Связанный абразивный инструмент и способы шлифования с его использованием

Связанный абразивный инструмент и способы шлифования с его использованием

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки к созданию изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию связанных абразивных изделий или инструментов, таких как шлифовальные круги, шлифовальные сегменты, шлифовальные диски и хоны, имеющие новые композиционные структуры, к способам изготовления таких инструментов, позволяющим создавать эти новые структуры инструментов, и к способам шлифования, полирования или чистовой обработки поверхности с использованием таких инструментов.

Связанные абразивные инструменты содержат твердые и обычно монолитные, трехмерные, абразивные композиционные материалы и выполнены в виде кругов, дисков, сегментов, установочных позиций, хонов и других форм инструмента, причем инструмент имеет центральное отверстие или другие средства для установки на устройстве или станке определенного типа для проведения шлифования или полирования заготовки или же для проведения заточки инструмента. Указанные композиционные материалы включают в себя 3 структурных элемента или фазы: абразивное шлифовальное зерно, связующий материал и пористость.

Связанные абразивные инструменты имеют различные "градации" и "структуры", которые на практике определяют при помощи относительной твердости и плотности абразивного композиционного материала (градация) и при помощи объемного процента абразивного шлифовального зерна, связующего материала и пористости в композиционном материале (структура).

В течение почти 70 лет градацию и структуру считали наиболее надежными средствами предсказания твердости связанного абразивного инструмента, интенсивности изнашивания инструмента, необходимой для шлифования мощности и пригодности для изготовления. Градация и структура были впервые приняты в качестве надежных руководящих указаний для изготовления в патенте США No.-A-1,983,082, в котором описан объемный способ изготовления, позволяющий преодолеть большие трудности, связанные с плохим качеством абразивного композиционного материала и недостаточной эффективностью шлифования. В соответствии с этим способом выбирают относительные объемные проценты трех структурных компонентов таким образом, чтобы получить инструмент с заданной градацией твердости и с другими желательными физическими характеристиками. Зная желательный объем готового инструмент, вес партий абразивного шлифовального зерна и компонентов связующего материала, необходимый для изготовления инструмента, рассчитывают из объема инструмента, относительных объемных процентов и плотностей материала абразивного шлифовального зерна и компонентов связующего материала. Указанным образом можно создать таблицу стандартной структуры для определения композиции связующего материала и при последующих прогонах изготовления использовать относительные объемные проценты из таблицы стандартной структуры, чтобы изготавливать связанные абразивные инструменты, имеющие градацию твердости, согласующуюся с данным объемным процентом абразивного шлифовального зерна, связующего материала и пористости. Было отмечено, что эффективность шлифования сохраняется неизменной при переходе от одной производственной серии к другой, если поддерживать постоянными градацию и структуру.

Было показано, что при проведении различных операций шлифования контроль степени и типа пористости в композиционном материале, а в особенности пористости проницаемой или взаимосвязанной природы, повышает эффективность шлифования и позволяет сохранить качество обрабатываемой детали и избежать теплового или механического повреждения.

Любой трехмерный абразивный композиционный материал состоит из суммы относительных объемных процентов трех его образующих: абразивного шлифовального зерна, связующего материала и пористости. Сумма объемных процентов этих образующих должна составлять 100 объемных процентов; следовательно, инструменты, имеющие высокий процент пористости, должны иметь пропорционально меньшие проценты связующего материала и/или абразивного шлифовального зерна. При изготовлении связанных абразивных инструментов можно легче достичь относительно высоких объемных процентов пористости (например, 40-70 объем.%) в инструментах для точного шлифования, которые сделаны с использованием твердых, неорганических связующих материалов (например, застеклованных или керамических связующих материалов) и зерна относительно малых размеров (например, 46-220 единиц по шкале фирмы Norton), чем в инструментах для грубого шлифования, которые сделаны с использованием органических связующих материалов и относительно крупного зерна (например, 12-120 единиц по шкале фирмы Norton). Весьма пористые абразивные композиционные материалы, изготовленные с зернами больших размеров, более высокими объемными процентами зерна и более мягкими органическими связующими материалами, имеют тенденцию к усадке или расслаиванию во время стадий промежуточного формования и отверждения при изготовлении шлифовального инструмента. По этим причинам имеющиеся в продаже связанные абразивные инструменты, изготовленные с использованием органических связующих материалов, часто формуют таким образом, что они практически не содержат пористости и обычно содержат не более 30 объем.% пористости. Они редко имеют более 50 объем.% пористости.

Естественная пористость, возникающая за счет упаковки абразивных шлифовальных зерен и частиц связующего материала во время прессования, обычно недостаточна для обеспечения высокой пористости в связанных абразивных инструментах. Средства создания (индукторы) пористости, такие как пузырьковый оксид алюминия и нафталин, могут быть добавлены в смеси композита абразива и связующего материала, для того, чтобы можно было провести прессование и обработку пористого не отвержденного абразивного изделия и получить адекватный объемный процент пористости в готовом инструменте. Некоторые из средств создания пор (например, пузырьковый оксид алюминия и стеклянные шарики) будут создавать в инструменте пористость с закрытыми ячейками. Средства создания закрытых пор, которые добавляют для достижения высокого процентного содержания пористости, не обеспечивают образование открытых каналов или взаимосвязанной пористости, в результате чего исключается или снижается поток флюида через корпус инструмента, за счет чего возникает тенденция увеличения усилий шлифования и создается риск теплового повреждения (заготовки). Средства создания открытых пор, которые должны сгорать в абразивной матрице (например, скорлупа грецких орехов и нафталин), создают различные трудности при изготовлении инструмента.

Кроме того, плотности средств создания пор, связующих материалов и абразивных шлифовальных зерен существенно варьируют, что усложняет контроль расслоения абразивной смеси в ходе обработки и формования и часто приводит к потере однородности в трехмерной структуре готового абразивного изделия. Однородное, гомогенное распределение трех компонентов абразивного композиционного материала считают ключевым аспектом для достижения высокого качества инструмента и для шлифовальных кругов важным для обеспечения безопасной работы кругов при высоких скоростях вращения, необходимых для шлифования (например, свыше 4000 линейных футов в минуту (sfpm)).

Нашли, что объемный процент взаимосвязанной пористости, или проницаемость для флюида, является более значимым определителем качества шлифования при помощи абразивных изделий, чем простой объемный процент пористости (см. патент США No.-А-5,738,696). Взаимосвязанная пористость позволяет удалять отходы при шлифовании (шлифовальный шлам) и пропускать охлаждающий флюид через корпус круга в ходе шлифования. Наличие взаимосвязанной пористости может быть подтверждено при помощи измерения проницаемости круга к потоку воздуха в контролируемых условиях. В патенте США No.-A-5,738,697 описаны имеющие высокую проницаемость шлифовальные круги, которые имеют существенную степень взаимосвязанной пористости (40-80 объем.%). Эти круги сделаны с использованием матрицы волокнистых частиц, имеющих коэффициент формы по меньшей мере 5:1. В качестве волокнистых частиц могут быть использованы волокнистые абразивные шлифовальные зерна или обычные не волокнистые абразивные шлифовальные зерна, смешанные с различными волокнистыми наполнителями, такими как керамическое волокно, полиэфирное волокно и стекловолокно, а также маты и агломераты, образованные из таких частиц.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что связанные абразивные инструменты могут быть сделаны с относительно высоким процентом пористости и относительно низким процентом абразивного шлифовального зерна, без снижения механической прочности или износостойкости инструмента, даже если градация твердости инструмента предсказывает получение относительно низкой механической прочности. Для органически связанных абразивных инструментов оказалось, что можно изготавливать инструменты при относительных процентах абразивного шлифовального зерна, связующего материала и пористости, позволяющих создавать структуры, неизвестные для серийных связанных абразивных инструментов. Эти новые структуры включают в себя органически связанные абразивные инструменты, в которых непрерывная фаза абразивного композиционного материала содержит компоненту пористости. В предпочтительном способе создания этих новых структур большая часть абразивного шлифовального зерна агломерирована со связующим материалом ранее перемешивания, формования и термической обработки связанного абразивного инструмента.

Имеются сведения, что агломерированные абразивные шлифовальные зерна улучшают эффективность шлифования за счет механизмов, не связанных со степенью или характером пористости связанного абразивного инструмента. Абразивное шлифовальное зерно агломеруют для решения различных задач, главной из которых является создание возможности использования частиц абразивного шлифовального зерна малых размеров, позволяющих обеспечить такую же эффективность шлифования, что и более крупные абразивные частицы, или же получить более высокую чистоту поверхности обрабатываемой детали после шлифования. Во многих случаях абразивное шлифовальное зерно агломерируют для того, чтобы получить менее пористую структуру и более плотный шлифовальный инструмент, имеющий более сильно связанные абразивные шлифовальные зерна.

Имеющие очень низкую пористость (например, ориентировочно меньше чем 5 объем.% пористости) круги для зубохонингования имеют дробленые застеклованные связанные абразивные композиционные материалы, полученные за счет связывания композиционных материалов при помощи эпоксидной смолы. Эти «компаундированные» круги для зубохонингования имеются в продаже вот уже несколько лет (фирма-изготовитель Saint-Gobain Abrasives, GmbH).

В патенте США No.-А-2,216,728 раскрыты агрегаты абразивного шлифовального зерна/связующего материала, изготовленные из любого типа связующего материала. Причиной для использования агрегатов является желание получить очень плотные структуры круга для удержания алмазного зерна или зерна CBN (кубического нитрида бора) в ходе операций шлифования. Если агрегаты имеют пористую структуру, то тогда создают поток внутриагрегатных связующих материалов, который втекает в поры агрегатов и обеспечивает полную плотность структуры в ходе обжига. Агрегаты позволяют использовать мелочь абразивного шлифовального зерна, которая в противном случае теряется в процессе изготовления инструментов.

В патенте США No.-A-3,982,359 описано формование агрегатов полимерного связующего материала и абразивного шлифовального зерна, имеющих величины твердости, превышающие величины твердости полимерного связующего материала, использованного для связывания агрегатов в абразивном инструменте. Более высокие скорости шлифования и более длительные сроки службы инструмента были получены в связанных кругах с полимерным связующим материалом, содержащих агрегаты.

В патенте США No.-A-4,799,939 описаны эродируемые агломераты абразивного шлифовального зерна, полых тел и органического связующего материала, а также использование этих агломератов в покрытых абразивах и связанных абразивах. Аналогичные агломераты раскрыты в патенте США No.-A-5,039,311 и в патенте США No.-A-4,652,275.

В патенте США No.-A-5,129,189 раскрыты абразивные инструменты, имеющие матрицу полимерного связующего материала, содержащую конгломераты абразивного шлифовального зерна, полимера и материала наполнителя, такого как криолит, имеющие 5-90 объем.% пористости.

В патенте США No.-A-5,651,729 описан шлифовальный круг, имеющий сердечник и отдельный абразивный ободок, сделанный из полимерного связующего материала и дробленых агломератов алмазного или CBN абразивного шлифовального зерна, с металлическим или керамическим связующим материалом. Установленные преимущества кругов, сделанных с использованием агломератов, включают в себя наличие свободного пространства для удаления стружки, высокую износостойкость, характеристику самозаточки, высокое механическое сопротивление круга и возможность непосредственного соединения абразивного ободка с корпусом круга. В соответствии с одним из вариантов используют связанные ободки шлифования с использованием алмаза или CBN, которые раздроблены до размера от 0,2 до 3 мм, чтобы образовать агломераты.

В патенте Великобритании No.-A-1,228,219 раскрыты конгломераты зерна и связующего материала, которые введены в матрицу полимерного, упругого связующего материала. Связующим материалом, который удерживает зерно в конгломератах, может быть керамический или полимерный материал, однако он должен быть более твердым, чем матрица полимерного, упругого связующего материала.

В патенте США No.-A-4,541,842 раскрыты покрытые абразивы и абразивные круги, сделанные с использованием агрегатов абразивного шлифовального зерна и вспененной смеси застеклованных связующих материалов с другими исходными материалами, такими как углеродная сажа или карбонаты, пригодные для вспенивания в ходе обжига агрегатов. «Гранулы» агрегатов содержат больший процент связующего материала, чем зерна, в объемных процентах. Гранулы, которые используют для изготовления абразивных кругов, спекают при 900°С (до плотности 70 фунт/куб. фут; 1,134 г./куб. см), причем для изготовления круга используют застеклованный связующий материал, который обжигают при 880°С. Круги, изготовленные с использованием 16 объем.% гранул, имеют уровень эффективности шлифования, аналогичный эффективности шлифования кругов сравнения, изготовленных с использованием 46 объем.% абразивного шлифовального зерна. Гранулы имеют открытые ячейки в матрице застеклованного связующего материала, с относительно мелкими абразивными шлифовальными зернами, которые образуют кластеры по периметрам открытых ячеек. Для обжига предварительно агломерированных сырых агрегатов используют барабанную печь, причем эти агрегаты затем вспенивают и спекают для приготовления гранул.

В патенте США No.-A-6,086,467 раскрыты шлифовальные круги, которые содержат абразивное шлифовальное зерно и кластеры зерна наполнителя меньшего размера, чем абразивное шлифовальное зерно. Может быть использован застеклованный связующий материал, а в качестве материала зерна наполнителя может быть использован оксид хрома. Размер зерна кластеров составляет 1/3 или больше от размера абразивного шлифовального зерна. Полученные преимущества включают в себя контролируемую эрозию связующего материала и удержание абразивного шлифовального зерна в применениях шлифования с малым усилием и с использованием суперабразивного шлифовального зерна, причем суперабразивное шлифовальное зерно должно быть разбавлено, чтобы снизить до минимума усилия шлифования. Кластеры зерна наполнителя могут быть образованы с использованием парафина. Ничего не говорится относительно спекания кластеров.

В публикации WO 01/85393 А1 раскрыто трехмерное абразивное изделие, изготовленное с использованием абразивных композиционных материалов, фасонных или неправильной формы, причем имеется несколько монослоев абразивных композиционных материалов. Изделие может иметь пористость внутри композиционного материала. Композиционные материалы содержат абразивные шлифовальные зерна, связанные при помощи первой неорганической или органической матрицы, причем абразивное изделие связано при помощи второго неорганического (металлического, застеклованного или керамического) или органического связующего материала, при этом полученное абразивное изделие имеет ориентировочно от 20 до 80 об.% пористости. Предпочтительное изделие содержит мелкие алмазные абразивные шлифовальные зерна, которые удерживаются в первом и втором застеклованном связующем материале. Это изделие используют для зеркального полирования стекла.

В ряде публикаций описаны покрытые абразивные инструменты, изготовленные с использованием агломерированного абразивного шлифовального зерна. Среди этих публикаций можно привести патент США No.-A.-2,194,472, в котором описаны покрытые абразивные инструменты, изготовленные с использованием агломератов множества относительно мелких абразивных шлифовальных зерен и одной из связок, которые обычно используют в покрытых или связанных абразивных инструментах. Сообщается, что неорганические композиционные материалы, содержащие мелкие зерна алмаза, CBN и других, распадающихся под воздействием теплоты, абразивных шлифовальных зерен, в матрице оксида металла, могут быть использованы в покрытых абразивных инструментах (патент США No.-A-3.916,584). В патенте США No.-A-3.048,482 раскрыты фасонные абразивные микросегменты агломерированных абразивных шлифовальных зерен и органических связующих материалов, в виде пирамид или других конических форм. Фасонные абразивные микросегменты, которые приклеены к волокнистой основе, используют для изготовления покрытых абразивов и для облицовки поверхности тонких шлифовальных кругов. В патенте США No-A-4,311,489 раскрыты агломераты мелкого (не более 200 мкм) абразивного шлифовального зерна и криолита, при необходимости с силикатной связкой, а также их использование при изготовлении покрытых абразивных инструментов. В патенте США No.-A-5,500,273 раскрыты точно отформованные частицы или композиционные материалы из абразивного зерна и полимерного связующего материала, образованные при помощи радикальной полимеризации. Аналогичные фасонные композиционные материалы раскрыты в патентах США No.-А-5,851,247; No.-А-5.714,259 и No.-A-5,342,419. В патентах США No.-5,975,988, No.-6,217,413 В1 и в публикации WO 96/10471 раскрыты покрытые абразивные изделия, которые содержат основу и органически связанный абразивный слой, причем абразив присутствует в виде фасонных агломератов, имеющих форму усеченных четырехгранных пирамид или кубов.

В патенте США No.-A-6,056,794 раскрыты покрытые абразивные изделия (абразивный гибкий инструмент), имеющие основу, органический связующий материал, который содержит твердые неорганические частицы, диспергированные в нем, и агломераты абразивных частиц, связанные с основой. Абразивные частицы в агломератах и твердые неорганические частицы в органическом связующем материале имеют главным образом одинаковые размеры. Агломераты могут иметь случайную или точно определенную форму, причем они изготовлены с использованием органического связующего материала. Твердыми неорганическими частицами могут быть любые частицы типа абразивного шлифовального зерна.

В патенте США No.-6,319,108 В1 раскрыто абразивное изделие, которое содержит твердую основу и керамические абразивные композиционные материалы, сделанные с использованием абразивных частиц в пористой керамической матрице. Композиционные материалы связаны с основой при помощи металлического покрытия, такого как электроосажденный металл. В публикации WO 01/83166 А1 раскрыты абразивные инструменты для шлифования стекла, которые содержат алмазные композиционные материалы, связанные с основой при помощи связующего материала.

В ряде патентов раскрыты абразивные инструменты, которые содержат композиционные материалы с использованием полимерного или другого органического связующего материала и абразивного шлифовального зерна. Большинство из этих инструментов представляют собой покрытые абразивные инструменты, в которых используют полимерный связующий материал для сцепления композитов абразивного шлифовального зерна с гибкой основой. Иногда совместно с абразивными композиционными материалами могут быть использованы металлические связки или эродируемые частицы. В качестве представительных патентов этой группы можно указать патент США No.-A-5,078,753; патент США No.-A-5.578.098; патент США No.-A-5,127,197; патент США No.-A-5,318,604; патент США No.-A-5,910,471 и патент США No.-A-6.217.413.

В патенте США No.-A-4,355,489 раскрыто абразивное изделие (круг, ремень, лист, блок и т.п.), изготовленное из матрицы волнистых нитей, связанных вместе в точках контакта абразивных агломератов, имеющих объем пустот ориентировочно 70-97%. Агломераты могут быть сделаны с использованием застеклованных или полимерных связок и любого абразивного шлифовального зерна. В патенте США No.-A-4,364,746 раскрыты абразивные инструменты, содержащие абразивные агломераты, имеющие различные прочности. Агломераты могут быть сделаны с использованием абразивного шлифовального зерна и полимерных связок, а также могут содержать другие материалы, такие как рубленые волокна, вводимые для повышения прочности или твердости. В патенте США No.-A-4,393,021 раскрыт способ изготовления абразивных агломератов с использованием абразивного шлифовального зерна и полимерной связки, в котором используют полотно из сетки и прокатывают пасту зерна и связки через указанное полотно, чтобы получить экструдат в виде червяков. Полученный экструдат отверждают при помощи нагревания и затем измельчают для образования агломератов.

Несмотря на наличие всесторонней совокупности знаний относительно того, как следует изготавливать абразивные изделия с агломерированным зерном и устранять или создавать пористость в инструменте, до настоящего времени никому не удалось успешно изменять базовую структуру композиционного материала трехмерного, монолитно связанного абразивного инструмента с агломерированным зерном, таким образом, чтобы градация твердости и структура инструмента больше не могла быть использована для предсказания эффективности шлифования. Никто не использовал агломерированное зерно для изготовления инструментов с объемной процентной структурой, которую трудно или невозможно изготовить с использованием обычного абразивного шлифовального зерна в органических связующих материалах. В частности, в соответствии с настоящим изобретением было определено, что без ухудшения механической прочности, снижения срока службы инструмента или эксплуатационных качеств инструмента можно получить относительно высокие объемные проценты пористости (например, около 30 объем.%) в связанных абразивных инструментах, сделанных с использованием органических связующих материалов. Кроме, того теперь в инструментах в соответствии с настоящим изобретением могут быть достигнуты существенные изменения модуля упругости и других физических свойств как для неорганически связанных, так и для органически связанных инструментов.

В связанных абразивах, сделанных с использованием органических связующих материалов, связующие материалы следует считать наиболее важным фактором в изменении градации твердости и структуры, чтобы получить соответствующую или достаточную механическую прочность или жесткость. Совершенно неожиданно оказалось, что настоящее изобретение позволяет делать инструменты с более низким содержанием абразивного шлифовального зерна в диапазоне содержаний связующего материала и позволяет использовать эти инструменты в приложениях шлифования, в которых требуется высокая механическая прочность инструментов и высокая стойкость к преждевременному изнашиванию (определенному как износ структуры инструмента, который является более быстрым, чем износ абразивного шлифовального зерна). В применениях плоского шлифования с большой контактной зоной инструменты в соответствии с настоящим изобретением фактически работают лучше, чем обычные инструменты, изготовленные с более высокими содержаниями связующего материала и абразивного шлифовального зерна.

Ни одна из предшествующих работ в области агломерированного абразивного шлифовального зерна не намекает на выгоды, которые могут быть получены в связанных абразивных инструментах за счет использования определенных, агломерированных абразивных шлифовальных зерен, в матрице органического или неорганического связующего материала, для управления трехмерной структурой связанного абразивного инструмента. В частности, совершенно неожиданно оказалось, что эти агломераты могут быть адаптированы для управления местоположением и типом пористости и матрицей связующего материала в структуре инструментов в соответствии с настоящим изобретением.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается связанный абразивный инструмент, который содержит трехмерный композиционный материал, который имеет: (а) первую фазу, содержащую 24-48 объем.% абразивных шлифовальных зерен, связанных с 10-38 объем.% органического связующего материала, и меньше чем 10 объем.% пористости; и (b) вторую фазу, имеющую 38-54 объем.% пористости; в котором вторая фаза представляет собой непрерывную фазу в композиционном материале, причем связанный абразивный инструмент имеет минимальную разрывную скорость, составляющую 4000 линейных футов в минуту (20.32 м/с).

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются также связанные абразивные инструменты, которые содержат трехмерный композиционный материал, имеющий: (а) 22-46 объем.% абразивных шлифовальных зерен, связанных с 4-20 объем.% неорганического связующего материала; и (b) 40-68 объем.% взаимосвязанной пористости; причем большинство абразивных шлифовальных зерен присутствуют в виде неправильных пространственных кластеров в композиционном материале; при этом связанные абразивные инструменты имеют величины модуля упругости, которые по меньшей мере на 10% ниже, чем величины модуля упругости для идентичных в других отношениях обычных инструментов, имеющих правильно расположенные абразивные шлифовальные зерна в трехмерном композиционном материале; причем связанные абразивные инструменты имеют минимальную разрывную скорость, составляющую 4000 линейных футов в минуту (20.32 м/с).

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ шлифования на абразивном круге, который включает в себя следующие операции:

(a) использование связанного абразивного круга, содержащего трехмерный композиционный материал, который имеет: (i) первую фазу, содержащую 24-48 объем.% абразивных шлифовальных зерен, связанных с 10-38 объем.% органического связующего материала, и меньше чем 10 объем.% пористости; и (ii) вторую фазу, имеющую 38-54 объем.% пористости; причем вторая фаза представляет собой непрерывную фазу в композиционном материале, при этом связанный абразивный инструмент имеет минимальную разрывную скорость, составляющую 4000 линейных футов в минуту (20.32 м/с).

(b) установка связанного абразивного круга на плоскошлифовальный станок;

(c) вращение круга; и

(d) введение поверхности шлифования круга в контакт с обрабатываемой деталью на промежуток времени, достаточный для шлифовки обрабатываемой детали; причем круг удаляет (снимает) материал обрабатываемой детали с эффективной скоростью удаления, при этом поверхность шлифования круга остается главным образом свободной от шлифовальной стружки, причем после завершения шлифования обрабатываемая деталь главным образом не имеет теплового повреждения.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ глубинного шлифования, который включает в себя следующие операции:

(а) использование связанного абразивного круга, содержащего трехмерный композиционный материал, который имеет: (i) 22-46 объем.% абразивных шлифовальных зерен, связанных с 4-20 объем.% неорганического связующего материала; и (ii) 40-68 объем.% взаимосвязанной пористости; причем большинство абразивных шлифовальных зерен присутствуют в виде неправильных пространственных кластеров в трехмерном композиционном материале; при этом связанный абразивный инструмент имеет значение модуля упругости, которое по меньшей мере на 10% ниже, чем значение модуля упругости для идентичного в других отношениях обычного инструмента, имеющего правильно расположенные абразивные шлифовальные зерна в трехмерном композиционном материале; причем связанный абразивный инструмент имеет минимальную разрывную скорость, составляющую 4000 линейных футов в минуту (20.32 м/с);

(b) установка связанного абразивного круга на станок для глубинного шлифования;

(c) вращение круга; и

(d) введение поверхности шлифования круга в контакт с обрабатываемой деталью на промежуток времени, достаточный для шлифовки обрабатываемой детали; при этом круг удаляет материал обрабатываемой детали с эффективной скоростью удаления, причем после шлифования обрабатываемая деталь главным образом не имеет теплового повреждения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана троичная диаграмма сравнения относительного объемного процента структур композиций стандартных органически связанных (связанных с использованием органического связующего материала) абразивных инструментов в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показана троичная диаграмма сравнения относительного объемного процента структур композиций стандартных органически связанных абразивных инструментов со структурами композиций органически связанных абразивных инструментов в соответствии с настоящим изобретением, изготовленных с агломератами абразивного шлифовального зерна, содержащими неорганические связующие материалы.

На фиг.3 показана троичная диаграмма, отображающая диапазон объемного процента структур композиций стандартных неорганически связанных абразивных инструментов, причем структуры композиций неорганически связанных абразивных инструментов в соответствии с настоящим изобретением изготовлены с агломератами абразивного шлифовального зерна, содержащими неорганические связующие материалы, при этом неорганические связующие материалы характеризуются существенно более низкими величинами модуля упругости, но эквивалентными величинами разрывной скорости круга, по сравнению со стандартными инструментами.

На фиг.4 показана микрофотография поверхности стандартного связанного абразивного инструмента, изготовленного с использованием органического связующего материала, где можно видеть однородное распределение трех компонентов абразивного композиционного материала.

На фиг.5 показана микрофотография поверхности связанного абразивного инструмента в соответствии с настоящим изобретением, изготовленного с использованием органического связующего материала, где можно видеть неоднородное распределение трех компонентов абразивного композиционного материала, пористость (более темные области) в виде непрерывной фазы в композиционном материале и сетку абразивного шлифовального зерна, закрепленную в органическом связующем материале.

Описание предпочтительных вариантов

Связанные абразивные инструменты

Связанные абразивные инструменты в соответствии с настоящим изобретением (шлифовальные круги, шлифовальные сегменты, шлифовальные диски, шлифовальные камни и хоны, совместно именуемые инструментами или кругами) характеризуются неизвестной ранее комбинацией структуры инструмента или круга и физических свойств. Используемый здесь термин «структура круга» относится к объемному проценту абразивного шлифовального зерна, связующего материала и пористости, которые имеются в шлифовальном круге. "Градация" твердости круга имеет буквенное обозначение, соответствующее поведению (работе) крута в операции шлифования. Для данного типа связующего материала градация твердости является функцией пористости круга, содержания зерна и некоторых физических свойств, таких как плотность в отвержденном состоянии, модуль упругости и проникновение песчаной струи (последнее обычно относится к застеклованным связанным кругам). «Градация» круга предсказывает, насколько стойким к износу будет круг во время шлифования и насколько твердым будет круг при шлифовании, то есть сколько мощности потребуется для использования круга в данной операции шлифования. Буквенное обозначение градации круга присваивают в соответствии с известной шкалой градаций фирмы Norton, причем самые мягкие градации обозначаются буквой А, а самые твердые градации обозначаются буквой Z (см., например, патент США No.-A-1,983,082). При сопоставлении градаций круга специалист обычно может составить спецификацию нового круга по аналогии с известным кругом и предсказать, что новый круг будет работать аналогично известному кругу.

Совершенно неожиданно оказалось, что для инструментов в соответствии с настоящим изобретением, которые характеризуются чередованиями в их трехмерных, монолитных структурах композиционного материала, в частности в количестве и характере компонента пористости, невозможно предсказать характеристики шлифования по градации (твердости) инструмента и структуре.

В случае изготовления с органическим связующим материалом инструменты в соответствии с настоящим изобретением могут иметь такие объемные проценты компонентов в структурах (например, пористость свыше 30 объем.%), которые трудно или невозможно получить при помощи известных процессов. Эти новые структуры могут быть получены без ухудшения механической прочности, срока службы инструмента или эксплуатационных параметров инструмента. В соответствии с предпочтительным способом эти структуры изготавливают со смесью абразивного шлифовального зерна, в которой большинство абразивного шлифовального зерна находится в виде агломератов абразивного шлифовального зерна с органическим связующим материалом неорганическим связующим материалом или смесью того и другого.

При изготовлении с неорганическим связующим материалом инструменты в соответствии с настоящим изобретением могут иметь такие же объемные проценты компонентов в структурах (см. фиг.3), что и обычные инструменты, однако при существенно более низком, например, по меньшей мере на 10% ниже, значении модуля упругости, и часто при значении модуля упругости на 50% ниже, без какой-либо эффективной потери механической прочности. Несмотря на падение жесткости инструменты в соответствии с настоящим изобретением обладают приемлемыми для практического применения значениями разрывной скорости и существенно лучшими скоростями удаления (съема) материала в некоторых операциях шлифования. В соответствии с предпочтительным способом эти структуры изготавливают с использованием смеси абразивного шлифовального зерна, в которой большинство абразивного шлифовального зерна имеет вид агломератов абразивного шлифовального зерна с неорганическим связующим материалом.

На фиг.1-5 показаны характеристики новых структур инструментов в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 показана троичная диаграмма с двумя зонами, определяющими два набора кругов (известные ранее круги и экспериментальные круги в соответствии с настоящим изобретением), изготовленных с органическим связующим материалом. Известные круги и круги в соответствии с настоящим изобретением годятся для практического использования при точных операциях плоского или линейного шлифования, проводимых в тесном контакте (с заготовкой), таких как операции шлифования на абразивном круге или вальцешлифование. Обычные круги имеют структуры, содержащие от 38 до 52 объем.% зерна, от 12 до 38 объем.% связующего материала и от 15 до 37 объем.% пористости. В отличие от этого круги в соответствии с настоящим изобретением имеют структуры, которые содержат от 24 до 48 объем.% зерна, от 10 до 38 объем.% связующего материала и от 38 до 54 объем.% пористости. Легко можно видеть, что круги в соответствии с настоящим изобретением имеют сущес