СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА Российский патент 1996 года по МПК B24D3/32 

Изобретение относится к получению шлифовальных кругов для чистовой обработки медных сплавов, которые могут быть использованы для шлифования медных формных цилиндров, применяемых в глубокой печати, а также при обработке медных печатных цилиндров, применяемых в текстильной и химической промышленности.

Известен способ получения материала для изготовления полировальных инструментов (патент США, N 4459779, кл. В 24 D 3/32, опубл. 17.07.84), в котором абразивосодержащий материал получают путем смешивания абразивных частиц определенного размера со смесью маловязкого полиэфирного полиоля, полиизоционата, вода и катализатора. Затем полученную смесь помещают в пресс-форму, предварительно нагретую до 40-70^оС под давлением 4,2-8,4 кгс/см², и выдерживают при 150^оС. При этом происходит быстрая реакция отверждения с образованием структуры плотностью 0,5 кгс/см³.

Основными достоинствами данного способа являются возможность широкого варьирования хрупкими и пластическими свойствами получаемой полиуретановой связки, а также ее высокие прочностные свойства и водостойкость.

Однако, используемые в данном способе изоционаты представляют собой высокотоксичные летучие вещества, работа с которыми возможна только в противогазах. Кроме того, при производстве абразивных инструментов по данному способу практически невозможно избежать утечек вредных компонентов в атмосферу, что приводит к ухудшению экологической обстановки в районе производства.

Следует также отметить, что значительная ажурность структуры, получаемой данным способом, не позволяет достичь высокой износостойкости абразивных инструментов, а замкнутость структуры не позволяет пропускать через себя СОЖ при работе шлифовальных кругов, необходимую для охлаждения зоны обработки.

Известен также пористый шлифовальный круг и способ его получения (заявка Японии N 61-11747, кл. В 24 D 3/32, опубл. 04.04.86).

По данному способу в качестве связки используют смолу, полученную в результате реакции омыляющего вещества и сополимера этилена и винилацетата или продукта омыления этилена и винилацетата с альдегидом жирного или ароматического ряда. Вспенивание полученной смеси ведут механическим путем.

Достоинством данного способа является то, что полученные таким образом ацетали обладают высокой прочностью, хорошей влагостойкостью, большим набором свойств от высокохрупких до высокопластичных. Пористость шлифовального круга, получаемого таким способом, является открытой и легко проводит воду и СОЖ.

К недостаткам данного способа получения шлифовальных кругов следует отнести то, что процесс ацетилирования идет достаточно медленно (10-20 ч) в среде, содержащей высокий процент соляной или серной кислот, формалин или другой сильный альдегид, которые относятся к токсическим веществам второй группы вредности.

Кроме того, получаемая таким образом структура не обладает достаточной прочностью и термостойкостью, а концентрацию абразивного порошка невозможно повысить сверх 10-15 об.ч. вследствие того, что вспененный полимер не может удержать абразивные частицы в пене, и они осаживаются на дно формы. Все это не позволяет достичь высокой износостойксти шлифовальных кругов.

Существует также способ получения неплавкого высокопрочного поропласта из поливинилбутираля, имеющего открытую структуру, который может быть использован в качестве основы пористых шлифовальных кругов. Способ принят за прототип. По этому способу пластифицированный поливинилбутираль с содержанием около 3% ацетильных групп смешивают с 40% твердого, измельченного до необходимых размеров (требуемые размеры пор) порообразователя, в качестве которого берут 4,4'-бифенилсульфонилазид (дисульфонилазид).

Смесь обрабатывается на каландровых вальцах при 100-110^оС, при этом происходит дополнительное перемешивание, предварительное спекание и формование смеси в листы заданного размера. Разложение дисульфонилазида при данной температуре не происходит. Провальцованную смесь нагревают затем в открытой форме для проведения термоотверждения при 140^оС в течение 64 ч. Параллельно с отверждением изделия при данной температуре происходит удаление твердого порообразователя вследствие разложения дисульфонилазида на газообразные продукты, вследствие чего в структуре материала образуются поры, равные по объему количеству дисульфонилазида в его твердом состоянии. Эти поры открыты потому, что температура разложения дисульфонилазида соответствует температуре начала окисления поливинилбутираля и образования между его молекулами поперечных связей, вследствие чего поливинилбутираль теряет пластичность, а замкнутые объемы пор под действием газов разрываются. Объем получаемого поропласта соответствует объему смеси до отверждения.

Такой пенопласт обладает отличными прочностными свойствами, высокой температурной стойкостью и влагостойкостью. Благодаря открытой структуре он хорошо пропускает через себя воду и СОЖ.

Основным недостатком данного поропласта, затрудняющим его использование в качестве связки шлифовального круга, является его повышенная хрупкость, связанная с тем, что отверждение поливинилбутираля производится в основном за счет его окисления. Повышенная хрупкость термоокисленного поливинилбутираля не позволяет изготовить на его основе шлифовальные круги, обладающие повышенной износостойкостью.

Кроме того, процесс термоотверждения поливинилбутираля протекает чрезвычайно медленно (до 64 ч), что связано как с медленностью процесса разложения дисульфонилазида, так и с необходимостью обеспечения равномерности окисления изделия по его объему.

Задачей изобретения является изменение свойств известного поропласта для использования его в качестве связки пористого шлифовального круга, обладающего повышенной износостойкостью, и обеспечивающего необходимое качество обработки поверхности, отсутствие засаливания, требуемую производительность шлифования.

Другими важными задачами, частично решаемыми в изобретении, являются сокращение времени, затрагиваемого на изготовление шлифовальных кругов и уменьшение выбросов в атмосферу вредных веществ, присутствующих в продуктах разложения дисульфонилазида и в продуктах, получаемых в результате окисления поливинилбутираля.

Поставленные задачи являются актуальными. Это связано с тем, что при использовании шлифовальных кругов зарубежных фирм стоимость которых составляет 35-50 долларов США, доля операции шлифования в себестоимости изготовления полиграфических формных цилиндров составляет 30-40% В связи с этим стоимость абразивных шлифовальных кругов, переносимая на себестоимость изготовления одного формного цилиндра, составляет 10-15 долларов США. В то же время снижение стоимости абразивных шлифовальных кругов за счет изготовления их из отечественного сырья и повышение их стойкости в 2-3 раза снижают себестоимость операции шлифования формных цилиндров до 50-60 руб. что более чем в 30 раз дешевле, чем при использовании кругов зарубежных фирм. Годовой экономический эффект от использования отечественных кругов на полиграфическом предприятии при программе изготовления формных цилиндров 500 шт. составляет примерно 5000 долларов США. Общий экономический эффект от использования предлагаемых кругов в Российском регионе с учетом их годовой потребности в 2500-3000 шт. составляет около 100 тыс. долларов США.

Задача может быть решена тем, что в известном способе смесь поливинилбутираля и твердого порообразователя добавляют абразивный порошок и формируют изделие путем прессования с последующим спеканием, а отверждение производят при температуре, превышающей температуру спекания без доступа кислорода.

Кроме того, термоотверждение производят при 250-300^оС в течение 2,5-4 ч, а компоненты шлифовального круга берут в соотношении, об. Абразивный порошок 20-25 Поливинилбутираль 32-38 Твердый порообразователь 40-45
В качестве твердого порообразователя берут смесь возгоняемых и растворяемых твердых веществ в соотношении (1:100)-(1:10).

Шлифовальный круг по предлагаемому способу изготавливают следующим образом.

Очищенную и просеянную смесь абразивного шлифпорошка, порошка поливинилбутираля и твердый порообразователь, представляющий собой смесь химически чистой поваренной соли и пороформа Х43-57 в соотношении 50:1 ((100:1)-(10: 1)), закладывают в пресс-форму и прессуют под давлением, превышающем прочность поливинилбутираля на смятие. При нормальной температуре это давление соответствует 500-600 кгс/см². При предварительном нагреве смеси до 100^оС это давление может быть снижено до 100 кгс/см² и менее. Затем прессованную заготовку помещают в замкнутую металлическую форму и нагревают в печи до температуры 120 ± 10^оС, которую поддерживают в течение 1-1,5 ч.

Процесс спекания может быть осуществлен и при других режимах. Так в способе прототипе образование сплошной массы из смеси порошков осуществляется на каландровых вальцах при 100-110^оС и лишь затем осуществляется формообразование путем прокатывания между вальцами в размер.

Ограничение температуры спекания в способе-прототипе вызвано необходимостью не допустить возгонки дисульфонилазида, выбранного в качестве порообразователя. Однако известно, что процесс спекания происходит наиболее эффективно при температуре на 50-70^оС выше температуры стеклования полимера, которая для поливинилбутираля составляет 53^оС. В то же время температура спекания не должна превышать 130^оС, выше которой начинают образовываться поперечные связи, и поливинилбутираль отверждается.

Процесс спекания частиц поливинилбутираля идет эффективно при пластической деформации смеси на каландровых вальцах. Однако использование их в случае присутствия абразивных частиц в смеси не желательно вследствие быстрого износа вальцов абразивными частицами и попадания железа в смесь, что ухудшает свойства поливинилбутираля.

В качестве возгоняемой части твердого порообразователя возможно использование практически любых твердых порообразователей. Использование их необходимо только для того, чтобы получить открытую структуру круга, облегчая тем самым последующую промывку шлифовального круга для удаления частиц соли. Опытным путем установлено, что для этой цели достаточно 1/100 об.ч. возгоняемого порообразователя по отношению к общему объему всего порообразователя. Повышение объемного соотношения порообразователей более 1/10 может приводить к изменению объема и формы шлифовального круга во время спекания за счет повышения давления газов внутри спекаемого круга.

Термоотверждение поливинилбутиральной связки производят повышением температуры непосредственно сразу после спекания.

При температуре выше 140^оС начинает происходить отверждение поливинилбутираля. При этом протекают два процесса (Ушаков С.Н. Поливиниловый спирт и его производные. М.-Л. АН СССР, 1960, с.867). Первый процесс связан с окислением поливинилбутираля. В этом случае происходит разрушение альдегидного кольца и образование в цепи полимера карбонильных и гидроксильных групп. Второй процесс связан с образованием под действием высоких температур мостичных эфирных связей между цепями и дегидратацией, в процессе которой гидроксильные группы отщепляют воду с образованием этиленовой связи в цепи полимера. Появление этиленовой связи приводит к появлению темной окраски и превращению поливинилбутираля в полиэтилен. С точки зрения улучшения свойств поливинилбутираля представляет интерес только процесс образования поперечных связей под действием высокой температуры, в результате которого материал набирает необходимую прочность и твердость. В то же время окисление поливинилбутираля является отрицательным процессом, поскольку приводит к его значительному охрупчиванию.

Вследствие этого, высокотемпературную обработку поливинилбутираля следует проводить без доступа кислорода. Для этого достаточно незначительного уплотнения замкнутой формы, в которую помещают заготовку, поскольку образующиеся в результате температурной обработки пары легкой фракции поливинилбутираля, масляного альдегида и других газов полностью перекрывают доступ кислорода воздуха внутрь формы. Отсутствие кислорода воздуха позволяет повысить температуру выше 250^оС, при которой процесс образования поперечных связей происходит наиболее быстро. Образование этиленовых связей в цепи полимера в этом случае не происходит, и поливинилбутираль охрупчивается только за счет образования поперечных связей. Термообработанный поливинилбутираль не приобретает темно-коричневую окраску, напротив, окраска его остается светло-желтой с небольшим зеленоватым оттенком.

Длительность высокотемпературной обработки зависит от свойств связки круга, которые необходимо получить. Образование поперечных связей завершается за 1,5-2 ч после полного нагрева формы до 250оС. Дальнейшее нагревание приводит, как правило, к появлению дополнительной хрупкости поливинилбутираля в основном за счет проникновения кислорода воздуха сквозь неплотности формы.

Наиболее оптимальный с технической точки зрения промежуток времени нагрева заготовки составляет 3-4 ч. За это время поливинилбутираль не успевает сколько-нибудь значительно окислиться, а структура шлифовального круга получается наиболее равномерной вследствие более полного прогрева внутренних областей заготовки.

После высокотемпературной обработки шлифовальные круги охлаждаются в печи до 100-150^оС, после чего их можно вынимать из замкнутых форм и охлаждать на воздухе. Это необходимо для предотвращения окисления поливинилбутираля на воздухе при выемке шлифовальных кругов из печи.

Для удаления поваренной соли круги помещают в промывочную камеру, где под давлением через них подается проточная вода. После промывки круги сушатся и упаковываются.

Качество получаемых шлифовальных кругов зависит также от используемой марки поливинилбутираля. Однако, эта зависимость не является определяющей.

Для производства шлифовальных кругов использовали все имеющиеся марки поливинилбутираля. Наилучшие результаты были достигнуты для клеевого поливинилбутираля марки А (ГОСТ 9439-73).

В качестве связки шлифовальных кругов использовали также и другие поливинилацетали, такие как поливинилформаль, поливинилбензоль и т.д.

Однако, после термообработки при высокой температуре физические свойства различных ацеталей приближаются друг к другу, а поливинилбутираль имеет преимущество по сравнению с другими ацеталями из-за своей дешевизны и из-за хорошей пластичности, облегчающей прессование кругов до их термообработки.

Большое значение для работоспособности шлифовального круга имеет соотношение компонентов. Увеличение концентрации абразивных зерен приводит к уменьшению усилия их удержания, что, в свою очередь, приводит к большой сыпучести шлифовальных кругов. Аналогично влияет увеличение их пористости. С другой стороны снижение пористости за счет увеличения процентного содержания связки приводит к увеличению вероятности засаливания шлифовальных кругов. Стойкость шлифовальных кругов повышается с уменьшением их сыпучести, а режущая способность с увеличением концентрации абразивных зерен. Данные испытания производительности шлифования, стойкости и засаливаемости от изменения состава шлифовальных кругов приведены в табл.1.

Из табл.1 видно, что повышение концентрации поливинилбутиральной связки свыше 35 об. приводит к сильному засаливанию кругов, последние при этом становятся не работоспособными. Снижение концентрации связки менее 30% уменьшает их износостойкость. Снижение пористости менее 40 об. также усиливает засаливаемость вследствие ухудшения условий охлаждения шлифуемой поверхности. Чрезмерное снижение концентрации абразива приводит к снижению стойкости шлифовальных кругов.

Сказанное характерно для зернистости кругов М63 (280 меш.). Для кругов меньшей зернистости вследствие ухудшения условий для смачиваемости и удаления стружки оптимальное соотношение смещается в сторону уменьшения концентрации поливинилбутираля и увеличения пористости кругов. Вследствие этого следует считать, что область оптимальных концентраций для кругов зернистостью М63-М10 (280 меш. 2000 меш.) лежит в следующих пределах, об. Поливинилбутираль 32-38 Абразивный порошок 20-25 Пористость 40-45
По сравнению с твердыми хрупкими связками, обычно используемыми для пористых шлифовальных кругов, связка из поливинилбутираля смещает область отсутствия засаливания в сторону меньшей пористости и большей концентрации абразива, что создает предпосылки для повышения стойкости шлифовальных кругов. Меньшая засаливаемость поливинилбутиральной связки обусловлена ее упругопластическими свойствами и большей чувствительностью к воде, что определяет ее хорошую смачиваемость. Кроме того, температурная обработка поливинилбутиральной связки позволяет еще более приблизиться к оптимальному сочетанию прочностных и упругопластических свойств связки.

Достижение поставленной задачи может быть показано сравнительными испытаниями пористых шлифовальных кругов, используемых для обработки медных формных цилиндров. Испытания проводили на станках фирмы "Вальтер" в типографиях издательств "Советская Сибирь" (г. Новосибирск), "Пресса" (г. Москва), 3-я военная типография (г. Москва) и химическом заводе АО "Мамонтовка" (г. Пушкино, Московской области). Испытывались шлифовальные круги фирмы "Канебо" (Япония), изготовленные на основе фенолформальдегидной смолы с добавками каучука методом прессования, фирмы "Вальтер" (Германия), изготовленные на основе меламиномочевиноформальдегидных смол, вспененные при отверждении смолы, фирмы "Норитаки" (Япония), изготовленные на основе поливинилформаля методом отверждения пены. На всех предприятиях испытывались также шлифовальные круги, изготовленные МНПП "Интекс" по предлагаемой технологии. Результаты испытаний усреднены и приведены в табл.2.

Испытания показали, что шлифовальные круги, изготовленные по предлагаемой технологии, обладают режущей способностью на уровне существующих образцов, но превышают их по стойкости в 2-3 раза.

Использование: при изготовлении шлифовальных кругов для чистовой обработки медных сплавов. Сущность изобретения: пористый шлифовальный круг по предлагаемому способу из смеси поливинилбутираля, твердого порообразователя и абразивного порошка, которые берут в соотношении, об.%: абразивный порошок 20 - 25; поливинилбутираль 32 - 38; твердый порообразователь 40 - 45; формуют заготовку. Затем ее прессуют и спекают. Окончательное отверждение производят без доступа кислорода при 250 - 300^oС в течение, 2,5 - 4 ч. В качестве твердого порообразователя берут смесь возгоняемых и растворяемых твердых веществ в соотношении (1-100)-(1:10), которые частично испаряются во время спекания, образуя открытую пористость и растворяются полностью после отверждения во время промывки готового шлифовального круга. 3 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА, при котором смешивают поливинилбутираль и твердый порообразователь, формуют заготовку, спекают ее, а затем термоотверждают при температуре, превышающей температуру спекания, после чего удаляют порообразователь, отличающийся тем, что в указанную смесь вводят абразивный порошок, а формование производят прессованием, при этом термоотверждение производят без доступа кислорода. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термоотверждение производят при 250 - 300^oС в течение 2,5 - 4 ч. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что ингредиенты в абразивной смеси берут в следующем соотношении, об.%:
Абразивный порошок (М10-М63) - 20 - 25
Поливинилбутираль - 32 - 38
Твердый порообразователь - 40 - 45
4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в качестве твердого порообразователя берут смесь возгоняемого и растворяемого твердых веществ в соотношении 1 : 100 - 1 : 10 соответственно.