ПОЛИЗЕРНИСТАЯ МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСТРУКТУРНОГО АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2014 года по МПК B24D3/18 B24D3/34 

Изобретение относится к производству абразивных инструментов на керамических связках с высокими номерами структуры.

Из уровня техники известна масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента, содержащая жаростойкий наполнитель в виде полых сферических частиц из электрокорунда, причем величина сферических частиц равна 0,45-0,65 величины абразивных зерен при содержании последних 30-37 об.% (Авторское свидетельство №1073082, В24D 3/14, 1984 г.)

Основным недостатком абразивных инструментов, изготовленных из указанного состава, является то, что повышенная пористость достигается за счет увеличения содержания жаростойкого сферического наполнителя, что, в свою очередь, уменьшает твердость абразивного инструмента. Это приводит к повышенному износу инструмента при форсированных режимах обработки.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, керамическую связку и наполнитель в виде полых сферических частиц из алюмосиликата в виде смеси частиц размером от 5 до 560 мкм в количестве 2-200 об.% абразива. Дополнительно масса может содержать выгорающий наполнитель в количестве 5-250% объемного содержания алюмосиликатного наполнителя и наполнитель в виде полых сферических частиц из легкоплавкого стекла в количестве 5-100% объемного содержания алюмосиликатного наполнителя как по отдельности, так и в смеси двух наполнителей с суммарным содержанием от 5 до 250% объемного содержания алюмосиликатного наполнителя (см. Патент РФ №2152298, B24D 3/18, 2000 г.)

Результатами исследования технологичности изготовления шлифовальных кругов на основе электрокорунда белого и карбида кремния зеленого установлено, что применение составов абразивных масс в известном техническом решении целесообразно только для производства инструмента с номерами структуры до 12, то есть при объемном содержании абразива не менее 38%. При изготовлении абразивного инструмента с более высокими номерами структуры его объемная деформация (усадка) после высокотемпературного обжига достигает критических значений, при которых создаются предпосылки для появления трещин и возможного разрушения шлифовальных кругов (Старков В.К. «Шлифование высокопористыми кругами», М., Машиностроение, 2007, стр.207). При повышении номера структуры инструмента до 22 объемная деформация инструмента, изготовленного с использованием наполнителя в виде полых сферических частиц из алюмосиликата и легкоплавкого стекла в смеси с выгорающим наполнителем в виде молотых фруктовых косточек по прототипу может достигнуть 38,1% (Старков В.К. «Шлифование высокопористыми кругами», М., Машиностроение, 2007, стр.208).

Для повышения номера структуры абразивного инструмента или его структурности необходимо уменьшать объемное содержание абразива в массе для его изготовления. Для снижения возрастающей деформации абразивного инструмента при уменьшении содержания абразива в нем необходимо компенсировать его отсутствие дополнительным введением наполнителей.

В качестве наполнителя могут быть использованы, например, корундовые, алюмосиликатные и стеклянные полые сферические частицы, молотые фруктовые косточки (см. Патент РФ №2152298, B24D 3/18, 2000 г.) или нафталин (см. Старков В.К. «Шлифование высокопористыми кругами», М, Машиностроение, 2007, стр.48).

Недостатком шлифовальных кругов, изготовленных из абразивной массы с введением в нее двух и более указанных наполнителей является невозможность изготовления однородной массы из-за существенной разноплотности вводимых в нее компонентов. Диапазон изменения плотности компонент абразивной массы, например, на основе электрокорунда белого на керамической связке составляет для зерна 3,95 г/см3, связки 2,5 г/см3, фруктовых косточек 1,5 г/см3 и полых сферических частиц 0,4-0,7 г/см3, то есть разноплотность может колебаться почти в 10 раз.

Следствием неоднородности формируемой абразивной массы при ее приготовлении смешиванием становится повышенная нестабильность твердости в объеме инструмента и разброс величин его неуравновешенности масс.

Основным недостатком абразивного инструмента изготавливаемого с использованием выгорающего наполнителя и наполнителя в виде полых сферических частиц из корунда, алюмосиликата и стекла, является повышенная его деформация (усадка) при сушке и высокотемпературного спекания.

Технический результатом заявленного технического решения является снижение объемной деформации при высокотемпературном спекании инструмента.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что полизернистая масса для изготовления высокоструктурного абразивного инструмента, включающая абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, согласно изобретению, состоит из смеси зерен трех групп, причем первая группа - зерна размером в пределах 160-420 мкм; вторая - зерна размером в пределах 120-159 мкм; третья - зерна размером в пределах 50-119 мкм, при этом суммарное объемное содержание первых двух групп соответствует объемному содержанию абразива для заданного номера структуры абразивного инструмента, а объемное содержание зерен третьей группы составляет 5-15% от объемного содержания зерен первой группы, а наполнитель представляет собой смесь частиц фруктовых косточек с размерами в диапазоне 250-800 мкм в количестве 5-15% от объема абразивной массы.

Оптимально наполнитель выполнен в виде смеси полых сферических частиц из алюмосиликата размером в диапазоне от 85 до 560 мкм в количестве 20-50% об. абразива с большей зернистостью.

Дополнительное введение в массу абразивных зерен с небольшим относительно двух других зернистостей размерами не влияет на режущую способность инструмента. Они практически не участвуют в процессе удаления обрабатываемого материала, который обеспечивается абразивными зернами на рабочей поверхности инструмента с размерами в 2-8 раз больше, чем у зерен третьей зернистости.

Преимуществом полизернистой массы, состоящей из трех групп зерен с различными размерами является повышение роли абразивных зерен в улучшении технологичности изготовления инструмента. Использование более мелкой зернистости по размерам зерен с одинаковой плотностью с рабочими абразивными зернами обеспечивает более однородное перемешивание полизернистой массы с формированием ее более однородной объемной структуры. Повышается также количество твердых центров кристаллизации расплавленной керамической связки при ее остывании с образованием прочной химической связи «зерно-связка».

Примеры использования заявленной полизернистой массы приведены ниже.

Пример 1.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость) F100 и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=16 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25A с размером 160 мкм (зернистость F80) - 28 Абразивное зерно марки 25A с размером 120 мкм (зернистость F100) - 2 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна размером 120 мкм (зернистость F100) - 30 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 1,4 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 5% Керамическая связка К5С - 8

Фруктовая косточка КФ25 с размером 250 мкм (наполнитель) - 5 Клеящие и увлажняющие добавки - 22

Пример 2.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=18 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25A с размером 160 мкм (зернистость F80) - 22 Абразивное зерно марки 25A с размером 120 мкм (зернистость F100) - 4 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 26 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) -1,8 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 8,2% Керамическая связка К5С - 8,5 Фруктовая косточка КФ40 с размером 400 мкм (наполнитель) - 8 Клеящие и увлажняющие добавки - 23

Пример 3.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=20 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 19 Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) - 3 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 22 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 2,1 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 11,05% Керамическая связка К5С - 9 Фруктовая косточка КФ63 с размером 630 мкм (наполнитель) - 11 Клеящие и увлажняющие добавки - 24

Пример 4.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=22 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 16 Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) - 2 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 18 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 2,4 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 15% Керамическая связка К5С - 9,5 Фруктовая косточка КФ80 с размером 800 мкм (наполнитель) - 15 Клеящие и увлажняющие добавки - 25

Недостатком шлифовальных кругов, изготовленных на основе абразивной массы, содержащей полые сферические частицы из алюмосиликата в виде смеси частиц с размерами от 5 до 560 мкм, является также то, что в ее составе находится 20-29% алюмосиликатных частиц с размерами от 5 до 84 мкм. Указанные мелкоразмерные частицы алюмосиликата из-за отсутствия в них внутренней полости обладают повышенной плотностью в сравнении с алюмосиликатными частицами более крупных размеров, склонны к сегрегации в процессе приготовления (смешивания) абразивной массы, при высокотемпературном обжиге инструмента не расплавляются и мигрируют по жидкой связке под действием силы тяжести к нижней поверхности установленного на поддоне инструмента. По указанным причинам введение в абразивную массу алюмосиликатных частиц размером от 5 до 84 мкм негативно отражается на стабильности твердости в объеме инструмента и способствует формированию повышенных величин его неуравновешенности масс (дисбаланса).

Технически не представляет трудностей удаление из готового продукта в виде алюмосиликатных частиц размером от 5 до 560 мкм его мелкой фракции размером от 5 до 84 мкм дополнительным рассевом.

Если использовать алюмосиликатные полые сферические частицы размером от 85 до 560 мкм в количестве 20-50% объемного содержания абразивного зерна с наибольшей зернистостью в качестве дополнительного наполнителя эффективность изготовления высокоструктурных кругов с номерами структуры от 16 до 22 возрастает.

Возможные примеры составов абразивной массы с дополнительным введением в нее наполнителя в виде алюмосиликатных полых сферических частиц размером от 85 до 560 мкм излагается ниже.

Пример 5.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=16 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 28 Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) - 2 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 30 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 1,4 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 5% Керамическая связка К5С - 8 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм - 5,6 Относительное содержание алюмосиликатных полых сферических частиц к содержанию абразивного зерна 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 20% Клеящие и увлажняющие добавки - 22

Пример 6.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=18 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 22 Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) - 4 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 26

Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 1,8 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 8,2% Керамическая связка К5С - 8,5 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм - 6,5 Относительное содержание алюмосиликатных полых сферических частиц к содержанию абразивного зерна 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 29,8% Клеящие и увлажняющие добавки - 23

Пример 7.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=20 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) -19 Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) - 3 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 22 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 2,1 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 11,05% Керамическая связка К5С - 9 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм - 7 Относительное содержание алюмосиликатных полых сферических частиц к содержанию абразивного зерна 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 36,8% Клеящие и увлажняющие добавки - 24

Пример 8.

Полизернистая масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размерами 120 мкм (зернистость F100) и 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=22 состоит из следующих компонентов, % об.:

Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) - 16 Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) - 2 Суммарное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) и зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) - 18 Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) - 2,4 Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 15% Керамическая связка К5С - 9,5 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм - 8 Относительное содержание алюмосиликатных полых сферических частиц к содержанию абразивного зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) - 50% Клеящие и увлажняющие добавки - 25

Для экспериментальной проверки предлагаемых технических решений были изготовлены 8 масс для лабораторных образцов и шлифовальных кругов в соответствии с примерами, представленными выше.

Свойства абразивных масс по примерам 1-8 изучались на специальных образцах.

Для определения объемной деформации после обжига использовались плашки с диаметром 80 мм и высотой 20 мм. Объемная деформация образцов устанавливалась по разнице объемов образца до и после обжига.

В табл.приведены результаты измерения объемной деформации на образцах, изготовленных из 8 заявленных масс и абразивных масс по прототипу.

Во всех случаях результаты по заявленным массам были лучше, чем на образцах из масс по прототипу.

Таблица Полизернистая масса для изготовления высокоструктурного абразивного инструмента № Объемная деформация, % Заявленная масса Масса по прототипу 1 3,93 6,82 2 4,98   3 6,41   4 8,0   5 3,62   6 4,79   7 5,92 38,1 8 7,73  

Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет по сравнению с прототипом обеспечить снижение объемной деформации при высокотемпературном спекании инструмента..

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначено для изготовления шлифовальных кругов;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к производству абразивных инструментов на керамических связках с высокими номерами структуры. Абразивная масса содержит абразив в виде смеси зерен трех групп: первая группа - зерна размером в пределах 160-420 мкм, вторая - зерна размером в пределах 120-159 мкм, а третья - зерна размером в пределах 90-119 мкм. При этом суммарное объемное содержание первых двух групп соответствует объемному содержанию абразива для заданного номера структуры абразивного инструмента, а объемное содержание зерен третьей группы составляет 5-15% от объемного содержания зерен первой группы. Наполнитель представляет собой смесь частиц фруктовых косточек с размерами в диапазоне 250-800 мкм в количестве 5-15% от объема абразивной массы. Изобретение позволяет снизить объемную деформацию при высокотемпературном спекании инструмента. Использование более мелкой зернистости по размерам зерен с одинаковой плотностью с рабочими абразивными зернами обеспечивает более однородное перемешивание абразивной массы с формированием ее более однородной объемной структуры. Повышается также количество твердых центров кристаллизации расплавленной керамической связки при ее остывании с образованием прочной химической связи «зерно-связка». 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 пр.

1. Полизернистая масса для изготовления высокоструктурного абразивного инструмента, включающая абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, отличающаяся тем, что абразив состоит из смеси зерен трех групп, причем первая группа - зерна размером в пределах 160-420 мкм, вторая - зерна размером в пределах 120-159 мкм, а третья - зерна размером в пределах 50-119 мкм, при этом суммарное объемное содержание первых двух групп соответствует объемному содержанию абразива для заданного номера структуры абразивного инструмента, а объемное содержание зерен третьей группы составляет 5-15% от объемного содержания зерен первой группы, при этом наполнитель представляет собой смесь частиц фруктовых косточек с размерами в диапазоне 250-800 мкм в количестве 5-15% от объема абразивной массы.

2. Полизернистая масса по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит наполнитель в виде смеси полых сферических частиц из алюмосиликата размером в диапазоне от 85 до 560 мкм в количестве 20-50 об.% абразива с большей зернистостью.