

Соотношение между проницаемостью и зернистостью при пористости от 55% до 80% может быть выражено следующим уравнением:

минимальная проницаемость = 0,44 X ширину поперечного сечения (в мкм) абразивного зерна.

Преимущественно ширина поперечного сечения должна составлять по меньшей мере 220 единиц зернистости (70 мкм).

Для абразивного инструмента, который имеет пористость ориентировочно от 40% до менее чем 55% в остеклованном связующем, при использовании абразивного зерна с шириной поперечного сечения от 80 до 120 единиц зернистости (132-194 мкм) требуется воздухопроницаемость по меньшей мере 116,5 см³/сКПа, чтобы использовать преимущества настоящего изобретения. Для абразивного зерна с зернистостью более 80 единиц (194 мкм) требуется воздухопроницаемость по меньшей мере 168,7 см³/сКПа.

Соотношение между проницаемостью и зернистостью при пористости от 40% до менее чем 55% может быть выражено следующим уравнением: минимальная проницаемость = 0,22 X ширину поперечного сечения (в мкм) абразивного зерна.

Аналогичные пределы для относительной проницаемости при иной зернистости, других типах связующего и других уровнях пористости могут быть установлены специалистами-практиками при применении указанных соотношений и закона Дарси к эмпирическим данным для конкретного типа абразивного изделия.

При меньшей ширине поперечного сечения зерна требуется применение нитевидных прокладок (например, пеноглинозема) для поддержания проницаемости в ходе операций формования и обжига. Могут быть использованы также и большие размеры зерна. Единственное ограничение при использовании зерна большего размера заключается в том, чтобы этот размер соответствовал обрабатываемой детали, шлифовальному станку, составу и геометрии шлифовального круга, чистоте поверхности и иным параметрам, причем специалист-практик выбирает и внедряет переменные элементы в соответствии с требованиями конкретной операции шлифования.

Улучшенную проницаемость и высокие качественные характеристики шлифования в соответствии с настоящим изобретением получают в результате создания уникальной стабильной сообщающейся пористости, образованной матрицей нитевидных частиц ("волокон"). Волокна могут состоять из абразивного зерна или из комбинации абразивного зерна и нитевидных наполнителей. Волокна перемешивают с компонентами связующего вещества и с другими компонентами абразивного инструмента, затем прессуют и отверждают или обжигают для образования инструмента.

Если частицы распределены еще более рыхло за счет использования другого способа, например, при добавлении небольших количеств индуктора пор для дополнительного разделения нитевидных частиц, то может быть получена еще более высокая пористость. При обжиге изделие, которое содержит частицы органического индуктора пор, может иметь обратную усадку, в результате чего получают изделие меньшего размера, после того, как произошло термическое разложение индуктора пор, так как частицы должны взаимно соединяться для обеспечения целостности изделия. Поэтому избегают применения органических индукторов пор, а если их и применяют, то ограничивают до уровня менее 5% по объему материала шлифовального круга. Усадка окончательного размера после обжига абразивного инструмента и созданная результирующая проницаемость являются функцией коэффициента формы нитевидных частиц. Чем выше отношение L/D, тем выше проницаемость упакованной решетки волокон.

Можно полагать, что удлиненные зерна создают структурную анизотропию в шлифовальных кругах, что увеличивает действительное число точек резания кругов в сравнении с гранулярными абразивными зернами. Следовательно, такие круги являются более острыми. Кроме того, при удлиненных зернах создается больше число опор (степеней) связи для каждого зерна. В результате получают более прочные связи и зерно имеет больший полезный срок службы. Эти эффекты позволяют осуществлять изготовление кругов, при использовании удлиненного зерна, с более высокой пористостью и с более высокой проницаемостью, при равной или более высокой конструкционной прочности, по сравнению с зерном того же типа, имеющим меньшее отношение L/D.

В соответствии с настоящим изобретением может быть использован любой состав абразивной смеси для изготовления абразивных изделий, при условии, что смесь содержит абразивные зерна с коэффициентом формы по меньшей мере 5 : 1, а после формования изделия и его обжига получают изделие с указанными ранее характеристиками минимальной проницаемости и сообщающейся пористости.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения абразивное изделие содержит нитевидные абразивные частицы (зерна), которые включают в себя спеченный золь гель альфа оксид алюминия, причем основой изделия является поликристаллический абразивный материал, преимущественно содержащий кристаллиты размером не более 1 - 2 мкм, а преимущественно, размером менее 0,4 мкм. Подходящие нитевидные абразивные частицы описаны в патентах США N A-5,244,477 на имя Рю и др., N. A-5,129,919 на имя Калиновского и др. , N A-5,035,723 на имя Калиновского и др., N A-5,009,676 на имя Рю и др., которые включены в данное описание в качестве ссылки. Другие типы поликристаллических абразивных зерен из оксида алюминия, имеющих кристаллиты большего размера, из которых могут быть получены нитевидные абразивные зерна для данного применения, раскрыты, например, в патенте США N A-4,314,705 на имя Лейтейзина и др. и в патенте США N A-5,431,705 на имя Вуда, которые также включены в данное описание в качестве ссылки. Нитевидное зерно, полученное из указанных источников, преимущественно имеет коэффициент формы L/D, по меньшей мере равный 5 : 1, а преимущественно 6 : 1. Могут быть использованы различные нитевидные формы, например, прямые, изогнутые, винтовые и искривленные. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения волокна оксида алюминия являются полыми формами.

В соответствии с настоящим изобретением может быть использовано любое абразивное зерно, которое может иметь или не иметь нитевидную форму, в сочетании с большим количеством нитевидных зерен. Обычные абразивы содержат, но без ограничения, оксид алюминия, карбид кремния, оксид циркония - оксид кремния, гранат и корунд, причем они могут быть использованы при зернистости ориентировочно от 0,5 мкм до 5000 мкм, а преимущественно ориентировочно от 2 мкм до 200 мкм. Указанные абразивы и суперабразивы могут быть использованы в форме обычных абразивных частиц или удлиненных частиц, имеющих коэффициент формы, превышающий 4 : 1. Суперабразивы, которые включают в себя, но без ограничения алмаз, кубический нитрид бора и субоксид бора (как это описано в патенте США N A-5,135,892, который включен в данное описание в качестве ссылки), могут быть использованы при той же зернистости, что и обычные абразивные зерна.

Несмотря на то, что с нитевидными частицами для образования связанного абразивного изделия может быть использовано любое связующее, применяемое обычно в абразивных изделиях, остеклованное связующее является предпочтительным по конструкционной прочности и для задач прецизионного шлифования. Другие известные связующие, такие как органические, металлические и полимерные связующие, вместе с соответствующими отвердителями, могут быть использованы, например, для изделий, имеющих сообщающуюся пористость ориентировочно от 40% до 70%.

Абразивные изделия могут включать в себя и другие добавки, в том числе, но без ограничения наполнители, преимущественно несферической формы, такие как нитевидные, спутанные (переплетенные) или агломерированные нитевидные частицы, смазки и технологические добавки, такие как антистатики, и временные связующие материалы для формования и прессования изделий. Используемый здесь термин "наполнители" не включает в себя индукторы пор с закрытыми ячейками и различные органические материалы. Необходимые количества указанных опционных компонентов абразивной смеси легко могут быть найдены специалистами.

Подходящие наполнители включают в себя вторичные абразивы, твердые смазки, металлический порошок или частицы, керамические порошки, такие как карбиды кремния, а также иные известные сами по себе наполнители.

Абразивная смесь содержит нитевидный материал, связующее и другие компоненты, перемешанные и отформованные с применением известных технологий и оборудования. Абразивное изделие может быть отформовано при помощи холодного, теплого или горячего прессования или иного известного специалистам процесса. Абразивное изделие может быть подвергнуто обжигу при помощи известного процесса обжига, выбранного в зависимости от типа и количества связующего и других компонентов, при общем условии, что если пористость содержимого возрастает, то время обжига уменьшается и температура понижается.

В соответствии со способом по настоящему изобретению, для шлифовального круга, который содержит абразивное зерно (например, из золь гель оксида алюминия), имеющее коэффициент формы по меньшей мере 5 : 1 в остеклованном связующем, время цикла обжига может быть сокращено наполовину по сравнению с тем, которое необходимо для обжига шлифовального круга с тем же самым объемным процентом сообщающейся пористости, содержащего органический индуктор пор и не имеющего зерна или наполнителя с коэффициентом формы L/D более 4 : 1. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения смесь для шлифовального круга, которая содержит по объему 30 - 40% зерна (с зернистостью 80 - 120 единиц, 6 : 1 L/D золь гель оксид алюминия), 3 - 15% остеклованного связующего, 0 - 5% наполнителей и 0 - 0,5% технологических добавок, перемешивают в смесителе, затем выгружают в формы шлифовального круга, прессуют и сушат при 35% относительной влажности и при температуре 43^oC. Сырые (необожженные) отпресованные круги обжигают в печи для обжига путем нагрева в течение 4 ч до 1250^oC.

За счет применения данного способа получают круг с объемным процентом пористости, эквивалентным тому, который может быть получен с использованием такого же количества зерна и от 5 до 25% по объему от сырого круга органического индуктора пор, однако имеющий проницаемость в 2 - 5 раз выше, чем известный круг с индуктором пор. Такие известные круги детально описаны в патенте США N A-5,429,648, который включен в данное описание в качестве ссылки. Дополнительно, данный способ может быть осуществлен в 5 раз быстрее, чем способ с выжиганием, и при сокращении вдвое времени обжига (при использовании той же печи для обжига, тех же форм и температур обжига).

Абразивные изделия, изготовленные с использованием данного способа, имеют улучшенные характеристики шлифования, в особенности при глубинном прецизионном шлифовании. Такие абразивные инструменты имеют повышенный срок службы, более высокое отношение G (отношение скорости удаления металла к скорости износа круга) и меньшую мощность привода, чем аналогичные инструменты, изготовленные из той же самой абразивной смеси, но имеющей меньшую пористость и проницаемость и/или такую же пористость и меньшую проницаемость. Абразивные инструменты в соответствии с настоящим изобретением также позволяют получать более гладкие поверхности лучшего качества обрабатываемой детали, чем известные инструменты.

Пример 1

Этот пример поясняет изготовление шлифовальных кругов с использованием удлиненных зерен посеянного золь гель оксида алюминия (TARGA^TM), полученных на фирме Нортон (Уорчестер, штат Массачусетс, США), имеющих средний коэффициент формы L/D около 7,5, причем добавка индуктора пор не производилась. В приведенной в конце описания таблице 1 указаны составы смеси.

Для каждого шлифовального круга были приготовлены смеси с указанными составами в смесителе Hobart^R. Каждый ингредиент добавляли последовательно и перемешивали с ранее введенными в смесь ингредиентами ориентировочно в течение 1-2 мин после каждой добавки. После завершения перемешивания материал смеси помещали в стальную форму диаметром 7,6 см или 12,7 см и подвергали холодному прессованию на гидравлическом формовочном прессе в течение 10 - 20 с, в результате чего получали дисковые круги толщиной 1,59 см с отверстием 2,22 см. Размеры (диаметр, толщина и размер отверстия), полный объем отформованного круга и общий вес ингредиентов были заданы желательной расчетной плотностью и пористостью такого шлифовального круга после обжига. После снятия приложенного давления круг извлекали из формы вручную и помещали на войлок для сушки в течение 3 - 4 ч перед обжигом в печи, при скорости нагрева 50^oC/ч от 25^oC до максимальной температуры 900^oC, при которой круг выдерживался в течение 8 ч, после чего производилось его естественное охлаждение до комнатной температуры в обжиговой печи.

Производился анализ любых возможных отклонений плотности шлифовального круга после обжига от расчетной плотности. Из результатов измерения плотности находили пористость, так как отношение плотностей абразивного зерна и остеклованного связующего вещества было известно до дозирования смеси. Пористости трех абразивных изделий составляли соответственно 51%, 58% и 62% по объему.

Пример 2

Этот пример поясняет изготовление двух шлифовальных кругов, имеющих чрезвычайно высокую пористость, с использованием зерен TARGA^TM с коэффициентом формы L/D около 30, причем добавка индуктора пор не производилась.

В приведенной в конце описания таблице 2 указаны составы смеси. После проведения формования и обжига аналогично примеру 1 были получены остеклованные шлифовальные круги с пористостью (4) 77% и (5) 80% по объему.

Пример 3

Этот пример показывает, что данный способ позволяет осуществлять изготовление промышленных абразивных инструментов, например, диаметром 500 мм. Три больших шлифовального круга размерами 500 х 25 х 200 мм для глубинного шлифования были изготовлены с использованием удлиненных зерен TARGA^TM со средними коэффициентами формы L/D соответственно 6,14; 5,85 и 7,6, причем добавка индуктора пор не производилась.

В приведенной ниже таблице 3 указаны составы смеси. На стадии формования максимальное упругое последействие было менее 0,2% (или 50 мкм в сравнении с толщиной зерна 194 мкм) от толщины круга, что намного меньше аналогичной величины для аналогичных шлифовальных кругов, содержащих индуктор пор. Толщина формы была весьма однородной во всех местах, с максимальным отклонением от средней не более 0,4% (или 100 мкм). После формования каждый шлифовальный круг поднимался за край при помощи пневматического подъемника и укладывался на войлок для сушки в течение ночи в помещении с контролируемой влажностью. Затем производился обжиг в печи каждого круга при скорости нагрева несколько меньшей 50^oC/ч до максимальной температуры 900^oC, при которой круг выдерживался в течение 8 ч, после чего производилось его программируемое охлаждение до комнатной температуры в обжиговой печи.

После обжига были получены остеклованные шлифовальные круги с пористостью (6) 54%, (7) 54% и (8) 58% по объему. Никаких следов растрескивания кругов обнаружено не было, а усадка от отформованного объема к обожженному объему была равна или меньше наблюдаемой для промышленных шлифовальных кругов, изготовленных с применением пеноглинозема для обеспечения пористости структуры. Максимальные величины разбаланса для указанных трех шлифовальных кругов составили соответственно 13,6 г, 7,38 г и 11,08 г, то есть всего только 0,1 - 0,2% от полного веса круга. Показатели разбаланса намного ниже верхнего предела, при котором требуется балансировка. Приведенные результаты показывают существенные преимущества настоящего способа при изготовлении высокопористых шлифовальных кругов высокого качества по сравнению с известными кругами (см.таблицу 3 в конце описания).

Пример 4

(I) Шлифовальные круги, имеющие эквивалентный объемный процент открытой пористости, были изготовлены на промышленном оборудовании из указанных в таблице 4 смесей для проведения сравнения производительности оборудования для автоматического прессования и формования при использовании смесей без индуктора пор в соответствии с настоящим изобретением и известных смесей с индуктором пор.

Производительность (скорость изготовления круга в процессе формования на единицу времени) возросла в 5 раз для смеси в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с обычной смесью, содержащей индуктор пор. Смесь в соответствии с настоящим изобретением обладает характеристиками свободного течения, позволяющими проведение автоматических операций прессования. При отсутствии индуктора пор смесь в соответствии с настоящим изобретением не испытывает упругого последействия после прессования и не содержит не полностью выжженных индукторов пор при обжиге. Проницаемость шлифовальных кругов в соответствии с настоящим изобретением составляет 172,7 см³сКПа.

(II) Шлифовальные круги, имеющие эквивалентный объемный процент открытой пористости, были изготовлены из указанных в таблице 5 смесей для проведения сравнения характеристик обжига смесей без индуктора пор в соответствии с настоящим изобретением и известных смесей с индуктором пор.

Шлифовальные круги в соответствии с настоящим изобретением не имеют следов усадки, растрескивания и не содержит не полностью выжженных индукторов пор после проведения обжига. До проведения обжига сырые отпрессованные круги в соответствии с настоящим изобретением имеют высокую проницаемость 88,4 см³/сКПа по сравнению с проницаемостью 20,1 см³сКПа сырых отпрессованных кругов, изготовленных из обычной смеси, содержащей индуктор пор. Можно полагать, что высокая проницаемость в сыром состоянии обеспечивает высокий коэффициент массо/теплопереноса в ходе обжига, что обеспечивает возможность более высокой скорости нагрева кругов в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с обычными кругами. Время обжига кругов в соответствии с настоящим изобретением может быть снижено наполовину в сравнении с временем обжига, необходимым для обычных кругов, при использовании эквивалентных тепловых циклов. Проницаемость обожженных шлифовальных кругов в соответствии с настоящим изобретением составляет 180,7 см³/сКПа.

Пример 5

Этот пример показывает, что шлифовальные круги с высокой пористостью могут быть изготовлены с использованием предварительно агломерированных зерен. Предварительно агломерированное зерно получено за счет управляемого снижения скорости экструзии в ходе экструзии удлиненного зерна, что приводит к образованию агломератов ранее проведения сушки экструдированного зерна.

Шлифовальные круги с высокой пористостью были изготовлены в соответствии с описанным в примере 1 из агломерированных и удлиненных зерен TARGA^TM без использования индуктора пор (средний агломерат имел ориентировочно 5 - 7 удлиненных зерен, причем его средний размер был ориентировочно 194 х 194 х (194 х 5,96) мкм). Номинальный коэффициент формы составлял 5,96, а LPD был 0,99 г/см³. В приведенной в конце описания таблице 6 указаны составы смеси. После формования и обжига были получены остеклованные шлифовальные круги с пористостью 54% по объему.

Пример 6

В этом примере описано измерение проницаемости и показано, что проницаемость абразивных изделий может быть существенно увеличена за счет использования абразивных зерен в форме нитевидных частиц.

Измерение проницаемости

Количественное измерение открытости пористой среды для оценки проницаемости кругов основано на законе Дарси, который устанавливает связь между скоростью потока (расходом) и давлением в пористой среде. Была сконструирована аппаратура неразрушающего контроля, которая включает в себя источник воздуха, расходомер (для измерения Q, скорости воздуха на впуске), манометр (для измерения изменения давления в различных точках круга) и сопло, соединенное с впуском воздуха для направления воздушного потока к различным точкам поверхности круга.

Давление на впуске воздуха P₀ составляло 1,76 кг/см², расход воздуха на впуске Q₀ составлял 14 м³/ч; при испытании было использовано сопло размером 2,2 см. Количество точек измерения (8 - 16 для одного шлифовального круга) было выбрано из условия обеспечения точного усреднения.

Результаты измерения кругов

В таблице 7 приведены результаты сравнения значений проницаемости (Q/P, см³/сКПа) для различных шлифовальных кругов.

Была произведена стандартизация данных за счет использования кругов толщиной по меньшей мере 1,27 мм (полдюйма), типично с толщиной 2,54 см (один дюйм). В примере 2 не удалось изготовить контрольные круги, так как не удалось произвести формование смеси с имеющим высокую пористость содержимым для кругов в соответствии с настоящим изобретением (получаемых с использованием удлиненного абразивного зерна в абразивных смесях, стандартных в другом отношении). Контрольные круги были изготовлены с использованием смеси 50/50% по объему абразивного зерна из золь гель оксида алюминия с коэффициентом формы 4 : 1 с золь гелем с коэффициентом формы 1 : 1 или абразивного зерна из 38A оксида алюминия, причем все зерно получено на фирме Нортон, Уорчестер, штат Массачусетс, США.

Круг 11 содержит агломерированное удлиненное абразивное зерно, поэтому не может быть произведено непосредственное сравнение полученных данных с неагломерированным удлиненным зерном, так же как и проницаемость не может быть определена в соответствии с уравнением: проницаемость = 0,44 X ширина поперечного сечения (мкм) абразивного зерна. Однако проницаемость круга в соответствии с настоящим изобретением выгодно отличается при сравнении с контролем и ориентировочно равна предсказанной проницаемости для круга, который содержит эквивалентный в других отношениях тип неагломерированного удлиненного абразивного зерна.

Приведенные данные показывают, что круги, изготовленные по способу в соответствии с настоящим изобретением, имеют проницаемость ориентировочно в 2 - 3 раза выше, чем обычные шлифовальные круги при той же пористости.

Пример 7

Этот пример показывает, как коэффициент формы L/D абразивного зерна изменяет характеристики шлифования в режиме глубинного шлифования. Для проведения испытаний был отобран указанный в приведенной в конце описания таблице 8 набор шлифовального кругов, имеющих пористость 54% и равное количество абразива и связующего вещества, изготовленных на заводе фирмы Нортон и имеющих диаметр 50,8 х 2,54 х 20,32 см.

Была произведена оценка характеристик шлифования указанных кругов. Производилась операция шлифования по размеру блоков с размерами 20,32 х 10,66 х 5,33 см из стали 4340 (Rc 48 - 52) с прерывистой ползучей подачей вниз с врезанием на станке Blohm вдоль самого большого размера блока. Скорость круга составила 30,5 м/с, глубина прохода была 0,318 см, скорость перемещения стола изменялась от 19,05 см/мин с нарастанием 6,35 см/мин до прижога обрабатываемой детали. Качественные характеристики шлифования существенно улучшались за счет применения шлифовальных кругов, изготовленных с использованием удлиненных зерен Targa, с пористостью 54% и воздухопроницаемостью по меньшей мере около 200,8 см³/сКПа. Данные различных характеристик шлифования сведены в таблицу 9. Кроме преимуществ, связанных с сообщающейся пористостью, от коэффициента формы абразивного зерна зависит как производительность шлифования (характеризуемая скоростью удаления металла), так и показатель шлифуемости (G - отношение, поделенное на удельную энергию): качественные характеристики улучшаются при увеличении L/D.

Аналогичные результаты для качественных характеристик шлифования были получены для кругов, содержащих абразивное зерно от 80 до 120 единиц зернистости. Для зерна с меньшей зернистостью существенное улучшение характеристик шлифования наблюдалось для кругов, имеющих проницаемость по меньшей мере около 160,6 см³/сКПа.