Масса для изготовления шлифовального круга с минимальным содержанием абразива Российский патент 2025 года по МПК B24D3/18 

Изобретение относится к производству абразивного инструмента с высокими номерами структуры для шлифования, в частности к производству высокоструктурных шлифовальных кругов, у которых содержание абразивного зерна составляет от 18 до 2% его объема.

В соответствии с действующим ГОСТом Р 52781-2007 «Круги шлифовальные и заточные. Технические условия» номер структуры является одним из основных параметров характеристики, определяющим их работоспособность и включаемая в их обязательную маркировку.

По общепринятой в мировой практике изготовления шлифовальных кругов, включая Россию, номер структуры назначается в соответствии с классификацией, предложенной компанией Norton в 1920 г. Нулевой номер структуры по международной классификации определен заполнением объема круга абразивным зерном в 62% с последующим уменьшением на 2% зерна на один номер структуры. По принятой классификации содержание абразива от 18 до 2% об. соответствует структурам шлифовального круга от № 22 до максимально возможного № 30.

Какие-либо сведения о составах шлифовальных кругов с минимальным содержанием абразива с структурами от № 22 и более из традиционных абразивов (корунда, карбида кремния и их модификаций) и сверхтвердых материалов (алмаза и кубического нитрида бора), их изготовления и применения в литературных источниках и рекламных материалах отсутствуют. Известно только об инструменте со структурами, в которых объемное содержание абразива может составлять до 12,5% его объема. В частности, для шлифовальных кругов из сверхтвердых материалов предусмотрено изготовление составов с относительной концентрацией абразива в 50% (например, ГОСТ Р 53923-2010 «Круги алмазные и из кубического нитрида бора (эльбора) шлифовальные. Технические условия»), что составляет 12,5% объема рабочего слоя инструмента.

Промышленный опыт применения инструмента с высокими номерами структуры от №10 до №№ 18-20 и более свидетельствует, что с уменьшением объемного содержания абразивных зерен от 42% до 26-22% значительно улучшается его режущая способность. Положительный эффект достигается в результате перераспределения функционального участия оставшихся зерен в процессе шлифования: возрастает их количество, активно удаляющих материал, и снижается доля тех зерен, которые только интенсифицируют, нагрев зоны обработки при трении и пластической деформации шлифуемой поверхности детали. Оставшиеся зерна менее плотно распределены на рабочей поверхности круга, что создает благоприятные предпосылки для преодоления ими порога резания (по толщине срезаемой стружки) и диспергирования обрабатываемого материала. При уменьшении количества абразива возрастает объемная пористость шлифовального круга, что становится дополнительным фактором его эффективного применения. (Старков В.К. Механизм влияния структурности круга на эффективность шлифования // см. Вестник МГТУ «СТАНКИН».2019. №1. С.38-43).

Круги с большими номерами структуры и повышенной пористостью востребованы при профильном маятниковом и глубинном шлифовании сложнофасонных деталей из труднообрабатываемых сталей и сплавов, склонных к образованию прижогов и трещин на обрабатываемых поверхностях.

Областью применения инструмента с минимальным содержанием абразива может стать шлифование кругами с зернистостью F150-F220 и мельче и с твердостью N-S и тверже. Круги с таким сочетанием зернистости и твердости и одновременно с большим содержанием абразива изготовить чрезвычайно сложно из-за отсутствия свободного пространства в формовочной массе для введения большого количества керамической связки. Повышенная плотность мелкозернистого абразива с прочным их закреплением на рабочей поверхности инструмента повышает также риск формирования шлифовочных дефектов на обработанной поверхности детали.

Известные составы абразивных масс высокоструктурных шлифовальных кругов не могут быть использованы для изготовления инструмента с минимальным содержанием абразива. В их составах абразивные зерна, прочно соединенные керамической связкой, являются базовым объемным каркасом, который формирует рабочую конфигурацию инструмента с заданными прочностными и режущими свойствами. Необходимость упрочнения каркаса при уменьшении абразивных зерен и соответственно мостиков связи между ними компенсируется введением абразивного зерна с меньшей зернистостью и специальных наполнителей.

Известен, например, состав абразивной массы с режущим абразивным зерном из электрокорунда белого марки 25А зернистостью F70 с размером 200 мкм в количестве 22% объема (структура № 20) с добавлением в качестве наполнителя в количестве 22% об. зерен микрокристаллического корунда марки SG зернистостью F80 с размером 160 мкм и наполнителя в виде алюмосиликатных полых сферических частиц в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм в количестве 4,5% объема (Патент РФ №2493956, приоритет от 19.07.2012, МПК B24D3/18, B24D3/34 , Опубл. 27.09.2013 Бюл. № 27).

При использовании такого состава разновысотный режущий рельеф рабочей поверхности инструмента, состоящий из зерен двух различных размеров, в результате его правки алмазным карандашом или роликом в процессе шлифования нивелируется в рельеф с повышенной плотностью распределения зерен одинаковой высоты. Возрастает, однако, риск повышенного нагрева шлифуемой поверхности с образованием на ней прижогов и микротрещин.

Известен также состав массы для шлифовального круга с объемным содержанием зерна марки 25А зернистостью F80 в 26%, где в качестве наполнителя-компенсатора абразивных зерен вводятся алюмосиликатные полые сферические частицы в сочетании с вспученным перлитом соответственно в 13 и 10% объема массы (Патент РФ № 2494853, приоритет от 17.12.2012, МПК B24D3/18, опубл. 10.10.2013 Бюл. № 28).

Указанная композиция наполнителей-компенсаторов абразивного зерна неприемлема для заполнения объема абразивной массы для кругов c более мелким зерном, чем F80, так как не могут эффективно обеспечить в полном объеме их режущую способность при шлифовании.

Наиболее близкой является масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, керамическую связку и наполнитель, содержащая полые сферические частицы из алюмосиликата, и полые сферические частицы из алюмосиликата в виде смеси частиц размером в диапазоне от 5 до 560 мкм в количестве 2-200 об.% абразива (Патенте РФ № 2152298, приоритет от 11.10.1999, МПК B24D3/18 3/14, опубл. 10.07.2000 Бюл. № 19). Например, состава № 22: в массу круга с содержанием абразивного зерна в 20% об. (структура № 21) вводятся алюмосиликатные полые сферические частицы в количестве 40% объема

В данном решении наполнитель-компенсатор в виде смеси разнородных по своим размерам от 5 до 560 мкм алюмосиликатных частиц исполняет дополнительную функцию создания объемного опорного каркаса инструмента вместе с абразивными зернами. При этом абразив сохраняет свое приоритетное назначение для каркаса шлифовального круга, так как обладает более высокой прочностью и плотностью (почти в 9 раз больше), а также морфологическими свойствами и, прежде всего, развитым микрорельефом поверхности в отличие от гладкой поверхности микросфер, которые обеспечивают надежное соединение в каркасной конструкции. Из-за содержания в составе алюмосиликатных частиц фракций больших размеров использование их при изготовлении мелкозернистых кругов зернистостью F120 и менее так же, как и предыдущем примере, нецелесообразно.

При уменьшении количества абразива в формовочной массе до 2-18% об. его позитивная роль в создании объемной конструкции шлифовального круга нивелируется, а его компенсация алюмосиликатными полыми частицами в количестве 2-200 об.% абразива недостаточна для формирования массы с плотной объемной загрузкой твердыми невыгорающими компонентами, чтобы противодействовать её деформации при обжиге. Кроме того, разнородность размеров смеси абразивных зерен и алюмосиликатных частиц в составе инструмента является фактором снижения его прочности и соответственно возможной скорости шлифования.

Также в наиболее близком изобретении абразивная масса дополнительно содержит наполнитель в виде полых сферических частиц из легкоплавкого стекла в количестве 0,5% об., которое не гарантирует необходимую прочность сцепления большого числа мелкоразмерных частиц абразива и алюмосиликата.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание высокоструктурных мелкозернистых шлифовальных кругов с повышенной твердостью и улучшенной технологичностью изготовления на основе минимально возможного содержания абразива до 2-18 % об. с структурами №№ 22-30.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что составом массы шлифовального круга с минимальным содержанием абразива формируется его объемный каркас преимущественно из алюмосиликатных полых сферических частиц с размерами в узком диапазоне от 1 до 50 мкм и с содержанием в 42-60% её объема. Режущая способность инструмента обеспечивается добавлением в её состав зерен электрокорунда в количестве 2-18% объема массы.

В составе невыгорающих и не расплавляющихся при температуре обжига инструмента до 1250°С алюмосиликатных частиц содержится до 58% по массе двуокиси кремния SiO₂ и до 26% оксида алюминия Al₂O₃, из которого состоит электрокорунд. Обе составляющие являются основой керамической связки К5 (соответственно до 66 и 17%), что обеспечивает химическое сродство базовых компонентов состава шлифовального круга и, как следствие, прочное адгезионное соединение керамической связкой большого числа полых алюмосиликатных частиц с электрокорундовыми зернами.

Керамическую связку в количестве 5-20% об. массы вводятся полые сферические частицы из легкоплавкого стекла в количестве 10-25% об. связки. Стеклянные частицы, расплавляясь в процессе высокотемпературного обжига инструмента, повышают количество стекловидной массы в керамической связке и соответственно её прочностные свойства. Это обеспечивает более надежное соединение невыгорающих компонентов формовочной массы инструмента - абразива и полых сферических алюмосиликатных частиц.

Заявленный состав массы шлифовального круга с минимальным содержанием абразива обладает повышенной объемной пористостью, включая естественную и пористость, которая образуется при обжиге инструмента после выгорания молотых фруктовых косточек, вводимых в состав формовочной массы в качестве выгорающего наполнителя-порообразователя в количестве 2-10% об., а также клеящих и увлажняющих добавок.

Приоритетной областью применения заявленной массы шлифовального круга с минимальным содержанием абразива является шлифование кругами с твердостью от N до S и тверже с абразивом зернистостью F120-F150 и мельче. Качественные круги с такой характеристикой по известным составам изготовить практически невозможно, а их аналоги с повышенной твердостью и структурами 10-14 «прижигают» шлифуемую поверхность детали. Основное назначение высокоструктурных кругов с минимальным содержанием абразива в перспективе - высокоскоростное шлифование с скоростями до 100-120 м/с, в том числе без охлаждения смазочно-охлаждающими жидкостями.

Примеры использования заявленной массы шлифовального круга с минимальным содержанием абразива приведены ниже.

Пример 1

Масса шлифовального круга с минимальным содержанием абразива из электрокорунда белого марки 25А с размером 106 мкм (зернистость F120) с структурой № 22 на характеристику 25А F120 G 22 V состоит из следующих компонентов об.% согласно табл. 1.

Таблица №1 – Пример №1

Показатель, об.% Значение Абразивное зерно из электрокорунда белого марки 25А с размером 106 мкм (зернистость F120) 18 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 1 до 50 мкм 42 Керамическая связка К5 5 Полые сферические частицы из легкоплавкого стекла (наполнитель) 0,5 Отношение содержания полых сферических частиц из легкоплавкого стекла к содержанию керамической связки К5 10 Молотые фруктовые косточки (выгорающий наполнитель) 10 Клеящие и увлажняющие добавки 10,5

Пример 2

Масса шлифовального круга с минимальным содержанием абразива из электрокорунда белого марки 25А с размером 63 мкм (зернистость F220) с структурой № 26 на характеристику 25А F220 S 26 V состоит из следующих компонентов об.% согласно табл. №2.

Таблица №2 - Пример №2

Показатель, об.% Значение Абразивное зерно из электрокорунда белого марки 25А с размером 63 мкм (зернистость F220) 10 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 1 до 50 мкм 48 Керамическая связка К5 20 Полые сферические частицы из легкоплавкого стекла (наполнитель) 3,6 Отношение содержания полых сферических частиц из легкоплавкого стекла к содержанию керамической связки К5 18 Молотые фруктовые косточки (выгорающий наполнитель) 5 Клеящие и увлажняющие добавки 10,5

Пример 3

Масса шлифовального круга с минимальным содержанием абразива из электрокорунда белого марки 25А с размером 75 мкм (зернистость F150) с структурой № 30 на характеристику 25А F150 P 30 V состоит из следующих компонентов об.%, согласно табл. 3.

Таблица №3 - Пример №3

Показатель, об.% Значение Абразивное зерно из электрокорунда белого марки 25А с размером 75 мкм (зернистость F150) 2 Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) в виде смеси частиц с размерами от 1 до 50 мкм 60 Керамическая связка К5 12 Полые сферические частицы из легкоплавкого стекла (наполнитель) 3 Отношение содержания полых сферических частиц из легкоплавкого стекла к содержанию керамической связки К5 25 Молотые фруктовые косточки (выгорающий наполнитель) 2 Клеящие и увлажняющие добавки 10,5

Для экспериментальной проверки предлагаемых технических решений были изготовлены 3 массы для опытных шлифовальных кругов в соответствии с примерами, представленными выше (табл. 4).

Технологичность изготовления опытных шлифовальных кругов типоразмера 1 200 ×-25 × 32 на заявленных составах формовочных масс по 3 шт. каждого состава сравнивалась с технологичностью изготовления круга-прототипа с структурой № 21 аналогичного типоразмера.

Опытные круги и круги с составом массы прототипа изготавливались по серийной технологии производства высокоструктурных шлифовальных кругов. Результаты сравнительной оценки технологичности их изготовления по её ключевым параметрам - прочности сырца (массы для формования заготовки круга) и объемной деформации инструмента при высокотемпературном обжиге приведены в таблице.

Прочность сырца измерялась по методу Ватти на предварительно отформованных брусках из исследуемой массы. Метод основан на измерении части бруска, сломавшегося под действием собственной массы при консольном расположении бруска (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / Ю.М. Ковальчук, В.А. Букин, Б.А. Глаговский и др. Под общей ред. Ю.М Ковальчука. М.: Машиностроение.1984 – 288 с. С. 157).

Объёмная деформация кругов определялась по разнице их объемов до и после обжига.

Таблица №4 – Сравнение технических показателей

Заявленная масса по примерам Масса круга по прототипу
со структурой №21 № Прочность сырца, КПа Объемная деформация, % Прочность сырца, КПа Объемная деформация, % 1 49,1 4,8 46,9 5,2 2 61,3 8,5 3 58,4 27,6

При анализе представленных в табл. 4 результатов оценки технологичности изготовления масс с повышенной структурностью необходимо учитывать важную особенность, обусловленной минимальным количеством абразива. С уменьшением количества абразива в круге увеличивается допустимый порог его объемной деформации при обжиге, при которой сохраняется заданная объемная концентрация абразивного зерна по номеру структуры. Например, для инструмента с структурой № 22 при уменьшении его объема на 5,26% концентрация абразивного зерна сохраняется практически на исходном уровне 18±1%. Для сохранения структуры №26 после обжига допускается объемная деформация круга до 9,09%, а для № 30 объемная деформация круга возможна до максимума в 33,3%. При этом концентрация абразива остается в допуске соответственно 10±1% и 2±1% об. (Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение. 2007.688 с. С. 665 - 670).

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что по прочности сырца заявленные составы масс с минимальным содержанием абразива являются более прочными, чем сырца из формовочной массы по прототипу, а объемная деформация инструмента после обжига соответствует допустимым ограничениям.

Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет обеспечить прочность сырца, необходимую для формования шлифовальных кругов с минимальным содержанием абразива и их устойчивость к объемной деформации в процессе обжига с гарантией изготовления инструмента заданной характеристики.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы изобретения 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) 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.

Изобретение относится к производству абразивного инструмента с высокими номерами структуры для шлифования, в частности к производству высокоструктурных шлифовальных кругов, у которых содержание абразивного зерна составляет от 18 до 2% его объема. Масса для изготовления шлифовального круга содержит абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель. Масса состоит из двух смесей: из смеси абразивных зерен с содержанием 2-18 об.% и наполнителя в виде алюмосиликатных полых сферических частиц с размерами в диапазоне 1-50 мкм с содержанием 42-60 об.% и из смеси керамической связки с содержанием 5-20 об.% с наполнителем в виде полых сферических частиц из легкоплавкого стекла в количестве 10-25 об.% керамической связки. Обеспечивается изготовление высокоструктурных мелкозернистых шлифовальных кругов с повышенной твердостью, улучшается технологичность процесса. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 пр.

1. Масса для изготовления шлифовального круга, содержащая абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, отличающаяся тем, что она состоит из двух смесей: из смеси абразивных зерен с содержанием 2-18 об.% и наполнителя в виде алюмосиликатных полых сферических частиц с размерами в диапазоне 1-50 мкм с содержанием 42-60 об.% и из смеси керамической связки с содержанием 5-20 об.% с наполнителем в виде полых сферических частиц из легкоплавкого стекла в количестве 10-25 об.% керамической связки.

2. Масса по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит выгорающий наполнитель в виде молотых фруктовых косточек с содержанием 2-10 об.%.