состав абразивной массы для изготовления высокоструктурного инструмента

Формула изобретения

1. Aбразивная масса для изготовления высокоструктурного инструмента, включающая абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, отличающаяся тем, что абразив состоит из смеси абразивных зерен с различной зернистостью, размеры которых составляют 60-160 мкм и 160-420 мкм, при этом объемное содержание абразивных зерен с меньшей зернистостью составляет 5-100 % от объемного содержания абразивных зерен с большей зернистостью, а 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.

2. Масса по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит выгорающий наполнитель в количестве 5-50 % объемного содержания абразива с большей зернистостью.

Описание изобретения к патенту

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.