ЭЛЕМЕНТ АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВИБРАЦИОННОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ И СПОСОБ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ
ELEMENT OF ABRASIVE MATERIAL FOR FINAL VIBRATION MACHINING, AND ITS FORMATION METHOD

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к абразивным материалам для финишной (чистовой) обработки и к способу финишной обработки изделия. В частности, но не исключительно, настоящее изобретение имеет отношение к абразивному материалу для финишной обработки, который предназначен для использования в вибрационном устройстве для финишной обработки.
Предпосылки к созданию изобретения
Известно использование вибрационных процессов финишной обработки для удаления заусенцев и сглаживания поверхностей серийно производимых изделий. Заусенцы могут присутствовать на изделии по самым различным причинам. В частности, поверхности деталей, изготовленных за счет литья металла, механической обработки и общей обработки часто имеют заусенцы, которые неприемлемы в готовом изделии.
Финишная обработка изделия может предусматривать удаление заусенцев и снижение шероховатости поверхности изделия.
Подлежащие финишной обработке изделия обычно помещают в вибрационное устройство для финишной обработки, такое как галтовочный барабан или устройство для галтовки, вибрационный лоток или вибрационный чашеобразный бункер, центрифуга или отделочная машина, вместе с элементами абразивного материала для финишной обработки. Также может быть добавлена полировальная паста или состав для обезжиривания.
В случае удаления заусенцев с изделия абразивный материал для финишной обработки типично имеет относительно шероховатую поверхность, в то время как в случае полирования изделия абразивный материал для финишной обработки имеет относительно гладкую поверхность.
Во время процесса финишной обработки абразивный материал для финишной обработки встряхивают, что побуждает элементы абразивного материала соударяться с изделиями, подвергаемыми финишной обработке. Один или несколько составов, таких как жидкое мыло, состав для обезжиривания, полировальная паста и т.п., могут быть использованы вместе с абразивным материалом для финишной обработки.
Известны различные типы устройств для финишной обработки. Одним таким типом является галтовочный барабан. Галтовочный барабан позволяет производить финишную обработку изделий за счет 'галтовки' элементов абразивного материала для финишной обработки, воздействующих на изделия.
Сам по себе абразивный материал для финишной обработки типично содержит элементы с острыми точками или острыми углами. Альтернативно или дополнительно материал для финишной обработки может иметь заделанные абразивные частицы. Некоторые материалы для финишной обработки представляют собой обожженный каолин с заделанными в него частицами из оксида алюминия. В случае материалов для финишной обработки в виде пластмассы в нее могут быть введены элементы из кварца.
Во время процесса финишной обработки острые точки или углы и/или заделанные элементы, открытые на поверхности абразивного материала для финишной обработки, проникают в канавки или трещины обрабатываемого изделия (срезают образующие шероховатость выступы на поверхности обрабатываемого изделия), за счет чего снижает шероховатость поверхности изделия. В некоторых случаях абразивный материал для финишной обработки производит очистку изделия вместо снижения шероховатости поверхности изделия или в дополнение к этому.
Существует проблема, связанная с тем, что во время процесса финишной обработки быстро истираются и изнашиваются острые точки, кромки или углы элементов абразивного материала для финишной обработки. Поэтому эти элементы больше неспособны проникать в канавки или трещины, чтобы эффективно осуществлять финишную обработку изделия.
В патенте США No.3375615 раскрыт абразивный материал для финишной обработки в поворотном барабане в виде треугольных или звездообразных пластин, имеющих образованные в них отверстия поблизости от вершин пластин. Созданы острые кромки элементов материала у вершин пластин, позволяющие ускорить финишную обработку. Для того чтобы повысить эксплуатационную долговечность абразивного материала для финишной обработки, указанный материал выполнен с возможностью разрушения при эксплуатации, при его износе в определенной степени. Указанный материал выполнен с возможностью разрушения в области вершин, за счет чего открываются свежие острые кромки для финишной обработки.
Раскрытый в этом патенте материал образован главным образом из 100% неорганической керамики или из комбинации керамических абразивных частиц и стекловидного или пластичного полимерного связующего материала, который связывает частицы вместе.
Недостатком керамического абразивного материала является то, что он имеет высокую себестоимость и нуждается в добавлении абразива для осуществления режущего действия.
В патенте GB 1130923 раскрыт абразивный материал для финишной обработки в виде элементов, имеющих звездообразное поперечное сечение, и длину больше максимального размера звездообразного поперечного сечения. Раскрытый в этом патенте материал образован из литого материала на базе цинка, стали, алюминия или латуни или же из керамического материала.
Недостатком керамических материалов является то, что после их износа приходится их выбрасывать, так как такие материалы трудно использовать повторно. С другой стороны, металлические материалы во многих случаях могут быть реформированы за счет переплавки.
Однако когда металлические абразивные материалы используют для финишной обработки металлических заготовок, эти абразивные материалы относительно быстро теряют остроту своих кромок по сравнению с более твердыми материалами, такими как керамические материалы. Поэтому для вибрационной финишной обработки преимущественно используют металлические абразивные материалы на базе карбидов. Однако недостатком материалов для финишной обработки на базе карбидов является их относительно высокая себестоимость.
Другим недостатком металлических материалов для финишной обработки является относительная трудность их механической обработки и массового производства. Кроме того, эти материалы быстро корродируют во влажной среде обработки, особенно если используют кислотные составы.
Поэтому в некоторых случаях абразивные материалы для финишной обработки совсем не используют. Вместо этого обрабатываемые изделия помещают в условия 'самообработки'. Другими словами, обрабатываемые изделия помещают в вибрационный барабан, в котором они совершают движение друг относительно друга, без добавления абразивного материала для финишной обработки. Такие условия типично используют только в случае большого объема деталей низкого качества, которые нуждаются только в небольшом снятии заусенцев. Следует иметь в виду, что процессы самообработки могут приводить к повреждению изделий в процессе финишной обработки.
В патенте США No.5373047 раскрыт материал для струйной очистки, изготовленный из термопластически обрабатываемого полимерного гранулята, с заполнением мелкими частицами металла, которые покрыты активатором склеивания. Недостатком полимерного абразивного материала для вибрационной обработки является то, что он имеет достаточно большой углеродный след, является достаточно сложным в изготовлении и создает трудности при рециркуляции.
2
3
2
В заявке на патент США No.2004/0148966 раскрыты способы изготовления стекловидных и стеклокерамических материалов, содержащих АlО и SiO, и показано, что стеклокерамические частицы могут быть использованы как абразивные частицы. В этом документе раскрыта заделка стеклокерамических частиц в главную матрицу, чтобы образовать абразивное изделие, такое как шлифовальный круг. В одном из раскрытых вариантов частицы при помощи связующего материала связывают с волокнистым матом, расположенным на подложке.
Более того, элементы абразивного материала для финишной обработки могут быть образованы как дискретные компоненты, которые не требуют поддержки при помощи матрицы, такой как волокнистый мат, описанный в указанной заявке на патент США No.2004/0148966.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается элемент абразивного материала для вибрационной финишной обработки, имеющий по меньшей мере одну часть (порцию), содержащую расстеклованный материал.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения элементы абразивного материала для финишной обработки в основном состоят из материала, который является по меньшей мере частично расстеклованным. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения элементы абразивного материала для финишной обработки в основном состоят из стекломатериала, который был по меньшей мере частично расстеклован. Другими словами, в соответствии с некоторыми вариантами, элементы абразивного материала для финишной обработки не содержат, по меньшей мере частично, частиц расстеклованного материала в главной матрице, такой как керамическая матрица, полимерная матрица или матрица любого другого типа, а вместо этого главным образом полностью образованы из по меньшей мере частично расстеклованного материала, а преимущественно из стекломатериала.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения элементы абразивного материала для финишной обработки состоят из стекломатериала, который был по меньшей мере частично расстеклован.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, элементы абразивного материала для финишной обработки образованы главным образом (по существу) и почти исключительно из стекломатериала, который затем был подвергнут термообработке, чтобы образовать частично расстеклованный материал. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения элементы абразивного материала для финишной обработки образованы исключительно из стекломатериала, который затем был подвергнут термообработке, чтобы образовать частично расстеклованный материал.
Варианты осуществления настоящего изобретения, в которых абразивные элементы образованы главным образом или исключительно из стекломатериала, являются особенно предпочтительными по сравнению с известными ранее абразивными элементами, которые содержат матрицу с заделанными абразивными частицами, например, из оксида алюминия и т.п. Это преимущество объясняется тем, что известные ранее элементы теряют свои абразивные частицы при использовании и образуют суспензию из абразивных частиц, компонентов матрицы и опилок обрабатываемого изделия. Эта суспензия является опасной для окружающей среды в случае некоторых абразивных частиц и может нуждаться в дополнительной дорогой обработке перед ее сбросом в отходы. В отличие от этогов вариантах осуществления настоящего изобретения происходит потеря только частиц стекла, которые без проблем могут быть отправлены в отходы или на рециркуляцию.
Под расстеклованным материалом понимают материал, имеющий кристаллическую структуру, который ранее имел аморфную (стекловидную) структуру. Под имеющим аморфную структуру материалом понимают материал, который не имеет никакой протяженной кристаллической структуры, которая может быть обнаружена, например, при помощи дифракции рентгеновских лучей. Под стекломатериалом или стекловидным материалом понимают аморфный материал, имеющий температуру стеклования.
Абразивный материал для финишной обработки в соответствии с настоящим изобретением имеет преимущество, связанное с тем, что он может быть изготовлен из относительно дешевых исходных материалов, при относительно низкой стоимости изготовления. Элементы в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения могут быть изготовлены из рециклового стекломатериала.
Исходные материалы, из которых изготавливают керамику (такие как каолин), типично получают за счет разработки месторождений, так что может возникать проблема для окружающей среды при добыче такого материала. Преимуществом рециклового материала является отсутствие нарушения ландшафта за счет горных работ (разработки месторождений).
В частности, обычно зеленое (или коричневое) стекло не используют повторно. Поэтому варианты осуществления настоящего изобретения создают отличную возможность использования этого материала, который в противном случае нужно было бы отправлять в места захоронения отходов.
Преимущественно, элемент абразивного материала для финишной обработки содержит диоксид кремния (кремнезем).
Преимущественно, объем элемента в виде расстеклованного материала лежит в диапазоне ориентировочно от 1% до 100%.
Предпочтительнее, объем элемента в виде расстеклованного материала может лежать в диапазоне ориентировочно от 20% до 80%.
Было обнаружено, что чем больше пропорция расстеклованного материала, тем тверже элемент для финишной обработки. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, элемент для финишной обработки имеет твердость около 5.5 единиц по шкале Мооса.
Если твердость является чрезмерно высокой, то возникает риск разрушения элементов для финишной обработки в время использования. Если же элемент является чрезмерно мягким, то возникает риск снижения его эффективности за счет округления кромок элемента.
Преимущественно, элемент имеет самый большой размер в диапазоне ориентировочно от 5 мм до 80 мм.
Элемент может иметь самый большой размер в диапазоне ориентировочно от 5 до 50 мм.
Элемент может иметь самый большой размер в диапазоне ориентировочно от 10 до 40 мм.
Было обнаружено, что элементы с размерами в этих диапазонах особенно хорошо подходят для финишной обработки изделий в широком диапазоне различных размеров. Более того, размер элемента может быть выбран таким образом, что элемент может соударяться со всеми необходимыми поверхностями обрабатываемого изделия без застревания в канавках или трещинах изделия.
Преимущественно, элемент имеет по меньшей мере одну конфигурацию (форму), выбранную из группы, в которую входят прямоугольный параллелепипед, эллипсоид, призма, конус, четырехгранник, пирамида, многогранник и сфера.
Элемент может иметь или содержать множество пустот, образованных в нем, например, за счет газовых пузырьков, а преимущественно за счет воздушных пузырьков.
Пустоты могут быть главным образом равномерно диспергированы в элементе или могут быть расположены по меньшей мере в его поверхностном слое.
Пустоты имеют номинальный диаметр в диапазоне ориентировочно от 1 мкм до 1 мм, преимущественно, ориентировочно от 10 мкм до 500 мкм, а предпочтительнее, ориентировочно от 100 мкм до 500 мкм. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения пустоты имеют размер в диапазоне ориентировочно от 50 нм до 5 мм.
Пустоты, когда они открыты в поверхностных областях элемента, имеют острые кромки, которые имеют подходящие размеры для резки и снятия заусенцев и для финишной обработки. Открытые пустоты также могут действовать как резервуары для жидкого материала для финишной обработки, который может быть использован в вибрационном процессе финишной обработки.
Преимущественно, элемент имеет множество областей кристаллического материала у свободной поверхности элемента.
Преимущественно, элемент содержит главным образом по меньшей мере частично расстеклованный материал, а преимущественно по меньшей мере частично расстеклованный стекломатериал.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ образования (формирования) элемента абразивного материала для финишной обработки, который включает в себя следующие операции: использование по меньшей мере одного куска материала, имеющего порцию стекла; и проведение термообработки по меньшей мере одного куска, чтобы образовать твердый литой компонент, имеющий по меньшей мере одну порцию (часть), содержащую расстеклованный материал.
Под порцией стекла понимают порцию, образованную из аморфного или стекловидного материала.
Преимущественно, операция использования по меньшей мере одного куска материала представляет собой операцию использования множества кусков материала, например, кусков материала в виде стекольного боя (стеклобоя, рециклового стекла).
Преимущественно, множество кусков материала имеют средний размер в диапазоне ориентировочно до 4 мм.
Множество кусков материала могут иметь средний размер в диапазоне ориентировочно от 4 мм до 2 мм.
Множество кусков материала могут иметь средний размер в диапазоне ориентировочно 3 мм до 1 мм.
Множество кусков материала могут иметь средний размер в диапазоне ориентировочно 1.5 мм до 0.75 мм.
Множество кусков материала могут иметь средний размер в диапазоне ориентировочно от 1.5 мм до 500 мкм.
Множество кусков материала могут иметь средний размер в диапазоне до 100 мкм.
Было обнаружено, что чем меньше средний размер кусков, из которых изготовлен элемент для финишной обработки, тем более гладкой может быть получена поверхность обработанного изделия. Элементы, изготовленные из кусков, имеющих средний размер на нижней границе диапазона, особенно хорошо подходят для финишной обработки изделий, при этом обработанное изделие имеет относительно низкую поверхностную шероховатость.
Преимущественно, литой компонент дополнительно содержит аморфный стекломатериал.
Присутствие аморфного стекломатериала может оказывать влияние на повышение ударной вязкости элемента. Другими словами, присутствие аморфного стекломатериала может снижать склонность материала к разрушению (разлому).
Преимущественно, способ дополнительно содержит операцию резки литого компонента, чтобы образовать множество элементов абразивного материала для финишной обработки.
Резка литого компонента может быть осуществлена при помощи стандартной пилы, такой как стандартная дисковая пила с алмазными наконечниками. Альтернативно или дополнительно резка может быть осуществлена при помощи лазерного режущего устройства и/или гидромониторного режущего устройства.
Преимущественно, операцию термообработки по меньшей мере одного куска проводят ранее операции введения по меньшей мере одного куска в литейную форму, причем литейная форма имеет конфигурацию, соответствующую конфигурации элемента абразивного материала для финишной обработки. Литейная форма может иметь множество литейных форм, образованных в лотке с множеством углублений в виде конусов, позволяющих получать индивидуальные конусные элементы, причем было обнаружено, что элементы с углами конусности 30°, 60°, 90° и до 120° являются предпочтительными.
Преимущественно, элемент абразивного материала для финишной обработки имеет конфигурацию, соответствующую по меньшей мере одной конфигурации, выбранной из группы, в которую входят прямоугольный параллелепипед, эллипсоид, призма, конус, четырехгранник, пирамида, многогранник и сфера.
Преимущественно, операция термообработки включает в себя операцию нагревания до температуры в диапазоне ориентировочно от 700°С до 1100°С.
Предпочтительнее, операция термообработки включает в себя операцию нагревания до температуры в диапазоне ориентировочно от 800°С до 1000°С.
Предпочтительнее, операция термообработки включает в себя операцию нагревания до температуры в диапазоне ориентировочно от 850°С до 950°С, преимущественно, ориентировочно от 900°С до 920°С, а еще лучше, ориентировочно до 900°С.
Операция термообработки может предусматривать нагревание до температуры в диапазоне ориентировочно от 700°С до 1100°С в течение времени ориентировочно от 1 час до 3 часов, а предпочтительнее, ориентировочно от 700° до 950°С, а еще лучше, нагревание до температуры около 900°С в течение времени ориентировочно от 1 час до 3 часов, а предпочтительнее, около 2 часов.
Преимущественно, операция термообработки включает в себя операцию нагревания до температуры в диапазоне ориентировочно от 700°С до 1100°С в течение времени около 2 часов.
Материал, образованный за счет обработки стекломатериала, чтобы образовать абразивный материал для вибрационной финишной обработки, имеет значение твердости около 5.5 единиц по Моосу.
Операция термообработки может включать в себя операцию термообработки по меньшей мере одного куска для расплавления по меньшей мере части указанного по меньшей мере одного куска; и затем проведение операции охлаждения, чтобы образовать твердый литой компонент, имеющий по меньшей мере часть (порцию), содержащую расстеклованный материал.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предлагается способ формирования абразивного материала для финишной обработки, который включает в себя следующие операции: использование по меньшей мере одного куска материала, содержащего порцию стекла; термообработка по меньшей мере одного куска для расплавления по меньшей мере части указанного по меньшей мере одного куска; и затем проведение операции охлаждения, чтобы образовать твердый литой компонент, имеющий по меньшей мере часть (порцию), содержащую расстеклованный материал.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предлагается способ реформирования по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки, который включает в себя следующие операции: использование по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения; осуществление термообработки; и затем осуществление охлаждения, чтобы образовать твердый литой компонент, содержащий расстеклованный материал.
Это преимущественно позволяет реформировать использованные элементы для финишной обработки, чтобы образовать свежие элементы для финишной обработки. Поэтому можно исключить сброс использованных элементов для финишной обработки в места захоронения отходов или на свалку.
Преимущественно, операция использования по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки дополнительно включает в себя операцию разлома по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки, чтобы за счет этого образовать множество кусков материала.
За операцией разлома по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки следует операция введения по меньшей мере одного из множества полученных кусков материала в литейную форму.
В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения предлагается способ реформирования по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки, который включает в себя следующие операции: использование по меньшей мере одного элемента абразивного материала для финишной обработки в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения; осуществление термообработки для расплавления по меньшей мере части указанного элемента; и затем охлаждение, чтобы образовать твердый литой компонент, содержащий расстеклованный материал.
В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения предлагается элемент абразивного материала для финишной обработки в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения в комбинации с составом для обезжиривания и/или с полировальной пастой.
В соответствии с седьмым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ финишной обработки изделия, который включает в себя следующие операции: использование множества элементов абразивного материала для финишной обработки в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения; создание условий для соударения множества элементов абразивного материала для финишной обработки с изделием, чтобы за счет этого уменьшить поверхностную шероховатость изделия.
Преимущественно, способ дополнительно включает в себя следующую операцию: использование по меньшей мере одного средства, выбранного из группы, в которую входят состав для обезжиривания, чистящее средство и полировальная паста, для дополнительного снижения поверхностной шероховатости изделия.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан график температуры в функции времени для термообработки в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 показан элемент в виде призмы (призматический элемент) абразивного материала для финишной обработки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 показан главным образом конический элемент абразивного материала для финишной обработки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4 показана литейная форма, подходящая для формования множества элементов абразивного материала для финишной обработки в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.5 показано множество конических элементов абразивного материала для финишной обработки, имеющих углы конусности в диапазоне ориентировочно от 15° до 90°.
На фиг.6 показано поперечное сечение элемента для финишной обработки, имеющего вентилируемую структуру.
На фиг.7 показано поперечное сечение элемента для финишной обработки, где можно видеть наличие кристалллического (расстеклованного) материала у свободной поверхности элемента.
Подробное описание изобретения
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения абразивный материал для финишной обработки образован из частично рекристаллизованного кварцевого стекла (стекломатериала). Могут быть использованы и другие стекломатериалы.
Аморфное кварцевое стекло широко используют как материал массового спроса, имеющий относительно низкую стоимость по сравнению с металлическими материалами. Например, аморфное кварцевое стекло используют как материал для повторно используемых бутылок для напитков и других повторно используемых изделий.
В соответствии со способом приготовления абразивного материала для финишной обработки в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения исходный материал в виде аморфного кварцевого стекла дробят на небольшие куски. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения полученные куски имеют диаметр около 4 мм. Под 'диаметром' здесь понимают максимальный размер куска материала.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения используют сортированный перемешанный стеклобой, имеющий куски с максимальными размерами около 4 мм.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения используют куски с большими диаметрами. Например, могут быть использованы куски с диаметрами ориентировочно до 5 мм.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, используют куски с диаметрами от нескольких микрон до ориентировочно 5 мм.
В соответствии с первым вариантом дробленые куски помещают в литейную форму, имеющую конфигурацию прямоугольного параллелепипеда, и подвергают термообработке (нагреванию). Проводят такую термообработку, что дробленые куски по меньшей мере частично расплавляются, причем после охлаждения образуется материал, имеющий по меньшей мере одну часть, содержащую расстеклованный кремнеземный материал. Расстеклованный кремнеземный материал является относительно твердым и стойким к износу за счет абразивного истирания.
Охлажденный материал имеет как области аморфного материала, так и области расстеклованного, кристаллизованного кремнеземного материала. С другой стороны, исходный стекломатериал, типично почти полностью состоит из аморфного кремнеземного материала.
На фиг.1 показан график температуры в функции времени для термообработки в соответствии с описанным способом.
Дробленые куски нагревают до температуры Т1, составляющей ориентировочно от 700°С до 1400°С. Затем куски выдерживают при этой температуре в течение времени t1, которое составляет ориентировочно от 1 до 6 часов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения дробленые куски нагревают до температуры Tl около 900°С в течение времени t1 около 2 часов. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения дробленые куски нагревают до температуры Т1 около 925°С.
Степень рекристаллизации, которую испытывает стекломатериал во время охлаждения от повышенной температуры Т1, главным образом определяет степень твердости полученного абразивного материала для финишной обработки. Использованные время t1 и температура Т1 оказывают влияние на пропорцию кристалллического материала, который содержится в абразивном материале для финишной обработки. Было обнаружено, что чем выше пропорция кристалллического материала, тем выше твердость абразивного материала для финишной обработки.
Абразивный материал для финишной обработки, который содержит более высокую пропорцию кристалллического материала, также имеет повышенную хрупкость, что может приводить к его дроблению в процессе финишной обработки. Таким образом, следует находить приемлемый баланс между относительными пропорциями аморфного и кристалллического материалов, чтобы получать абразивный материал для финишной обработки, который является достаточно твердым, чтобы не подвергаться слишком сильному износу, но также достаточно прочным, чтобы не слишком легко разрушаться в процессе финишной обработки.
После охлаждения частично рекристаллизованного стекломатериала до комнатной температуры его разрезают, чтобы образовать элементы, форма и размеры которых подходят для использования в качестве элементов абразивного материала для финишной обработки. Резку типично проводят с использованием обычной дисковой пилы, имеющей алмазные наконечники.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения резку проводят с использованием водяной струи или лазера.
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения материал разрезают, чтобы образовать призматические элементы абразивного материала для финишной обработки, показанные в общем виде позицией 110 на фиг.2. В соответствии с первым вариантом, длина боковой стороны основания пирамиды указанных элементов лежит в диапазоне ориентировочно от 5 мм до 50 мм. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения этот диапазон составляет ориентировочно от 10 мм до 40 мм.
Размер элементов абразивного материала для финишной обработки выбирают в соответствии с размерами и формами обрабатываемых изделий, чтобы избежать проблемы заедания (застревания) элементов абразивного материала в углублениях обрабатываемых изделий.
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения элементы абразивного материала для финишной обработки имеют форму сплошных призматических деталей, образованных за счет резки блока частично расстеклованного материала.
В соответствии с альтернативными вариантами материал разрезают для образования элементов, имеющих другую конфигурацию, такую как куб, прямоугольный параллелепипед, эллипсоид, а также элементов, имеющих поперечное сечение или другую часть в виде звезды, или любую другую подходящую конфигурацию.
В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения элементы абразивного материала для финишной обработки образуют за счет плавления частиц дробленого кварцевого стекла в индивидуальных литейных формах, чтобы непосредственно образовать элементы абразивного материала для финишной обработки требуемой окончательной конфигурации. Поэтому нет необходимости в том, чтобы резать блок материала после его охлаждения для получения элементов абразивного материала для финишной обработки.
На фиг.3 схематично показан элемент 210 абразивного материала для финишной обработки, имеющий главным образом коническую форму, который получают непосредственно из литейной формы. Подходящая литейная форма для образования таких элементов 210 показана на фиг.4. Эта литейная форма содержит множество углублений 310, конфигурация которых соответствует конфигурации конических элементов 210 абразивного материала для финишной обработки.
Преимуществом конических элементов абразивного материала для финишной обработки является то, что их легко вынуть из литейной формы после охлаждения литейного материала. Поэтому изготовление таких элементов абразивного материала для финишной обработки является быстрым и удобным.
За счет процесса литья в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения могут быть быстро и эффективно образованы элементы абразивного материала для финишной обработки, имеющие различные сложные конфигурации. Это по меньшей мере частично связано с тем, что не нужно проводить операцию резки после охлаждения расплава.
Следует иметь в виду, что после того, как элементы абразивного материала для финишной обработки в соответствии с вариантами настоящего изобретения отслужили свой срок, то есть имеют такой износ, что их эффективность становится неприемлемой, они могут быть направлены на рециркуляцию, чтобы образовать новые элементы абразивного материала для финишной обработки.
При этом изношенные элементы могут быть расплавлены и затем охлаждены для образования свежих (новых) элементов абразивного материала для финишной обработки. В соответствии с некоторыми вариантами, изношенные элементы могут быть раздроблены, чтобы образовать частицы, которые затем подвергают термообработке. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения частицы помещают в литейную форму, такую как показанная на фиг.4, и подвергают термообработке, проводимой аналогично ранее описанному.
Преимуществом рециркуляции изношенных элементов является снижение отходов, за счет чего снижается объем материала, который необходимо отправлять в места захоронения отходов. Тот факт, что исходный материал, из которого образуют элементы для финишной обработки, получают в первую очередь из рециркулированного кварцевого стекала, позволяет также снизить отрицательное влияние на окружающую среду (связанное с проведением горных работ).
На фиг.5 показан набор элементов абразивного материала для финишной обработки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, которые имеют углы конусности в диапазоне ориентировочно от 15° до 90°. Также может быть использован угол конусности ориентировочно до 120°.
Элемент в соответствии с настоящим изобретением главным образом образован из стекломатериала и кристаллизованного стекломатериала.
На фиг.6 показана внутренняя структура элемента 410 абразивного материала для финишной обработки, который имеет пористую или вентилируемую структуру. Таким образом, элемент абразивного материала для финишной обработки содержит множество пор или пустот 450. Преимуществом такой структуры является то, что элемент, имеющий свободную поверхность 411 с множеством острых кромок 415, может быть образован удобным образом, без необходимости сцепления частиц с матрицей. Кроме того, следует иметь в виду, что по мере износа элемента абразивного материала для финишной обработки при эксплуатации открываются свежие пустоты на свободной поверхности. Таким образом, открывают свежие острые кромки по мере износа элемента.
Более того, при износе элемента отрывающиеся от элемента любые кусочки материала имеют относительно малые размеры по сравнению с размером самого элемента. Поэтому снижается риск блокирования этими кусочками фильтров и соответствующих устройств флюидной обработки вибрационной установки для финишной обработки по сравнению с некоторыми известными элементами абразивного материала для финишной обработки и абразивными материалами.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения элемент абразивного материала для финишной обработки содержит кристаллический материал, открытый на поверхности элемента, который образует абразивную поверхность для изделия, которое подвергают финишной обработке (отделке). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения кристаллический материал элемента представляет собой материал в виде удлиненных кристаллов, выступающих из внешней поверхности элемента. На фиг.7 показан участок элемента 510 для финишной обработки, который имеет свободную поверхность 511. Кристаллический (расстеклованный) материал 520, 525 присутствует на свободной поверхности 511, причем в некоторых вариантах часть кристалллического материала в виде удлиненных кристаллов 520 выступает из свободной поверхности 511. В элементах 510 также могут быть пустоты (или поры) 550.
Следует иметь в виду, что размер кристаллов, присутствующих в элементах для финишной обработки, может зависеть от термообработки исходного материала в виде стекла. Большее время отжига при повышенной температуре типично приводит к образованию более крупных кристаллов.
Кроме того, следует иметь в виду, что в некоторых вариантах расстеклованный материал присутствует в сочетании с матрицей стекловидного материала 530, так что кристаллический материал 520, 525 эффективно 'заделан' в стекловидный материал 530. Таким образом, процесс термообработки стекла приводит к образованию структуры частицы - матрица без перемешивания частиц и матрицы материала, поступающих из разных источников. За счет этого существенно упрощается процесс изготовления и снижается стоимость изготовления.
Таким образом, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере три характеристики элемента для финишной обработки способствуют финишной обработке изделий, которые входят в контакт с элементом, а именно: (i) размер кусков стеклобоя, использованных для образования элемента абразивного материала для финишной обработки, (ii) размер кристаллов материала, присутствующих в элементе, который определяется профилем время/ температура при термообработке стеклобоя, и (iii) степень образованной в элементе пористости.
Было обнаружено, что в случае использования более крупных кусков стеклобоя, вводимых в литейную форму и затем подвергаемых термообработке, за счет которой стеклобой спекается, чтобы образовать элемент для финишной обработки, и по меньшей мере частично подвергается расстеклованию, получают элементы, имеющие более грубую поверхностную морфологию, чем в случае использования более мелких кусков стеклобоя. Таким образом, более крупные куски стеклобоя обычно позволяют получать элементы с большей шероховатостью поверхности, чем более мелкие куски стеклобоя.
Таким образом, при использовании более крупных кусков стеклобоя получают более гранулированную структуру, причем поверхность элемента имеет шероховатость по длине шкалы (on length scale), превышающую размер самых малых кусков стеклобоя.
Размеры кристаллов материала, образующего элементы для финишной обработки, сильно зависят от температурного профиля проведенной термообработки (то есть от температуры элементов в зависимости от времени термообработки). Следует иметь в виду, что более крупные кристаллы, открытые на свободной поверхности элемента для финишной обработки, типично приводят к тому, что этот элемент будет иметь более грубую поверхностную морфологию, чем элемент, в котором более мелкие кристаллы открыты на свободной поверхности.