СОСТАВ АБРАЗИВНОЙ МАССЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСТРУКТУРНОГО ИНСТРУМЕНТА
COMPOSITION OF ABRASIVE MASS FOR PRODUCTION OF FINE-COUNT-STRUCTURE TOOL

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).
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.
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.
Техническим результатом является улучшение технологичности изготовления инструмента по таким характеристикам, как прочность сырца, объемная деформация при обжиге и стабильность твердости по объему инструмента.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в составе абразивной массы для изготовления высокоструктурного абразивного инструмента, включающем абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, согласно изобретению, абразив состоит из смеси абразивных зерен двух различных зернистостей, с размерами в пределах 60-160 мкм и размерами 160-420 мкм, при этом объемное содержание абразивных зерен с меньшей зернистостью составляет 5-100% от объемного содержания абразивных зерен с большей зернистостью, кроме того наполнитель представляет собой смесь полых сферических частиц из алюмосиликата размером в диапазоне от 85 до 560 мкм в количестве 5-100 об.% абразива с большей зернистостью.
Целесообразно, чтобы состав содержал выгорающий наполнитель в количестве 5-50% объемного содержания абразива с большей зернистостью.
При наличии в составе абразивной массы абразива в виде абразивных зерен двух зернистостей их количество при общем постоянном объемном содержании в отличие от абразива с одной зернистостью увеличивается и тем больше, чем меньше вторая зернистость абразива (по размерам зерен) и больше ее относительная доля.
В процессе затвердевания расплавленной керамической связки при обжиге абразивного инструмента повышенное количество твердых тугоплавких зерен способствует однородной по объему инструмента кристаллизации связки с образованием более коротких мостиков связки между абразивными зернами.
При заданном номере структуры, который определяет объемное содержание абразива в инструменте, и заданной его базовой зернистости, величина которой зависит от технологических требований к обработке, введение дополнительной меньшей по размерам зерен зернистости абразива в сочетании с наполнителем в виде полых частиц, позволяет формировать объемный каркас из абразивных зерен и алюмосиликатных частиц наполнителя, закрепленных керамической связкой и клеящими добавками, устойчивого к объемной деформации инструмента при его сушке и обжиге с однородным распределением абразивных зерен и мостиков связки в объеме инструмента.
Примеры использования заявленного состава приведены ниже.
Пример 1.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46) и размером 120 мкм (зернистость F100) со структурой N=8 на характеристику 25A F46/F100 N 8 V состоит из следующих компонентов, об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46)
40
Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100)
6
Относительное содержание зерна с размером 120 мкм (зернистость F100)
к содержанию зерна с размером 400 мкм (зернистость F46)
15%
Керамическая связка К5С
10
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
5
Клеящие и увлажняющие добавки
13,6
Пример 2.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и размером 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=8 на характеристику 25A F80/F120 М 8 V состоит из следующих компонентов, об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80)
43,8
Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120)
2,2
Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120)
к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80)
5%
Керамическая связка К5С
11
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
3
Клеящие и увлажняющие добавки
14,1
Пример 3.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 200 мкм (зернистость F70) и микрокристаллического корунда, изготовленного по золь-гелевой (SG) технологии, с размером 160 мкм (зернистость F80) со структурой N=9 на характеристику 25А F70/SG F80 K 9 V состоит из следующих компонентов, об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 200 мкм (зернистость F70)
22
Абразивное зерно марки SG с размером 160 мкм (зернистость F80)
22
Относительное содержание зерна с размером 200 мкм (зернистость F70)
к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80)
100%
Керамическая связка FK53
9,5
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
4,5
Клеящие и увлажняющие добавки
13,5
Пример 4.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из карбида кремния зеленого марки 64С с размером 250 мкм (зернистость F60) и с размером 160 мкм (зернистость F80) со структурой N=8 на характеристику 64С F60/F80 J 8 V состоит из следующих компонентов,  об.%:
Абразивное зерно марки 64С с размером 250 мкм (зернистость F60)
30
Абразивное зерно марки 64С с размером 160 мкм (зернистость F80)
16
Относительное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80)
к содержанию зерна с размером 250 мкм (зернистость F60)
53%
Керамическая связка К33
16
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
4
Клеящие и увлажняющие добавки
9,5
В абразивную массу с высокими номерами структуры может дополнительно вводиться в качестве наполнителя выгорающий при температуре обжига инструмента наполнитель в виде молотых фруктовых косточек.
Выгорающий наполнитель, содержание которого составляет 5-50% объемного содержания абразива с наибольшей зернистостью, при перемешивании абразивной массы в процессе ее приготовления способствует более равномерному распределению в объеме абразивных зерен и дисперсных частиц керамической связки. Выгорая в процессе обжига инструмента, он создает открытую пористость, объем которой пропорционален количеству вводимого порообразующего наполнителя. Поры на рабочей поверхности за счет улучшения охлаждения и складирования стружки повышают эффективность обработки.
Техническим результатом введения выгорающего наполнителя в сочетании с использованием абразива двух зернистостей и наполнителя в виде алюмосиликатных полых сферических частиц является улучшение технологических свойств абразивной массы и эксплуатационных свойств инструмента (например, повышение разрывной прочности).
Важным результатом является также обеспечение значений объемной деформации абразивного инструмента с высокими номерами структуры до N=22 на уровне, приемлемом для их экономичного серийного производства.
Возможные примеры составов абразивной массы с дополнительным введением в нее выгорающего наполнителя излагаются ниже.
Пример 5.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46) и с размером 120 мкм (зернистость F100) со структурой N=10 на характеристику 25A F46/F100 N 10 V состоит из следующих компонентов, об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46)
38
Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100)
4
Относительное содержание зерна с размером 120 мкм (зернистость F100)
к содержанию зерна с размером 400 мкм (зернистость F46)
10,5%
Керамическая связка К5С
10,4
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
7
Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель)
2,5
Клеящие и увлажняющие добавки
13,6
Пример 6.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размером 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=10 на характеристику 25A F80/F120 М 10 V состоит из следующих компонентов,  об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80)
39
Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120)
3
Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120)
к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80)
7,7%
Керамическая связка К5С
11
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
5,1
Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель)
2
Клеящие и увлажняющие добавки
14,5
Пример 7.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 250 мкм (зернистость F60) и с размером 160 мкм (зернистость F80) со структурой N=17 на характеристику 25A F60/F80 G 17 V состоит из следующих компонентов, об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 250 мкм (зернистость F60)
28
Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80)
6
Относительное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80)
к содержанию зерна с размером 250 мкм (зернистость F60)
21,4%
Керамическая связка К5С
6
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
8
Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель)
10
Клеящие и увлажняющие добавки
16
Пример 8.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размером 120 мкм (зернистость F100) со структурой N=18 на характеристику 25A F80/F100 F/G 18 V состоит из следующих компонентов, об.%:
Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80)
26
Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100)
8
Относительное содержание зерна с размером 120 мкм (зернистость F100)
к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80)
30,8%
Керамическая связка К5С
7
Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель)
в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм
6
Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель)
13
Клеящие и увлажняющие добавки
14,5
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 1-3 и 5-8 изучались на специальных образцах.
Прочность сырца измерялась на приборе Ватта на предварительно отформованных брусках размером 250×35×10 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. - 288 с. С.157).
Для определения объемной деформации после обжига и твердости использовались плашки 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. По величине среднеквадратичного отклонения твердости можно судить о ее стабильности в объеме инструмента.
Механическую прочность на разрыв на образцах-восьмерках определяли на разрывной машине УМ-500 согласно методике, описанной в книге (Любомудров В.Е., Васильев Н.Н. Абразивные инструменты и их изготовление. -М-Л: Машгиз, 1953. - 352 с. С.135).
Свойства абразивной массы по примеру 4 исследовались в процессе изготовления шлифовальных кругов прямого профиля с размерами 1 300×10×127. Оценивалось давление прессования при формовании заготовок шлифовальных кругов, объемная деформация по изменению объема круга до и после обжига и твердость в соответствии с ГОСТ Р 52587-2006. Дисбаланс инструмента оценивался в соответствии с ГОСТ 3060. Выборочно измерялась разрывная скорость на испытательном стенде АИП - 400.
В табл.1 и 2 приведены результаты сравнения свойств заявленной массы и массы по прототипу.
Таблица 1
Абразивная масса для изготовления высокоструктурного инструмента
№
Заявленная масса
Масса по прототипу
Прочность сырца, КПа
Объемная деформация,%
Среднеквадратичное отклонение твердости, мм
Прочность на разрыв, КПа
Прочность сырца, КПа
Объемная деформация,%
Среднеквадратичное отклонение твердости, мм
Прочность на разрыв, КПа
1
50
1,67
0,13
72
48,1
2,01
0,16
71,6
2
69
1,26
0,22
87,2
63,2
1,96
0,28
83,9
3
80
0,75
0,09
52
78,3
1,02
0,11
50,3
5
53
5,14
0,25
91
52,1
6,09
0,26
90,1
6
60
3,35
0,18
91,7
59,3
3,99
0,19
90,2
7
41
5,03
0,12
77
39,8
6,21
0,14
76,6
8
73
7,7
0,16
25,6
70,6
8,3
0,17
24,5
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет по сравнению с прототипом обеспечить повышенную прочность сырца, необходимую для формования инструмента с высокими номерами структуры, и устойчивость к объемной деформации в процессе его обжига.
Таблица 2
Абразивная масса для изготовления высокоструктурного инструмента по примеру №4
Свойства
Заявленная масса
Масса по прототипу
Объемная деформация, %
0,07
0,12
Твердость по глубине лунки, мм
Диапазон изменения
3,9-4,3
3,8-4,6
Средняя
4,15
4,2
Среднеквадратичное отклонение
0,19
0,23
Дисбаланс, г
12
15
Разрывная скорость, м/с
86,3
79,9
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 предназначен 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 соответствует требуемым условиям патентоспособности: «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» - по действующему законодательству.