Масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента и способ изготовления высокопористого абразивного инструмента
MASS FOR PRODUCTION OF HIGHLY POROUS ABRASIVE TOOL AND METHOD FOR PRODUCTION OF HIGHLY POROUS ABRASIVE TOOL

Группа изобретений относится к области абразивной обработки и может быть использована при производстве высокопористого абразивного инструмента, предназначенного для глубинного шлифования.
Известна масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента, содержащая, абразивное зерно, керамическую связку и наполнитель (см. описание изобретения к патенту России № 2 049 656, МПК B24D 3/14, опубл.10.12.1995).
Наполнитель известной массы включает органическую выгорающую составляющую в виде фруктовых косточек  и легкоплавких тонкостенных сферических частиц  из стекла в количествах соответственно по 0,1 10% от количества абразива.
Такая масса позволяет получить достаточно равномерный поровый каркас в инструменте, но при условии соблюдения строго расфракционированных фруктовых косточек, а также определенных соотношений между сферическими частицами, зернами и фруктовыми косточками. Применение дорогостоящих сферических частиц  в абразивной массе   увеличивает  стоимость инструмента.
Известна масса для изготовления пористого абразивного инструмента, принятая в качестве прототипа,  включающая  абразивный материал, керамическую связку, увлажнитель, клеящую добавку, воду и порообразующий наполнитель (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №1812087, МПК B24D 3/34, опубл. 30.04.1993).
В качестве увлажнителя в массу введен технический жидкий лигносульфонат, а в качестве порообразующего наполнителя -  дроблёные фруктовые косточки. Однако сырец, полученный из такой массы, имеет низкую механическую прочность, так как увлажненные фруктовые косточки создают эффект "расклинивания" зернового пространства, что приводит к высокому проценту брака при сушке, и  соответственно, к удорожанию инструмента. Кроме того, требуется применение строго фракционированных фруктовых косточек.
По данным российских абразивных заводов при изготовлении пористых шлифовальных кругов (номера структуры 10 – 12) с использованием молотой фруктовой косточки брак по причинам искажения размера и формы, а в ряде случаев и растрескивания, может достигать 40% объема выпуска инструмента. Помимо этого пористый абразивный инструмент как правило обладает низкой разрывной прочностью по сравнению с показателями стандартного инструмента из того же материала.
Технической задачей и результатом  технического решения -масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента- является получение повышенной прочности сырца, необходимой для формования высокопористого абразивного инструмента и уменьшенной объемной  деформации в процессе его высокотемпературного обжига, что в итоге повышает технологичность процесса изготовления и снижает количество брака.
Технический результат достигается тем, что масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента содержит  абразивное зерно - зерно белого электрокорунда, порообразователь, увлажнители, керамическую связку и клеящую добавку,  при этом в качестве порообразующего наполнителя она содержит  сахар крупнокристаллический, в качестве увлажнителей и временного связующего – силикат жидкий, воду и декстрин, при соотношении компонентов в следующих пропорциях от общего количества абразива, в мас.ч:
абразив                                                                     100,0
сахар крупнокристаллический                                 3,0-10,0
керамическая связка                                                 5,0-9,0
силикат жидкий                                                        3,0-4,0
вода                                                                           0,2-0,5
декстрин                                                                   2,0-2,5
Предлагаемая абразивная масса отличается высокой механической прочностью (за счет высокой удельной поверхности порообразователя), кроме того уменьшается объемная деформация в процессе  высокотемпературного обжига инструмента.
Предлагаемая абразивная масса позволяет получать высокопористый, высокоструктурный инструмент, обладающий равномерной твердостью. Использование в качестве порообразователя крупнокристаллического сахара позволяет создать поровый каркас с  размером пор в пределах 300 – 800 мкм.
В качестве абразивного зерна в предлагаемой массе  используют зерно белого электрокорунда, например  25А (выбор зернистости зависит от назначения инструмента), в качестве керамической связки – связку К5 (возможно использование других керамических связок применяемых для производства абразивного инструмента), в качестве увлажнителя – вода, временного связующего – декстрин кукурузный сухой, кислотный  по ГОСТ 6034-2014, и клеящей добавки – силикат жидкий по ГОСТ Р 50418-92.
Керамическая связка   К5 – обладает низкой растекаемостью, что обеспечивает минимальную деформацию инструмента при его высокотемпературном обжиге, обеспечивает рабочую скорость абразивного инструмента до 50 м/с.
Декстрин  кукурузный, кислотный, высшего сорта – обеспечивает лучшую сыпучесть массы, при формовке заготовок абразивного инструмента придаёт сырцу дополнительную прочность, не оказывает коррозионного действия на металл прессформы, а так же обладает высокой экологичностью.
Зерно белого электрокорунда – обладает высокой твердостью и относительно низкой механической прочностью. Инструмент, изготовленный из белого электрокорунда, обладает высокой самозатачиваемостью, а обработанные таким инструментом металлические изделия имеют наименьшую шероховатость, по сравнению с изделиями обработанными инструментом из других электрокорундовых материалов.
Заявляемый способ изготовления высокопористого абразивного инструмента неразрывно связан с заявляемым техническим решением – массой для изготовления высокопористого абразивного инструмента, образуя единый изобретательский замысел.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, выбранный в качестве прототипа, включающий   смешивание компонентов, формование из полученной смеси заготовок, их сушку и обжиг   (см. описание изобретения к патенту  России № 2 433  032, МПК B24D 3/18, B24D 3/34, опубл.10.11.2011). В известном способе компоненты абразивной массы  - абразивное зерно, керамическую связку, временное связующее, выгорающий наполнитель помещают в смеситель, например, типа СМ-200 и  перемешивают. В полученную смесь вводят наполнитель из смеси сферокорунда с губчатой структурой, полых сферических частиц алюмосиликата и клеящего вещества. Таким образом, смесь образуют в две стадии.
2
Абразивный инструмент формуют прессованием. Сначала абразивную массу засыпают в пресс-форму, разравнивают и прессуют с усилием, например, 70-200 кг/см. После прессования заготовку выдерживают в естественных условиях в зависимости от ее размера в течение 40-48 ч, затем высушивают при 40-50°С и обжигают при температуре 1240°С ± 10°С.
Известный способ   требует длительного процесса  выдержки изделий, что одновременно увеличивает стоимость инструмента.
Технической задачей и техническим результатом предлагаемого технического решения является сокращение технологического цикла изготовления абразивного инструмента при одновременном  повышении качества изготавливаемого инструмента.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что  в способе  изготовления высокопористого абразивного инструмента, включающем  смешивание компонентов для приготовления абразивной массы, формование из полученной смеси заготовок, их сушку, обжиг и  механическую обработку, имеются отличия,  а именно приготовление абразивной массы состоит из трёх стадий загрузки компонентов и их постадийного перемешивания в течение 4-5 минут, на первой стадии  загружают абразивное зерно и порообразователь, на второй - предварительно приготовленный силикат жидкий с пониженной плотностью, полученный смешением с водой, и на третьей стадии -   керамической связки  и декстрина.
Использование в качестве порообразователя сахара крупнокристаллического позволяет сократить продолжительность сушки заготовок, а так же исключить принудительную сушку при повышенных температурах, что сокращает технологический цикл.
При применении указанного способа смешивания компонентов, клеящая добавка равномерно распределяется в объеме зерна, что в свою очередь, обеспечивает высокую адгезию связки с зерном и обеспечивает высокое качество получаемого инструмента.
Предлагаемый способ обеспечивает получение повышенной прочности сырца, необходимой для формования высокопористого абразивного инструмента и уменьшенной объемной  деформации в процессе его высокотемпературного обжига, что в итоге повышает технологичность процесса изготовления и снижает количество брака, а также сокращает время технологического цикла. Кроме того, нет необходимости соблюдать определенные соотношения размеров абразивного зерна и кристаллов порообразователя, а так же их количественное соотношение в  массовых частях.
Предлагаемый способ приготовления абразивной массы состоит из трёх стадий загрузки компонентов и их постадийного перемешивания.
На первой стадии  в смесительную машину загружают абразивное зерно и порообразователь и перемешивают   в течение 4-5 минут.
На второй стадии в смесительную машину дополнительно загружают предварительно приготовленный силикат жидкий с пониженной плотностью и перемешивают в течение 4-5 минут.
3
3
Из технической литературы известно, что для приготовления формовочных смесей оптимальная плотность клеящей добавки –  жидкого силиката составляет  1,48 - 1,50 г/см (Гаршин, А. П. Материаловедение. В 3 т. Том 2. Технология конструкционных материалов: абразивные инструменты: учебник для академического бакалавриата / А. П. Гаршин, С. М. Федотова; под общ. ред. А. П. Гаршина. – 2-е изд., испр. и доп.  – М.: Издательство Юрайт, 2016. – с.244). В предлагаемом способе изготовления высокопористого абразивного инструмента жидкий силикат предварительно смешивают  с увлажнителем – водой, понижая тем самым плотность силиката до 1,423 – 1,454 г/см, и обеспечивая низкую растворимость   предлагаемого порообразователя - сахара крупнокристаллического,  а так же обеспечивая достаточную влажность формуемой абразивной смеси. Плотность силиката жидкого выбирают  в зависимости от фракции используемого абразивного зерна и регулируют  количеством вводимой дополнительно воды.
На третьей стадии  в смесительную машину загружают керамическую связку  и сухой декстрин и перемешивают  в течение 4-5 минут.
При применении указанного способа смешивания компонентов, клеящая добавка равномерно распределяется в объеме зерна, что в свою очередь, обеспечивает высокую адгезию связки с зерном.
o
Из полученной абразивной смеси формуют заготовки, которые выдерживают в естественных условиях до 40 часов в зависимости от размера и обжигают при температуре 1225C.  Использование в качестве порообразователя сахара крупнокристаллического позволяет сократить продолжительность сушки заготовок, а так же исключить принудительную сушку при повышенных температурах.   После обжига изделия охлаждают и подвергают механической обработке.
Примеры использования крупнокристаллического сахара в качестве порообразующего наполнителя абразивной массы приведены ниже.
Пример 1
Абразивная масса для изготовления шлифовальных кругов из электрокорунда белого марки 25А зернистостью F120 со структурой N=10 состоит из следующих материалов (компонентов), мас.ч.:
абразив                                               100
сахар крупнокристаллический          10,0
керамическая связка                           5,0
силикат жидкий                                   3,3
вода                                                      0,5
декстрин кукурузный сухой              2,0
Полученный абразивный инструмент имеет:- твердость ВМ 2- открытую пористость 52%- размер пор составляет от 400 до 800 мкм.
Пример 2
Абразивная масса для изготовления шлифовальных кругов из электрокорунда белого марки 25А зернистостью F180 со структурой N=12 состоит из следующих материалов (компонентов), мас.ч.:
абразив                                               100
сахар крупнокристаллический         10
керамическая связка                          8,2
силикат жидкий                                 3,1
вода                                                    0,4
декстрин кукурузный сухой              2,0
Полученный абразивный инструмент имеет:- твердость ВМ1- открытую пористость 52%- размер пор составляет от 300 до 500 мкм.
Прочность сырца контролировалась на приборе Ватти, для чего предварительно формовались бруски размером 250х35х11 мм (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. – с.157).
Для определения объемной деформации после обжига и твердости использовались образцы-свидетели типа «плашка» с диаметром 80 мм и высотой 20 мм. Объемная деформация образцов устанавливалась по разнице объемов образца до и после обжига. Твердость определялась по глубине лунки пескоструйным методом в соответствии с ГОСТ Р 52587-2006 «Инструмент абразивный. Обозначения и методы измерения твердости».
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле изобретения п.1 и п.2, позволяет обеспечить повышенную прочность сырца, необходимую для формования инструмента с высокими номерами структуры, и устойчивость к объемной деформации в процессе его обжига, а также снижение энергозатрат и сокращение времени технологического процесса.
В таблице приведены свойства прототипа и предлагаемой массы для изготовления абразивного инструмента.