CZ20003542A3

CZ20003542A3 - Brusný nástroj

Info

Publication number: CZ20003542A3
Application number: CZ20003542A
Authority: CZ
Inventors: Srinivasan Ramanath; William H. Williston; Sergej-Tomislav Buljan
Original assignee: Norton Company
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2001-12-12
Also published as: CN1294543A; AU732575B2; SK14402000A3; DE69901438T4; SE1066134T5; ATE217235T1; WO1999048646A1; EP1066134B9; CA2324578C; CN1130274C; HUP0102438A3; HK1034221A1; JP2006346857A; DE69901438T2; SE1066134T3; IL138434A0; DK1066134T5; AU2657399A; PL197639B1; EP1066134A1

Description

Brusný nástroj

Oblast techniky

Tato přihláška je částečné pokračováni přihlášky US č. 09/049,623 podané 27. března 1998. Tento vynález se týká brusných nástrojů vhodných pro přesné broušeni tvrdých křehkých materiálů, jako jsou keramické materiály a kompozity obsahující keramické materiály, při obvodových rychlostech kotouče do 160 metr/sekunda a vhodných pro povrchové broušení keramických destiček. Tyto brusné nástroje zahrnují hlavu nebo jádro kotouče připevněné k superabrazivnímu věnci pojenému kovovým pojivém, které je během brusných operací tepelně stabilní. Tyto brusné nástroje brousí keramické materiály s vysokými mírami úběru materiálu (např. 19 až 380 cm³/min/cm) , s menším opotřebením kotouče a s menším poškozením obrobkunež běžné brusné nástroje.

Dosavadní stav techniky

Jeden brusný nástroj vhodný pro broušení safíru a dalších keramických materiálů je zveřejněný v US-A5,607,489, Li. Tento nástroj je popsaný jako nástroj obsahující diamant krytý kovem pojený v keramické matrici obsahující 2 až 20 objemových % tuhého mazadla a alespoň 10 objemových % pórézity.

Jeden brusný nástroj obsahující diamant pojený v kovové matrici je zveřejněný v US-A-3,925,035, Keat. Tento nástroj se používá pro broušení slinutých karbidů.

V US-A-2,238,351, Van der Pyl, je zveřejněný upichovací kotouč zhotovený s diamantovým brusným zrnem pojeným kovem. Pojivo sestává z mědi, železa, cínu a případně niklu a pojené brusné zrno je slinované na ocelové jádro, případně s krokem pojení pro pojištění adekvátní přilnavosti. Uvádí se, že nejlepší pojivo má tvrdost 70 podle Rockwella B.

• · • ·

- 2 Jeden brusný nástroj obsahujicic jemné diamantové zrno (drť) pojené v kovovém pojivu o relativně nízké teplotě tavení, jako je bronzové pojivo, je zveřejněný v US-Re21,165. Nízkotavitelné pojivo slouží k tomu, aby se předešlo oxidaci jemného diamantového zrna. Brusný věnec je konstruovaný jako samostatný, prstencový brusný segment, který je pak připevněný ke středovému disku z hliníku nebo jiného materiálu.

Žádný z těchto brusných nástrojů se neosvědčil jako zcela uspokojivý při přesném, broušení keramických součástek.

Tyto nástroje selhávají, když se setkávají s přesnými údaji, pokud jde o tvar, velikost a kvalitu povrchu, když se provozují za komerčně proveditelných brusných poměrů. Většina komerčních brusných nástrojů doporučených k použití u takových operací jsou superabrazivní kotouče pojené pryskyřicí nebo keramickým pojivém· navržené tak, aby pracovaly při relativně nízkých brusných výkonech, aby se vyhnuly povrchovým i podpovrchovým poškozením keramických součástek. Brusné účinnosti se dále snižují díky sklonu keramických obrobků zanášet čelní plochu kotouče, což vyžaduje časté čištění a orovnávání kotouče, aby se zajistily přesné tvary.

Protože vzrostl požadavek trhu na přesné keramické součástky u výrobků, jako jsou motory, žáruvzdornou výstroj a elektronické přístroje (například destičky, magnetické hlavy a zobrazovací okénka), vzrostla potřeba zlepšených brusných nástrojů pro přesné broušení keramických materiálů.

Při obrábění vysoce výkonných keramických materiálů načisto, jako je karbid aluminia-titanu (AlTiC) pro elektronické součástky, vyžaduje povrchové broušení nebo dodatečné brusné operace vysokou kvalitu, jemná povrchová dokončení s malou silou a operace s relativně nízkou rychlostí broušení. Při dobrušování těchto materiálů je brusný výkon určený jak kvalitou povrchu obrobku a řízením • · · · • · • · · · 00 000 aplikované síly, tak i vysokými mírami úběru materiálu a odolnosti brusného kotouče proti opotřebení.

Podstata vynálezu

Vynález je brusný nástroj na broušení povrchu, který zahrnuje jádro, které má minimální parametr měrné pevnosti

2,4 MPa-cm³/g, hustotu jádra od 0,5 do 8,0 g/cm³, oběžný obvod a brusný věnec definovaný řadou brusných segmentů, kde brusné segmenty zahrnují v množstvích zvolených k celkovému maximu 100 objemových % od 0,05 do 10 %~ ob jemu superabrazivního zrna, od 10 do 35 % objemu drobného plniva a od 55 do 89,95 % objemu matrice pojené kovem, která má lomovou houževnatost od 1,0 do 3,0 MP.M . Parametr merne pevnosti je definovaný jako poměr menšího z komerční meze kluzu nebo meze pevnosti materiálu dělený měrnou hmotností materiálu. Drobivé plnivo se vybírá ze skupiny sestávající z grafitu, hexagonálního nitridu bóru, dutých keramických kuliček, živce, nefelínového syenitu, pemzy, kuliček pálené hlíny a skla a jejich kombinací. U jednoho výhodného provedení zahrnuje matrice pojená kovem maximálně 5 % objemu pórézity.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 znázorňuje souvislý věnec z brusných kotoučů připojených k obvodu kovového jádra pro vytvoření abrazivního brusného kotouče typu 1A1.

Obrázek 2 znázorňuje nesouvislý věnec brusných kotoučů připojených k obvodu kovového jádra tak, že tvoří hrncový kotouč.

Obrázek 3 znázorňuje vztah mezi množstvím odstraněné suroviny a normálnou silou během broušení obrobku z AlTiC abrazivními kotouči z Příkladu 5.

Příklady provedení vynálezu • · · · · ·

Brusné nástroje podle vynálezu jsou brusné kotouče, které zahrnuji jádro, které má středové vrtáni pro montáž kotouče na brusku, přičemž jádro je navržené pro podepření superabrazivního věnce pojeného kovem po obvodu kotouče. Tyto dvě části kotoučejsou držené k sobě pojivém, které je za brusných podmínek tepelně stabilní, a kotouč i jeho součásti jsou navržené tak, aby tolerovaly napětí vyvolávaná při obvodových rychlostech kotouče alespoň do 80 m/sec., s výhodou do 160 m/sec. Výhodné nástroje jsou kotouče typu IA a miskoví té kotouče, jako jsou kotouče typu 2 nebo typu 6 nebo kotouče typu 11V9 vytvarované jako zvon.

Jádro má v podstatě kruhový tvar. Jádro se může skládat z jakéhokoli materiálu, který má minimální měrnou pevnost

2,4 MPa-cm³/g, s výhodou 40-185 MPa-cm³/g. Materiál jádra má měrnou hmotnost od 0,5 do 8,0 g/cm³, s výhodou 2,0 až 8,0 g/cm³. Příklady vhodných materiálů jsou ocel, hliník, titan a bronz a jejich směsi a slitiny a jejich kombinace. Pro konstrukci jádra mohou být použity vyztužené (zesílené) plasty, které mají požadovanou minimální měrnou pevnost. Kompozity a vyztužené jádrové materiály mají typicky souvislou fázi kovové nebo plastové matrice, často v práškové formě, ke které jsou jako nespojitá fáze přidaná vlákna nebo zrna nebo částice tvrdšího, odolnějšího a/nebo méně hustého materiálu. Příklady vyztužujících materiálů vhodných pro použití v jádru nástroje podle vynálezu jsou skelná vlákna, uhlíková vlákna, vlákna aromatického polyamidu, keramická vlákna, keramické částice a zrna a duté vlákenné materiály, jako je sklo, mullit, oxid hlinitý a kuličky Zeolitu®.

Pro výrobu jader pro nástroje podle vynálezu může být použita ocel a další kovy, které mají měrné hmotnosti od 0,5 do 8,0 g/cm³. Při výrobě jader používaných pro vysokorychlostní broušení (např. alespoň 80 m/sec.) jsou výhodné lehčené kovy v práškové formě, (to jest kovy, které • · ·« · • · · • · • · • · ··

mají měrnou hmotnost asi od 1,8 do 4,5 g/cm³) , jako je hliník, hořčík a titan a jejich slitiny a jejich směsi. Výhodný je hliník a hliníkové slitiny. Kovy, které mají teploty slinování mezi 400 a 900 °C, s výhodou 570 až 650 °C, se volí tehdy, když se pro výrobu nástrojů používá proces montáže spoluspékáním. Pro zmenšení váhy jádra se mohou přidávat plnící materiály o nízké měrné hmotnosti. Materiály vhodné pro tento účel jsou porézní a/nebo dutá keramická nebo skelná plniva, jako jsou skleněné kuličky a vícenásobné kuličky. Užitečné jsou také anorganické a nekovové vlákenné materiály. Když je to udáno podmínkami zpracování, může se ke kovovému prášku přidat před slisováním a slinováním účinné množství mazadla nebo jiných procesních prostředků známých při pojení kovu a u superabrazivních výrobků.

Takový nástroj má být pevný, trvanlivý a rozměrově stálý, aby odolával potenciálním destrukčním silám vyvolávaným provozem za vysokých otáček. Jádro musí mít minimální specifickou pevnost pro práci brusných kotoučů při velmi vysoké úhlové rychlosti nezbytné pro dosažení tečné dotykové rychlosti mezi 80 a 160 m/s. Minimální parametr měrné pevnosti nezbytné pro jádrové materiály užívané u tohoto vynálezu je asi 2,4 MPa-cm³/g.

Tento parametr měrné pevnosti je definovaný jako poměr konvenční meze kluzu (lomové) materiálu jádra dělené měrnou hmotností materiálu jádra. V případě křehkých materiálů, které mají menší lomovou pevnost než konvenční mez kluzu, je parametr měrné pevnosti určený použitím menšího čísla, lomové pevnosti. Konvenční mez kluzu nějakého materiálu je nejmenší síla aplikovaná v tahu, pro kterou deformace materiáluvzrůstá bez dalšího zvyšování síly. Například ocel ANSI 4140 zakalená asi nad 240 (Brinellovy stupnice) má pevnost v tahu více než 700 MPa. Měrná hmotnost této oceli je kolem 7,8 g/cm³. Parametr její měrné pevnosti je tedy • · • · • · · * · ···« ·· ···

- 6 kolem 90 MPa-cm³/g. Podobně mají některé hliníkové slitiny, například Al 2024, Al 7075 a Al 7178, které jsoutepelně upravítelné na tvrdost podle Brinella asi nad 100, tahové pevnosti vyšší než asi 300 MPa. Takové hliníkové slitiny mají nízkou měrnou hmotnost kolem 2,7 g/cm³ a tak vykazují parametr měrné pevnosti více než 110 MPa-cm³/g. Rovněž vhodné pro použití jsou titanové slitiny a kompozity a slitiny bronzu vyrobené tak, aby měrnou hmotnost neměly větší než 8 g/cm³.

Jádrová materiál má být houževnatý, tepelně stabilní při teplotách dosahovaných v brusné zóně (např. kolem 50 až 200 °C), odolný vůči chemické reakci s chladivý a mazadly používanými při broušení a odolný proti opotřebení erozí způsobenou pohybem brusných úlomků v beusné zóně. Ačkoliv mají některé oxidy hliníku a jiné keramické materiály přijatelné hodnoty poškození (to jest více než 60 MPacm³/g), jsou obecně příliš křehké a při vysokorychlostním broušení díky lomu strukturně selhávají. Proto nejsou keramické materiály vhodné pro použití na jádra nástrojů. Přednost se dává kovu, speciálně zakalené kvalitní nástrojové oceli.

Brusný segment brusného kotouče pro použití s předloženým vynálezem je segmentový nebo souvislý věnec namontovaný na jádru. Jeden segmentový brusný věnec je ukázaný na obr. 1. Jádro 2 má středové vrtání 3 pro namontování kotouče na vřeteno neznázoměného mechanického pohonu. Brusný věnec kotouče zahrnuje superabrazivní zrna 4 uložená (s výhodou v jednotné koncentraci) v pojivu 6 kovové matrice. Brusný věnec ukázaný na obr. 1 tvoří několik brusných segmentů 8. Ačkoliv vyobrazení provedení ukazuje deset segmentů, není počet segmentů rozhodující. Samotný brusný segment, jak je ukázaný na obr. 1, má tvar komolého, obdélníkového prstence (obloukový tvar) charakterizovaný délkou 1, šířkou w a hloubkou d.

• · · ···· · · · · « · · ·· ·· 4 · · · • · ···· · · · · · • · · · · · ··· ·· ··* ·· 9949 44 999

- 7 Provedení brusného kotouče ukázaného na obr. 1 se považuje za reprezentativní z kotoučů, které se mohou úspěšně provozovat podle tohoto vynálezu, a nelze na něj pohlížet jako na jakkoli limitující. Početné geometrické obměny segmentových brusných kotoučů, které se považují za vhodné, zahrnují kotouče ve tvaru hrnce, jak je ukázáno na obr. 2, kotouče s apreturami přes jádro a/nebo mezerami mezi segmenty jdoucími po sobě a kotouče s brusnými segmenty o šířce odlišné od jádra. Otvory nebo mezery se občas používají pro to, aby zajistily dráhy pro vedení chladivá do brusné zóny a směřovaly brusnou drť pryč z této oblasti. Segment širší, než je šířka jádra, se občas používá, aby se chránila konstrukce jádra před erozí vyvolanou stykem s materiálem brusného kalu, když kotouč proniká radiálně do obrobku.

Kotouč se může zhotovovat tak, že se nejprve vytvoří jednotlivé segmenty o předem zvoleném rozměru a potom se připojí tyto předem vytvořené segmenty k obvodu 9 jádra vhodným lepidlem. Další výhodný způsob výroby zahrnuje vytvoření prekurzorových jednotek segmentů z práškové směsi brusného zrna a pojivá, vyformování této kompozice po obvodu jádra a aplikování tepla a tlaku, aby se segmenty vytvořily a přichytily na místě (to jest slinování jádra a věnce dohromady). Proces spoluspékání je výhodný pro výrobu hrncových kotoučů na broušení povrchu používaných pro podbrušování destiček a úlomků tvrdých keramických materiálů, jako je AlTiC.

Složka brusného věnce brusných nástrojů podle vynálezu může být souvislý věnec nebo nesouvislý věnec, jak je ukázáno na obrázcích 1 a 2. Souvislý brusný věnec může zahrnovat jeden brusný segment nebo alespoň dva brusné segmenty slinované samostatně ve formách a poté namontované jednotlivě na jádro nějakým tepelně stálým pojivém (to jest pojivém stálým při teplotách, se kterými se setkáme během • · ···· · · ·· • · « · ♦ · · • · « »· · · · broušeni v části segmentů směřující pryč od brusné lícové plochy, což je typicky kolem 50 až 350 °C) . Nesouvislé brusné věnce, jak je ukázáno na obrázku 2, se vyrábějí alespoň ze dvou takových segmentů a tyto segmenty jsou ve věnci oddělené spárami nebo štěrbinami a nejsou podél svých délek 1 slícované konec ke konci, jak je to u kotoučů se segmentovým souvislým brusným věncem. Obrázky znázorňují výhodná provedení vynálezu a nejsou míněné pro to, aby omezovaly typy provedení nástroje podle vynálezu, takže např. nesouvislé věnce se mohou použít na kotoučích 1A a souvislé věnce se mohou použít na hrncových kotoučích.

Pro vysokootáčkové broušení, zejména broušení obrobků, které mají válcový tvar, je výhodný kotouč typu 1A se souvislým věncem.Segmentové souvislé brusné věnce jsou výhodné oproti jedinému souvislému brusnému věnci vytvarovanému jako jediný kus prstencového tvaru, díky větší snadnosti dosažení skutečně kruhového, rovinného tvaru během výroby nástroje z mnoha brusných segmentů.

Pro brusné operace při nižších rychlostech (např. 25 až 60 m/sec.), zejména broušení povrchů a dokončování plochých obrobků jsou výhodné nesouvislé brusné věnce (např. hrncový kotouč představený na obr. 2). Protože u nízkorychlostních dokončovacích operací povrchu je kritická kvalita povrchu, mohou být drážky vytvořené v segmentech, nebo mohou být některé segmenty z věnce vynechány, aby napomáhaly při odstranění odpadního materiálu, který by mohl poškrábat povrch obrobku.

Složka brusného věnce obsahuje superabrazivní zrno držené v pojivu kovové matrice vytvořené typicky slinováním směsi prášku kovového pojivá a brusného zrna ve formě navržené pro poskytnutí požadované velikosti a tvaru brusnému věnci nebo segmentům brusného věnce.

Superabrazivní zrno použité v brusném věnci může být vybráno z diamantu, přírodního i umělého, CBN a kombinací • ♦ • · • · ··

- 9 těchto brusiv. Výběr velikosti a typu zrna se bude měnit v závislosti na charakteru obrobku a typu brusného procesu. Například při broušení a leštění safíru nebo AlTiC je výhodná velikost superabrazivního zrna sahající od 2 do 300 mikrometrů. Pro broušení dalších oxidů hlinitých je obecně výhodná velikost superabrazivního zrna asi od 125 do 300 mikrometrů (drť 60 až 120; velikost drti Norton Company). Pro broušení nitridu křemíku je obecně výhodná velikost zrna si kolem 45 a 80 mikrometrů (drť 200 až 400) . Jemnější velikosti drti jsou výhodné pro broušení povrchu načisto a větší velikosti drti jsou výhodné pro brusné operace válcových ploch, profilů nebo vnitřních průměrů, kde se odstraňují větší množství materiálu.

Jako procenta objemu brusného věnce zahrnují tyto nástroje 0,05 až 10 % objemu superabrazivního zrna, s výhodou 0,5 až 5 % objemu. Pro zvýšení rychlosti opotřebení se může přidat jako pojící plnivo menší množství drobivého plnivového materiálu, který má tvrdost menší než tvrdost matrice kovového pojivá. Jako procenta objemu složky věnce se může použít toto plnivo od 10 do 35 % objemu, s výhodou 15 až 35 % objemu. Vhodný materiál drobivého plniva musí být charakterizovaný vhodnými tepelnými i mechanickými vlastnostmi, aby přečkal podmínky slinovací teploty a tlaku používané při výrobě brusných segmentů a sestavování kotouče. Příklady užitečných materiálů drobivého plniva jsou grafit, šesterečný nitrid bóru, dutá keramická kulová tělíska, živec, nefelínový syenit, pemza, kalcinovaný kaolin a skleněná kulová tělíska a jejich kombinace.

Použít se zde může jakékoli kovové pojivo vhodné pro pájení superabraziv, které má lomovou houževnatost od 1,0 do 6,0 MPa.m^1/2, s výhodou 2,0 až 4,0 MPa.m^1/2. Lomová houževnatost je faktor intenzity napětí, při kterém se bude prasklina vyvolaná v materiálu šířit v materiálu a vést k prasknutí/lomu tohoto materiálu. Lomová houževnatost je ·· ····

vyjádřená jako

Kic = (a_f) (π^1/2) (C^1/2) , kde

K_lc je lomová houževnatost, Of je napětí aplikované při lomu a C je polovina délky praskliny. Existuje vice metod, které mohou být použity pro stanoveni lomové houževnatosti a každá má počáteční krok, kde se v testovaném materiálu vyvolá prasklina o známém rozměru a pak se aplikuje napěťové zatížení, dokud materiál nepraskne. Toto napětí při lomu a délka praskliny se dosadí do této rovnice a vypočítá se lomová houževnatost (např. lomová houževnatost oceli je kolem 30-60 MPa.m^1/2, hliníku je kolem 2-3 MPa.m^1/2, u nitridu křemíku je asi 4-5 MPa.m^1/2 a zirkonu je kolem 7-9 MPa.m^1/2) .

Pro optimalizaci životnosti kotouče a brusného výkonu musí být rychlost opotřebení pojivá rovná nebo mírně vyšší než rychlost opotřebení brusného zrna během brusných operací. Plniva, jako jsou ta uvedená výše, se mohou ke kovovému pojivu přidávat, aby se snížila rychlost opotřebení kotouče. Pro umožnění vyšších měr úběru materiálu během broušení jsou výhodné kovové prášky, které mají skloh tvořit relativně hutnou strukturu pojivá (t.j. méně než 5 objemových % pórézity).

Materiály užitečné v kovovém pojivu věnce zahrnují bronz, slitiny mědi a zinku (mosaz), kobalt a železo a jejich slitiny a směsi, ale nejsou na ně omezené. Tyto kovy mohou být podle volby použity s titanem nebo hydridem titanu nebo jiným superabrazivním reakčním (t.j. aktivní pojivové složky) materiálem schopným pro zesílení podpěr zrno/pojivo tvorby karbidové nebo nitridové chemické vazby mezi zrnem a pojivém na povrchu superabrazivního zrna za zvolených slinovacích podmínek. Pevnější vzájemná působení zrno/pojivo budou omezovat předčasnou ztrátu zrna a poškození obrobku a zkrácenou životnost nástroje způsobenou předčasnou ztrátou zrna.

U jednoho výhodného provedení brusného věnce zahrnuje • ·

- 11 kovová matrice 55 až 89,95 objemových % věnce, výhodněji 60 až 84,5 objemových %. Drobivé plnivo zahrnuje 10 až 35 objemových % brusného věnce, s výhodou 15 až 35 objemových %. Pórézita pojivá kovové matrice by se měla udržet během výroby brusného segmentu maximálně na 5 objemových %. Toto kovové pojivo má s výhodou tvrdost podle Knoopa od 2 do 3 GPa.

Podle jednoho výhodného provedení brusného kotouče typu 1A je jádro vyrobené z hliníku a věnec obsahuje bronzové pojivo vyrobené z prášků mědi a cínu (80/20 % hmotnosti) a volitelně také s přídavkem 0,1 až 3,0 % hmotnosti, s výhodou 0,1 až 1,0 % hmotnosti, fosforu ve formě prášku fosfor/měď. Během výroby brusných segmentů se kovové prášky této kompozice smíchají s drtí 100 až 400 (160 až 45 mikronů) diamantového brusného zrna, vyformují se do segmentů brusného věnce a slinují se nebo zhutní v rozsahu 400 - 550 °C při 20 až 33 MPa, aby se vytvořil hutný brusný věnec, který má s výhodou hustotu alespoň95 % hustoty teoretické (to jest, nezahrnuje více než 5 objemových procent pórézity).

U jednoho typického procesu výroby kotouče současným slinováním je kovový prášek jádra vsypáván do ocelové formy a zastudena slisován při 80 až 200 kN (tlaku kolem 10 až 50 MPa) do tvaru surové části, která má velikost přibližně 1,2 až 1,6 krát větší, než je požadovaná konečná tlouštka jádra. Tato část surového jádra se umístí v grafitové formě a přidá se směs brusného zrna (velikost drti 2 až 300 mikrometrů) a do dutiny mezi jádrem a vnějším věncem grafitové formy se přidá směs prášku kovového pojivá. Pro zhutnění brusivá a prášků kovového pojivá na stejnou tlouštku jako předlisek jádra se může použít usazovací prstenec. Obsahy grafitové formy se pak slisují zatepla při 370 až 410 °C při tlaku 20 až 48 MPa po dobu 6 až 10 minut. Jak je známo ze stavu techniky, teplota se může zvýšit (např. z 25 na 410 °C po t9 4 4 44 4 4 4 4 · · · · 4 4 · 4 4 4444 44444 · · 9 99 4 44 4444 4444 4 44 4444 444

444 44 4444 44 444

- 12 dobu 6 minut, držet při 410 °C po dobu 15 minut) nebo se může zvyšovat postupně před aplikaci tlaku na obsah formy.

Následně po slisování zatepla se grafitová forma se zčásti odstraní, tato část se ochladí a tato část se dokončí běžnými technikami, aby se zrodil brusný věnec, který by měl požadované rozměry a tolerance. Tato část může být například dokončená na velikost za použití keramických brusných kotoučů na bruskách nebo karbidových řezných nástrojů na soustruhu.

Při použití současného slinování jádra a věnce podle vynálezu, je pro uvedení této části do jejího konečného tvaru potřebné malé odstraňování materiálu. U jiných způsobů tvarování tepelně stabilního pojivá mezi brusným věncem a jádře může být potřebné před krokem cementování, spojování nebo difúze strojní obrábění jak jádra, tak i věnce, aby se zajistil přiměřený povrch pro slícování a pojení těchto částí.

Při vytváření tepelně stabilního spoje mezi věncem a jádrem využívajícího segmentové brusné věnce může být použito jakékoli tepelně stabilní lepidlo, které má takovou pevnost, aby odolalo obvodovým rychlostem kotouče do 160 m/sec. Tepelně stabilní lepidla jsou stabilní pro teploty brusného procesu, s nimiž se pravděpodobně setkají v části brusných segmentů orientovaných pryč od brusného povrchu. Takovéto teploty typicky sahají od 50-350 °C.

Takovýto adhezní spoj musí být velmi mechanicky pevný, aby odolal destruktivním silám, které existují během rotace brusného kotouče a během brusné operace. Výhodné jsou dvousložkové cementy s epoxidovou pryskyřicí. Jeden výhodný epoxidový cement, Technodyne® HT-18 epoxidová pryskyřice (získaná od Taoka Chemicals, Japonsko) a její modifikované aminové tvrdidlo se mohou smísit v poměru 100 dílů pryskyřice k 19 dílům tvrdidla. Plnivo, jako je jemný prášek oxidu křemičitého, se může přidat v poměru 3,5 dílu na 100 • Φ φφφφ φφ φφ φφ · φφφ φφφφ φφφφ φφφφφ φφ · φφ φ φφ φφφφ φφφ· φ φφ φφφφ φφφ φφ φφφ φφ φφφφ φφ φφφ

- 13 dílů pryskyřice, aby se zvýšila viskozita cementu. Segmenty se mohou namontovat kolem celého obvodu jader brusných kotoučů nebo dílčího obvodu jádra s cementem. Obvod kovových jader může být otryskaný pískem, aby se před připevněním segmentů získal určitý stupeň drsnosti. Zesílený epoxidový cement se se nanese na konce a podstavu segmentů, které se uspořádají kolem jádra, jak je v podstatě ukázáno na obr. 1, a během vytvrzování jsou držené na místě mechanicky. Epoxidový cement je určený pro vytvrzování (např. při teplotě místnosti po dobu 24 hodin a následně 48 hodin při 60 °C). Vysoušení cementu během vytvrzování a pohyb segmentů se během vytvrzování minimalizuje přidáním dostatečného množství plniva, aby se optimalizovala viskozita epoxidového cementu.

Pevnost adhezního spojení se může zkoušet rotačním zkoušením při zrychlení 45 ot/min, jak je to uděláno pro měření rychlosti roztržení kotouče. Kotouče potřebují prokázaný jmenovitý ekvivalent roztržení alespoň na 271 m/s stykových tečných rychlostí, aby byly způsobilé pro činnost za právě platných použitelných bezpečnostních norem 160 m/s tečné stykové rychlosti ve Spojených Státech.

Brusné nástroje podle vynálezu jsou navržené zejména pro přesné broušení a dokončování křehkých materiálů, jako jsou pokrokové keramické materiály, sklo a keramické materiály obsahující komponenty a keramické kompozitní materiály. Nástroje podle vynálezu jsou výhodné, avšak nejsou omezené, pro broušení keramických materiálů obsahujících křemík, mono a polykrystalické oxidy, karbidy, boridy a silicidy, polykrystalický diamant, sklo a kompozity keramického materiálu v nekeramické matrici a jejich kombinace. Příklady typických materiálů obrobků zahrnují, ale nejsou omezeny na AlTiC, nitrid křemíku, oxynitrid křemíku, karbid, nitrid bóru, diborid titanu, nitrid hliníku a kompozity těchto keramických materiálů a také některé kompozity kovových •Φ φφφφ

- 14 φφ φφ ·· φφφ φφφφ φφφ φφφφφ » · · φ * φφ φφφ* φ φ φ φ φφ φφφφ φφ φφ φφφ φφ φφφφ ·Φ · matric, jako jsou cementované karbidy a tvrdé, křehké amorfní materiály, jako je minerální sklo. Těmito zlepšenými brusnými nástroji mohou být broušeny buď monokrystalické keramické materiály.

materiály nebo U každého typu polykrystalické keramické keramického materiálu roste kvalita keramické části a účinnost brusné operace, protože je obvodová rychlost kotouče u kotoučů podle vynálezu zvýšená na 80 až 160 m/s.

Mezi keramickými částmi zlepšenými za použití brusných nástrojů podle tohoto vynálezu jsou keramické ventily a tyčinky spalovacích motorů, těsnění čerpadel, kuličková ložiska a tvarovky, vložky řezných nástrojů, části vedení, průtažnice pro tváření kovů, žáruvzdorné součástky, viditelná displejová okna, ploché sklo pro přední ochranná skla, dveře a okna, izolátory a elektrické části a keramické elektronické součástky, které zahrnují, ale nejsou omezené jen na silikonové destičky, čipy z AlTiC, čtecí a záznamové hlavy, magnetické hlavy a substráty.

Pokud není udáno jinak, jsou všechny díly a procentuální obsahy v následujících příkladech váhové. Tyto příklady pouze ilustrují vynález a nejsou určené k tomu, aby vynález omezovaly.

Příklad 1

Brusné kotouče podle vynálezu byly připraveny ve formě diamantových kotoučů 1A1 pojených kovem při využití materiálů z procesů popsaných níže.

Byla připravena směs 43,74 % hm. měděného prášku (Dendritic FS stupeň, velikost částice +200/-325 mesh, získaný od Sintertech International Marketing Corp., Ghent, NY) ; 6,24 % hm. prášku fosfor/měď (stupeň 1501, velikost částice +100/-325, získaný u New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA); a 50,02 % hm. cínového prášku (stupeň MD115, velikost částice +325 mesh, 0,5 % maximálně, získaný u Alcan Metal Powders, lne., Elizabeth, New Jersey). Ke směsi ·· »··· » · • » ·· ··

- 15 ·· ·· ·« • · · · 9 9 • · · · · • » 9 A « * * · · · ·· »· «« · · »« ··« ·· 9999 ·· •

• t · kovového prášku bylo přidáno zrno diamantového brusivá (velikost drti syntetického diamantu 320 získaného u General Electric, Worthington, Ohio) a tato kombinace se míchala dokud nebyla rozmíchána rovnoměrně. Tato směs byla umístěna do grafitové formy a za horka lisována při 407 °C po dobu 15 minut při 3000 psi (2073 N/cm²) , dokud se nevytvořila matrice s cílovou hustotou více než 95 % teoretické (např. pro kotouč č. 6 použitý v Příkladu 2: > 98,5 % hustoty teoretické). Tvrdost segmentů vyrobených pro kotouč č. 6 byla podle Rockwela B 108. Segmenty obsahovaly 18,75 % obj. brusného zrna. Segmenty byly obroušeny na požadovanou obloukovou geometrii, aby odpovídaly obvodu strojně obrobeného hliníkového jádra (hliník 7075 T6 získaný u Yarde Metals, Tewksbury, MA), a získal se kotouč o vnějším průměru kolem 393 mm a segmenty o tloušťce 0,62 cm.

Tyto brusné segmenty a hliníkové jádro byly smontovány systémem epoxydového cementu plněného oxidem křemičitým (lepidlo Technodyne HT-18 získané u Taoka Chemicals, Japonsko), aby se vyrobily brusné kotouče, které mají souvislý věnec sestávající z mnoha brusných segmentů. Styčné povrchy jádra a segmentů byly odmaštěny a otryskány pískem, aby se zajistilo přiměřené přilnutí.

Aby se charakterizovala nejvyšší pracovní rychlost tohoto nového typu kotouče, byly záměrně roztočeny až na destrukci kotouče ve skutečné velikosti, aby se určila pevnost roztržení a jmenovitá maximální pracovní rychlost podle zkušebního postupu nejvyšší pracovní rychlosti podle Norton Company. Níže uvedená tabulka shrnuje údaje zkoušky roztržení pro typické příklady experimentálních kotoučů pojených kovem, o průměru 393 mm.

- 16 Údaje pevnosti roztrženi experimentálního kotouče pojeného kovem:

Kotouč č.	Průměr kotouče cm (palec)	Otáčky roztr- 1/min	Rychlost roztr- žení (m/s)	Rychlost roztr- žení (sfpm)	Max. provozní rychlost (m/ s)
4	39.24 (15.45)	9950	204.4	40242	115 /6
5	39.29 (15.47)	8990	185.0	36415	104.8
7	39.27 (15.46),	7820	160.8	31657	91.1
9	39.27 (15.46)	10790	221.8	43669	125.7

Podle těchto údajů budou experimentální brusné kotouče podle tohoto návrhu způsobilé pro pracovní rychlost do 90 m/s (17,717 povrchových stop/min.). Vyšší pracovní rychlosti do 160 m/s se mohou snadno dosáhnout některými dalšími úpravami v procesech výroby a návrzích kotoučů.

Příklad 2

Hodnocení brusného výkonu:

Na brusný výkon byly zkoušeny tři experimentální kotouče pojené kovem, o průměru 393 mm, tloušťce 15 mm a středovém vrtání 127 mm (15,5 in x 0,59 in x 5 in) a vyrobené způsobem podle výše uvedeného Příkladu 1 (č. 4, který má segmenty s hustotou 95,6 % hustoty teoretické, č. 5 s 97,9 % hustoty teoretické ač. 6 s 98,5 % teoretické hustoty). Počáteční zkoušení při 32 a 80 m/s stanovilo kotouč č. 6 jako kotouč, který má nejlepší brusný výkon z těchto tří, ačkoliv byly přijatelné všechny experimentální kotouče. Zkoušení kotouče ··· · · · · ··· ····· ·· · · · • · · · · · ···· • · · · · · ·· ·· ··· ·· ···· ·· ·

- 17 č. 6 bylo děláno při třech rychlostech: 32 m/s (6252 sfpm), 56 m/s (11.000 sfpm) a 80 m/s (15.750 sfpm). Jako kontrolní kotouče sloužily dva komerční brusné kotouče podle stavu techniky doporučované pro broušení moderních keramických materiálů a ty byly zkoušeny spolu s kotouči podle vynálezu. Jeden byl diamantový kotouč pojený keramickým pojivém (kotouč SD320-N6V10 získaný od Norton Company, Worcester, MA) a druhý byl diamantový kotouč pojený pryskyřicí (kotouč SD320-R4BX619C získaný u Norton Company, Worcester, MA) . Tento pryskyřicový kotouč byl zkoušen při všech třech rychlostech. Kotouč pojený keramicky byl zkoušen jen při 32 m/s (6.252 sfpm), což bylo způsobeno činitely tolerance rychlosti.

Na obrobcích z nitridu křemíku bylo provedeno více než jeden tisíc zapuštěných brusů o šířce 6,35 mm (0,25 inch) a hloubce 6,35 mm (0,25 inch). Zkušební brusné podmínky byly:

Podmínky brusné zkoušky:

Stroj: bruska Studer model S40 CNC

Přesný popis kotouče: SD320-R4BX619C, SD320-N6V10, velikost: průměr 393 mm, tloušťka 15 mm a díra 127 mm.

Rychlost kotouče: 32, 56 a 80 m/s (6.252, 11.000 a 15.750 sfpm)

Chladivo: Inversol 22 @60% olej a 40% voda

Tlak chladivá: 270 psi (19 kg/cm²)

Míra úběru materiálu: proměnná, počínající při

3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/min/in)

Pracovní materiál: Si₃N₄ (tyče vyrobené z nitridu křemíku NT551 získaného u Norton Advanced Ceramics, Northboro, Massachusetts) průměr 25,4 mm (1 inch) x délka 88,9 mm (3,5 inch)

Pracovní rychlost: 0,21 m/s (42 sfpm), konstantní Počáteční pracovní průměr: 25,4 mm (1 inch)

Konečný pracovní průměr: 6,35 mm (0,25 inch)

Pro operace vyžadující orovnávání a čištění byly podmínky vhodné pro kotouče pojené kovem podle vynálezu:

Orovnávací operace:

Kotouč: 5SG46IVS (získaný u Norton Company)

Velikost kotouče: průměr 152 mm (6 inch)

Rychlost kotouče: 3.000 rpm; při koeficientu +0,8 relativně k brusnému kotouči Přísun: 0,015 in. (0,38 mm)

Kompenzace: 0,0002 in.

Čistící operace:

Tyčka: 37C220H-KV (SiC)

Způsob: Čištění ruční tyčkou

Zkoušky byly prováděny způsobem zapichování válcového vnějšího průměru při broušení tyčí nitridu křemíku. Pro zachování nejlepší tuhosti pracovního materiálu během broušení byly vzorky 88,9 mm (3,5 in.) drženy ve sklíčidle vysazeném pro broušení přibližně 31 mm (1 - 1/4 in.) . Každý soubor zkoušek zapichovacího broušení začal od vzdáleného konce každé tyče. Nejprve kotouč udělal pro dokončení jedné zkoušky zápich široký 6,35 mm (1/4 in.) o radiální hloubce 3,18 mm (1/8 in.) . Pracovní rpm (otáčky za minutu) byly pak znovu nastaveny, aby se kompenzovala ztráta pracovní rychlosti způsobená zmenšeným pracovním průměrem. Aby se zmenšil pracovní průměr z 25,4 mm (1 in.) na 6,35 mm (1/4 in.), byly provedeny v témže místě ještě dva podobné zápichy. Kotouč pak byl stranově posunut 6,35 mm (1/4 in.) blíže ke sklíčidlu, aby se provedly další tři zápichy. Na téže straně jednoho vzorku se provedly čtyři boční pohyby, aby se dokončilo dvanáct zápichů na jednom konci vzorku. Vzorek pak byl obrácen, aby se obnažil druhý konec pro dalších dvanáct zápichů. Na každém vzorku se udělalo celkem 12 hloubkových brusů.

Počáteční porovnávací zkoušky pro kotouče pojené kovem podle vynálezu a kotouče s pryskyřicí a kotouče s keramickým • · · · • ·

- 19 pojivém byly provedeny při obvodové rychlosti 32 m/s a při třech mírách úběru materiálu (MRR') přibližně od 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/min/in) asi do 10,8 mm³/s/mm (1,0 in³/min/in). Tabulka 1 ukazuje rozdíly výkonu, jak je popsáno koeficienty G, mezi těmito třemi různými typy kotoučů po dvanácti hloubkových brusech. Koeficient G je bezrozměrný poměr objemu materiálu lomený objemem opotřebení kotouče. Údaje ukázaly, že kotouč s keramickým pojivém třídy N měl při vyšších mírách úběru materiálu lepší koeficienty G než než kotouč pojený pryskyřicí třídy R, což svědčí o tom, že měkčí kotouč slouží lépe při broušení keramických obrobků. Avšak tvrdší, experimentální kotouč č. 6 pojený kovem byl mnohem lepší než kotouč pojený pryskyřicí i kotouč s keramickým pojivém při všech mírách úběru materiálu.

Tabulka 1 ukazuje odhadnuté koeficienty G pro kotouč pojený pryskyřicí a nový kotouč (č. 6) pojený kovem za podmínek míry úběru veškerého materiálu. Protože zde nebylo u kotouče pojeného kovem žádné měřitelné opotřebení kotouče po dvanácti brusech při každé míře úběru materiálu, byla udána pro každý brus symbolická hodnota 0,01 mil (0,20 μιη) kotouče.

To dalo kalkulovaný pojivém podle vynálezu radiálního opotřebení koeficient G 6.051.

Ačkoliv kotouč s kovovým obsahoval koncentraci diamantu 75 (kolem 18,75 objemových % brusného zrna v brusném segmentu) a kotouče pojené pryskyřicí a keramickým pojivém měly koncentraci 100 respektive koncentraci 150 (25 objemových % a 37,5 objemových %) , vykazoval kotouč podle vynálezu stále lepší brusný výkon. Za těchto relativních koncentrací zrna by se dal očekávat lepší brusný výkon od kontrolních kotoučů obsahujících větší procentuální množství brusného zrna. Tyto výsledky byly tedy neočekávané.

Tabulka 1 ukazuje údaje jakosti povrchu (Ra) a vlnitosti (Wt) naměřené na vzorcích broušených těmito třemi kotouči • ·

- 20 při nízké zkušební rychlosti. Hodnota vlnitosti Wt je nejvyšší vrchol k výšce prohlubně profilu vlnitosti. Všechny údaje jakosti povrchu byly naměřeny na povrchu vytvořeném válcovým zapichovacím broušením bez vyjiskření. Tyto povrchy by normálně byly drsnější než povrchy vytvořené podélným broušením.

Tabulka 1 ukazuje rozdíl ve spotřebě brusné energie při různých mírách úběru materiálu pro tyto tři typy kotoučů. Kotouč pojený pryskyřicí měl menší spotřebu energienež druhé dva kotouče, avšak experimentální kotouč pojený kovem a kotouč s keramickým pojivém měly porovnatelnou spotřebu energie. Experimentální kotouč odebíral přijatelné množství energie pro keramické brusné operace, zejména z pohledu příznivého koeficientu G a údajů jakosti povrchu pozorovaných pro kotouče podle vynálezu. Obecně demonstrovaly kotouče podle vynálezuodběr energie proporcionální k mírám úběru materiálu.

- 21 TABULKA 1

Vzo- rek	MRR mm³s~¹ mm'¹	Rychl. kotou- če m/s	Tečná síla N/nun	Jednot. výkon W/mm	Měrná energ. W. s. mm'³	Koef. G	Jakost povrchu Ra pm	Vlni- tost Wt \|im
Pryskyřice 973 3.2	32	0.48	40	12.8	585.9	0.52	0.86
1040	6.3	32	0.98	84	13.3	36.6	0.88	4.01
980	8.9	32	1.67	139	9.5	7.0	0.99	4.50
1016	3.2	56	0.49	41	13.1	586.3	0.39	1.22
1052	6.3	56	0.98	81	12.9		0.55	1.52
992	3.2	80	0.53	45	14.2	293.2 586.3	0.42	1.24
1064	6.3	80	0.89	74	11.8	293.2	0.62	1.80
1004	9.0	80	1.32	110	12.2	586.3	0.43	1.75
Keramické pojivo 654 3.2 32	1.88	60	19.2	67.3	0.7	2.50
666	9.0	32	4.77	153	17.1	86.5	1.6	5.8
678	11.2	32	4.77	153	13.6	38.7	1.7	11.8
Experimentální kovové poj 407 3.2 32 2.09	ivo 67	2.1	6051	0.6	0.9
419	6.3.	32	4.03	130	20.6	6051	0.6	0.9
431	9.0	32	5.52	177	19.7	6051	0.6	0.8 ,
443	3.2	56	1.41	80	25.4	6051	0.6	0.7
455	6.3	56	2.65	150	23.9	6051	0.5	0.7
467	9.0-	56	3.70	209	23.3	6051	0.5	0.6
479	3.2	80	1.04	85	26.9	6051	0.5	1.2
491	6.3	80	1.89	153	24.3	6051	0.6	0.8
503	9.0	80	2.59	210	23.4	6051	0.6	0.8

• » • · ·· ··· · • · · • 9 999

- 22 99 9999

Když byl brusný výkon měřený při 80 m/s (15,750 sfpm) v přídavném brusném testu za týchž podmínek, měly kotouč pojený pryskyřicí i experimentální kotouč pojený kovem porovnatelnou spotřebu energie při míře úběru materiálu (MRR) 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) . Jak je ukázáno v Tabulce 2, byly experimentální kotouče provozovány při zvýšených MRR bez ztráty výkonu nebo nepřijatelných silových zatíženích. Odběr energie kotouče pojeného kovem byl přibližně proporcionální k MRR. Nejvyšší MRR dosažená v této studii byla 47,3 mm³/s/mm (28,4 cm³/min/cm) .

Údaje v tabulce 2 jsou průměry z dvanácti brusných průchodů. Jednotlivé výkonové údaje zůstaly pro každý z dvanácti průchodů pozoruhodně shodné pro experimentální kotouč v rámci míry úběru každého materiálu. Normálně by se pozorovalo zvýšení výkonu, když se provádějí postupné brusné průchody a brusná zrna v kotouči se začínají otupovat nebo se lícová plocha kotouče stává zanešená materiálem obrobku. Toto se často pozoruje, když se zvyšuje MRR. Avšak ustálené úrovně spotřeby energie zachovávané v každé MRR během dvanácti brusů neočekávaně demonstrují, že experimentální kotouč zachovával svá pole ostrého broušení po celou délku zkoušky při všech MRR.

Během celé této zkoušky s mírami úběru materiálu sahajícími od 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) do 47,3 mm³/s/mm (4,4 in³/min/in) nebylo navíc nezbytné experimentální kotouč tvarově upravovat nebo orovnávat.

Celkové, rostoucí množství materiálu nitridu křemíku odbroušeného bez jakéhokoli důkazu opotřebení kotouče bylo ekvivalentní 271 cm³ na cm (42 in³ na inch) šířky kotouče. Naproti tomu, koeficient G pro kotouč pojený pryskyřicí o koncentraci 100 byl při míře úběru materiálu 8,6 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) přibližně 583 po dvanácti zápichách. Experimentální kotouč neukázal žádné měřitelné opotřebení kotouče po 168 zápichách při 14 různých mírách úběru • ·

• 9 9

9 9 99 • · • ·

9 9 9 9

- 23 materiálu .

Tabulka 2 ukazuje, že vzorky broušené experimentálním kotoučem pojeným kovem zachovávaly při všech 14 mírách úběru materiálu stálé jakosti povrchu mezi 0,4 μπι (16 μίη. ) a 0,5 μπι (20 μίη.) a měly hodnoty vlnitosti mezi 1,0 pm (38 μίη.) a 1,7 pm (67 pin.). Kotouč pojený pryskyřicí nebyl za těchto vysokých měr úběru materiálu zkoušen. Avšak při míře úběru materiálu kolem 8,6 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) měly keramické tyče broušené kotoučem pojeným pryskyřicí mírně lepší, avšak srovnatelné jakosti povrchu (0,43 oproti 0,5 pm) a rubové vlnitosti (1,73 oproti 1,18 pm) .

Překvapivě zde s rostoucí mírou úběru materiálu nebylo žádné patrné zhoršení jakosti povrchu, když byly keramické tyče broušeny novým kotoučem pojeným kovem. Toto je v kontrastu s obecně pozorovaným zhoršováním jakosti povrchu s růstem měr obrusu pro standardní kotouče, jako byly kontrolní kotouče použité zde.

Celkové výsledky ukazují, že experimentální kotouč pojený kovem byl schopný brousit efektivně při MRR, která byla více než 5 krát větší než MRR dosažitelná standardním, komerčně používaným kotoučem pojeným pryskyřicí. Tento experimentální kotouč měl při nižších MRR více než 10 krát větší koeficient G ve srovnání s kotoučem pojeným pryskyřicí.

• · · · • « · « · ♦ ·· • · » · · · « · · · · · · • · · · · · • · · · · · · · * · ·

TABULKA 2

MRR testováno při rychlosti kotouče 80 m/s

Vzorek X	MRR nm³s^_1 mm^-1	Tečná síla N/mm	Jednt. výkon W/inxn	Měrná energ. W.s. „„-3 mm	Koef. G	Jakost povrchu Ra μχχι	Vlni- tost Wt lim
Pryskyřice
1004	9.0	1.32	110	12.2	586.3	0.43	1.75
Kov
Vynález
805	9.0	l. 21	98	11.0	6051	0.51	1.19
017	18.0	2.00	162	9.0	6051	0.41	0.97
829	22.5	2.62	213	9.5	6051	0.44	1.14
841	24.7	2.81	220	9.2	6051	0.47	1.04
053	27.0	3.06	248	9.2	6051	0.48	1,09
065	29.2	3.24	262	9.0	6051	0.47	1.37
877	31.4	3.64	295	9.. 4	6051	0.47	1.42
B09	33.7	4.01	325	9.6	6051	0.44	1.45
901	35.9	4.17	338	9.4	6051	0.47	1.70
913	38.2	4.59	372	9.7	6051	0.47	1.55
925	40.4	4.98	404	10.0	6051	0.46	1.55
93 7	42.7	5.05	409	9.6	6051	0.44	1.57
949	44.9	5.27	427	9.5	6051	0.47	1.65
961	47.2	5.70	461	9.8	6051	0.46	1.42

Když se provozovaly při rychlostech kotouče 32 m/s (6.252 sfpm) a 56 m/s (11.000 sfpm) (Tabulka 1), byla spotřeba energie u kotouče pojeného kovem vyšší než spotřeba energie kotouče pojeného pryskyřicí při všech zkoušených mírách úběru materiálu. Avšak spotřeba energie se při vysoké ·♦·· «*· »..♦ ···· • * ··· » · · « · · • · ···♦ »»·· · • · ««·· «·» »· ♦»· ·· ·♦·· ·· ··

- 25 rychlosti kotouče 80 m/s (15.750 sfpm) stala pro kotouč pojený kovem porovnatelná nebo mírně menší než spotřeba energie u kotouče pojeného pryskyřicí (Tabulky 1 a 2) . Celkově tento trend ukázal, že spotřeba energie klesala se vzrůstající rychlostí kotouče, když se brousilo při téže míře úběru materiálu, jak pro kotouč pojený pryskyřicí, tak i pro experimentální kotouč pojený kovem. Spotřeba energie během broušení, z níž jde mnoho jako teplo do obrobku, je při broušení keramických materiálů méně důležitá než při broušení kovových materiálů díky větší tepelné stabilitě těchto keramických materiálů. Jak je demonstrováno kvalitou povrchu keramických vzorků broušených kotouči podle vynálezu, neubírala spotřeba energie nic na dokončených kusech a byla na přijatelné úrovni.

Pro experimentální kotouč pojený kovem byl koeficient G v podstatě konstantní na 6051 pro všechny míry úběru materiálu a rychlosti kotouče. Pro kotouč pojený pryskyřicí klesal koeficient G s rostoucími mírami úběru materiálu při jakékoli konstantní rychlosti kotouče.

Tabulka 2 ukazuje zlepšení jakostí a vlnitostí povrchu na broušených vzorcích při vyšší rychlosti kotouče. Navíc měly vzorky broušené novým kotoučem pojeným kovem nejnižší naměřené vlnitosti za všech rychlostí kotouče a zkoušených měr úběru materiálu.

Při těchto zkouškách demonstroval kotouč pojený kovem vyšší životnost kotouče porovnávanou s kontrolními kotouči. Na rozdíl od komerčních kontrolních kotoučů neexistovala během dost dlouhých brusných zkoušek žádná nutnost orovnávání a tvarového upravování experimentálních kotoučů. Experimentální kotouč byl úspěšně provozován při rychlostech kotouče do 90 m/s.

Přiklad 3

Při následné brusné zkoušce experimentálního kotouče (č. 6) při 80 m/sec za týchž provozních podmínek, jako byly ·44·

444 4444 · 4 4 4

4 444 4 4 4 4 4 4 «4 4444 4444 4

4 · · 4 444

444 44 4444 44 44

- 26 podmínky u příkladu předchozího, bylo dosaženo MRR 380 cm³/min/cm, přičemž se vytvořila míra jakosti povrchu (Ra) jen 0,5 μιη (12 μίη) a spotřebovala se přijatelná hladina energie. Pozorovaná vysoká míra úběru materiálu bez poškození povrchu na keramickém obrobku, čehož bylo dosaženo použitím nástroje podle vynálezu, nebyla zaznamenána pro žádnou brusnou operaci keramického materiálu jakýmkoli komerčním brusným kotoučem s jakýmkoli typem pojivá.

Příklad 4

Pro broušení safíru na stroji Blanchardova typu s vertikálním vřetenem byl připraven a zkoušen brusný nástroj hrncového tvaru.

Kotouč hrncového tvaru (průměr = 250 mm) byl vyrobený z brusných segmentů identických složením se segmenty použitými u příkladu 1, kotouče č. 6, kromě toho, že (1) diamant měl velikost zrna 45 mikronů (U.S. Mesh 270/325) a byl přítomný v brusných segmentech v 12,5 objemových % (koncentrace 50) a (2) velikosti segmentů byly 46,7 mm délka tětivy (133,1 mm poloměr) , 4,76 mm šířka a 5,84 mm hloubka. Tyto segmenty byly připojené podél obvodu bočního povrchu ocelového jádra ve tvaru hrnce, které mělo středové vrtání pro vřeteno. Povrch jádra měl drážky umístěné podél obvodu, které tvořily samostatné, mělké kapsy, které měly tytéž šířkové a délkové rozměry jako byly rozměry segmentů. Do těchto kapes byl přidán epoxidový cement (cement Technodyne HT-18 získaný od Taoka, Japonsko) a do kapes byly umístěny segmenty a toto lepidlo bylo dáno k vytvrzení. Dokončený kotouč se podobal kotouči ukázanému na obr. 2.

Tento hrncový kotouč byl úspěšně použit pro broušení povrchu pracovního materiálu sestávajícího z tuhého válce safíru o průměru 100 mm poskytujícího přijatelnou rovnost povrchu za příznivých brusných podmínek koeficientu G, MRR a spotřeby energie.

Příklad 5

- 27 ♦ · ·*·♦ ♦· ·« ··

9 9 ♦ ♦ ♦ · 9 9 9

9 999 99 9 99

9 9 9 9 9 · ♦

999 ·· 9999 99 9

Byly připraveny brusné nástroje hrncovitého tvaru typu 2A2 (o průměru 280 mm) , vhodné pro broušení zadních ploch destiček z AlTiC nebo křemíku, s brusnými segmenty popsanými v tabulce 3 níže. Kromě toho, že velikosti segmentu byly

139,3 mm délka poloměru, 3,13 mm šířka a 5,84 mm hloubka, jak je poznamenáno níže. Proséváním vážených komponent sítem

U.S. Mesh 140/170 a smícháním těchto komponent pro jejich rovnoměrné promísení byly připraveny směsi s dávkou pojivá a obsahující diamantové brusivo, postačující pro zhotovení 16 segmentů na kotouč v proporcích udaných v tabulce 3. Prášek potřebný pro každý segment byl vážen, zaveden do grafitové formy, vyvážen a zhutněn. Grafitové segmentové formy byly slisovány za tepla při 405 °C po dobu 15 minut při 3.000 psi (2.073 N/cm^z) . Po ochlazení byly segmenty z formy odstraněny.

Sestavení kotouče přilepením segmentů na strojně obrobené hliníkové jádro 7075 T6 bylo provedeno jako v příkladu 1. Segmenty byly odmaštěny, otryskány pískem, povlečeny lepidlem a umístěny ve strojně obrobených vybráních přizpůsobených obvodu kotouče. Po vytvrzení lepidla se kotouč strojně obrobil na velikost vyvážil a rychlostně zkoušel.

TABULKA 3

Složení pojivá hmotnostní % objemová %

vzorek	Cu	Sn	P	Graphite	Cu	Sn	P	Graphite
Control (Εκ. 1)	49.47	50.01	0.52	0.00	43.71	54.03	2.26	0.00
(1)	46.50	47.01	0.49	6. ou	'35.70	44.14	1.86	18.30

7.5/204

(2) 7.5/204 0 (3) 7.5/205 1	46.50	47.01	0.49	6.00	35.70	44.14	1.86	18.30
45.76	46.26	0.48	7.50	34.02	42.07	1.75	22.16
(4) 5/2040	46.50	47.01	0.49	6.00	35.70	44.14	1.86	18.30
(5) 25/2052	43.53	44.01	0.46	12.00	29.55	36.54	1.53	32.37

φφφ ·

Φ Φ ΦΦΦ Φ Φ 9 9 9

9 9 · 9 9 9 9

ΦΦΦ ΦΦ ΦΦΦΦ ΦΦ Φ

- 28 TABULKA 4

Složení brusného segmentu v objemových %

Vzorek	Pojivo	Grafit	Diamant³	Pórézita
Conírol	>80	0.00	18.75	< 5‘
(Ex. 1)			(75 conc)
(i)	>80	17.93	1.88
7.5/2040			(7.5 conc)	o
(2)	>80	17.93	1.88
7.5/2040			(7.5 conc)	v
(3)	>75	21.72	1.88
7.5/2051			(7.5 conc)	v. «j
(4)	>80	18.07	1.25	<5
5/2040		-	(5 conc)
(5)	>63	30.35	6.25	<5
25/2052			(25 conc)

a. Veškeré diamantové zrno použité v segmentech bylo velikosti drti 325 mesh (49 mikrometrů), kromě vzorku (1) , který měl zrno 270 mesh (57 mikrometrů) . Úrovně koncentrace diamantu jsou udané níže objemovými % diamantu.

b. Pórézita byla odhadnuta z pozorování mikrostruktury segmentů. Díky tvorbě intermetalických slitin překračovala často hustota zkušebních vzorků teoretickou hustotu materiálů použitých v segmentech.

Příklad 6

Zhodnocení brusného výkonu:

Na brusný výkon byly zkoušeny vzorky experimentálních segmentových kotoučů vyrobených podle příkladu 5, o průměru 280 mm, 29,3 mm tloušťce, se středovým vrtáním 228,6 mm (11 in x 1,155 in x 9 in), s nízkou koncentrací diamantu, plněné grafitem. Výkon těchto vzorků byl porovnáván s výkonem kontrolního podbrušovacího kotouče z příkladu 5, který byl vyrobený podle složení segmentu s vysokým obsahem diamantového brusivá ( koncentrace 75) z příkladu 1 (kotouč

0 00 0 ·· 00 00 0 0 0 » 0 0 0 0 0 0

0 000 0 0 0 9 9

0 000 '00

090 90 9009 99 ·

č. 6) bez grafitového plniva. Na obrobcích AlTiC (210 Grade AlTiC získaných od 3M Corporation, Minneapolis, MN) o čtvercových rozměrech buď 4,5 in (114,3 mm) nebo 6,0 in (152,4 mm) bylo provedeno přes 70 brusů, každý 114,3 mm (4,5 inch) široký a 1,42 mm (0,056 inch) hluboký, a byly zaznamenávány mikrony odstraněné suroviny a normálná brusná síla. Podmínky brusného testu byly:

Podmínky brusné zkoušky:

Stroj: bruska Strasbaugh model 7AF

Režim broušení: zapichovací broušení se svislým vřetenem

Specifikace kotouče: průměr 280 mm, tlouštka 29,3 mm, díra 229 mm

Rychlost kotouče: 1.200 rpm

Pracovní rychlost: 19 rpm

Chladivo: deionizovaná voda

Míra úběru materiálu: proměnlivá, 1,0 mikron/sec až 5,0 mikron/sec.

Kotouče byly orovnány a tvarově upraveny orovnávací podložkou 6 inch (152,4 mm) číslování 38A240-HVS získanou od Norton Company, Worcester, MA. Po počáteční operaci se orovnávání a tvarové upravování provádělo periodicky, když bylo potřeba a když se měnily míry dolní rychlosti přísuvu.

Výsledky této brusné zkoušky (normálná síla proti odstraněné surovině) pro příklad 5, vzorky 2, 4 a 1 jsou ukázané níže v tabulce 5 a na obrázku 3.

·· *·

- 30 TABULKA 5

Normálná brusná síla proti odstraněné surovině

	Control	Control	Control	2a	2a	2 b	4
Vzorek	(Ex. 1)	(Ex. 1)	(Ex.l)
MRR	1	3	5	1	2	2	2
Surovina	celekm		Normálná brusná síla	lib.	(kg)
Brus (μ)
25				6(2.7)	8(3.6)	11(5.0)	11(5.0)
50	16(7.3)	20(9.1)	23(10.4)	6(2.7)	7(3.2)	19(8.6)	20(9.1)
75				12(5.4)	7(3.2)	23(10.4)	22(10.0)
100	24(10.9)	34(15.4)	40(18.2)	17(7.7)	7(3.2)	27(12.3)	28(12.7)
150	27(12.3)	45(20.4)	50(22.7)	22(10.0)	7(3.2)	31(14.1)	32(14.5)
200	33(15.0)	50(22.7)	59(26.8)	28(12.7)	21(9.5)	34(15.4)	36(16.3)
250	37(16.8)	53(24.1)	60(27.2)	31(14.1)	30(13.6)	38(17.3)	38(17.3)
300	40(18.7)	57(25.9)	63(28.6)	33(15.0)	35(15.9)	40(18.2)	36(16.3)
350				36(16.3)	39(17.7)	42(19.1)	38(17.3)
400				39(17.7)	41(18.6)	40(18.2)	33(15.0)
450				42(19.1)	42(19.1)	40(18.2)	34(15.4)
500				42(19.1)	45(20.4)	41(18.6)	34(15.9)
550				43(19.5)	46(20.9)	43(19.5)	35(15.9)
600				46(20.9)	46(20.9)	39(17.7)	31(14.1)
a. 2a je vzorek 2	z tabulky 3	s šířkou brusného

segmentového věnce 3,13 mm. b. 2b je vzorek 2 z tabulky 3 s šířkou brusného segmentového věnce 2,03 mm.

Tyto výsledky demonstrují, že pro odstranění větších množství suroviny při vyšších MRR bylo potřebné značné zvýšení normálně síly (jde-li se od 1 na 3 na 5 mikronů/sekundu MRR), když se brousil povrch vzorkem kontrolního kotouče, který neměl žádné grafitové plnivo a koncentraci diamantového brusivá 75. Na rozdíl od toho

ΦΦ »·· · φ· ·· ·φ φφφ φφφφ φφφ φφφφφ φφ φ φφ φφ φφφφ φφ • Φ φφφ φφ φφφφ φφ φ potřebovaly kotouče s nízkou kocentrací diamantu a plněné grafitem z příkladu 5 podle vynálezu (vzorky 2a, 2b a 4) během broušení značně menší normálnou sílu. Síla potřebná pro odstranění ekvivalentního množství suroviny při MRR 2 mikrony/sekundu byla pro kotouč podle vynálezu ekvivalentní síle potřebné při MRR 1 mikron/sekundu pro vzorek porovnávacího kotouče.

Navíc potřebovaly vzorky kotouče 2a přibližně stejné normálně síly pro broušení buď při míře MRR 1 mikron/sekundu nebo MRR 2 mikron/sekundu. Kotouče 2a, 2b a 4 z příkladu 5 podle vynálezu vykazovaly také relativně stálé požadavky na normálnou sílu, když množství broušené suroviny rostlo z 200 na 600 mikronů. Tento typ brusného výkonu je velmi žádoucí při protisměrném broušení destiček AlTiC, protože tyto podmínky malé síly a vyrovnaného stavu minimalizují tepelné a mechanické poškození na obrobku.

Kontrolní kotouč (příkl. 1) nemohl být testován při vyšších úrovních úběru suroviny (např.nad přibližně 300 mikronů), protože síla potřebná pro broušení těmito kotouči překročila kapacitu normálně síly brusky, a tak způsobila, že se stroj automaticky zastavil, a zabránila sběru dat při vyšších úrovních úběru suroviny.

I když zde není přání, aby to bylo spojováno s nějakou zvláštní teorií, má se za to, že lepší brusný výkon kotoučů podle vynálezu s nízkou koncentrací diamantu a plněných grafitem je uvedený do vztahu s menším počtem jednotlivých zrn na jednotku plochy brusného segmentu, která přichází do styku s povrchem obrobku v kterémkoli bodě v době během broušení. Ačkoliv by někdo zkušený ve stavu techniky očekával menší MRR při menší koncentraci diamantu, zlepšení brusné síly u vynálezu je neočekávaně dosaženo bez slevení na MRR. Kotouč 2b, který má šířku brusného segmentu 2,03 mm, potřeboval pro broušení za týchž měr a množstvích úběru materiálu menší sílu, než potřeboval kotouč 2a, který má

0 0 · 0 · 00 00 00 000 0000 000 0 0 000 · 0 0 0 0 «0 0 000 000 00 000 00 0000 00 000

- 32 šířku brusného kotouče 3,13 mm. Vzorek kotouče 2b má menší povrchovou plochu a méně brusných bodů ve styku s povrchem obrobku v kterémkoli okamžiku v době během brusných operací, než má kotouč vzorku 2a.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Brusný nástroj pro broušení povrchu, který zahrnuje jádro, které má parametr minimální měrné pevnosti 2,4 MPacm³/g, měrnou hmotnost jádra od 0,5 do 8,0 g/cm³, kruhový obvod a brusný věnec definovaný řadou brusných segmentů, kde brusné segmenty zahrnují v množstvích zvolených na celkem maximálně 100 objemových % do 0,05 do 10 objemových % superabrazivního zrna, od 10 do 35 objemových % drobivého plniva a od 55 do 89,95 objemových % matrice kovového pojivá s lomovou houževnatostí 1,0 až 3,0 MPa M^1/2.
2. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že jádro zahrnuje kovový materiál vybraný ze skupiny skládající se z hliníku, oceli, titanu a bronzu, jejich kompozic a slitin a jejich kombinací.
3. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že brusné segmenty zahrnují 60 až 84,5 objemových % matrice kovového pojivá, 0,5 až 5 objemových % brusného zrna a 15 až 35 objemových % drobivého plniva a matrice kovového pojivá zahrnuje 5 objemových % pórézity.
4. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že drobivé plnivo je vybrané ze skupiny sestávající z grafitu, hexagonálního nitridu bóru, dutých keramických kuliček, živce, nefelínového syenitu, pemzy, páleného jílu a skleněných kuliček a z jejich kombinací.
5. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že brusné zrno je vybrané ze skupiny sestávající z diamantu a kubického nitridu bóru a jejich kombinací.

·* ··»· • 9 * ♦ · * e · « « ·

9 9

9 ··« • > 4 «« ····
6. Brusný nástroj podle nároku 6, vyznačující se t i m, že brusné zrno je diamant, který má velikost drti 2 až 300 mikrometrů.
7. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že kovové pojivo zahrnuje 35 až 84 hmotnostních % mědi a 16 až 65 hmotnostních % cínu.
8. Brusný nástroj podle nároku 7, vyznačující se tím, že kovové pojivo dále zahrnuje 0,2 až 1,0 hmotnostních % fosforu.
9. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačující se t i m, že brusný nástroj zahrnuje alespoň dva brusné segmenty a tyto brusné segmenty mají protáhlý, obloukovítý tvar a vnitřní zakřivení zvolené tak, aby těsně lícovalo s kruhovým obvodem jádra, přičemž každý brusný segment má dva konce navržené tak, že se těsně napojují na sousední brusné segmenty, takže brusný věnec je souvislý a v podstatě bez jakýchkoli mezer mezi brusnými segmenty, když jsou brusné segmenty připojené k jádru.
10. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že nástroj je vybraný ze skupiny sestávající kotoučů typu 1A1 a hrncových kotoučů.
11. Brusný nástroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t i m, že tepelně stabilní pojivo je zvoleno ze skupiny sestávající v podstatě z epoxidového lepivého pojivá, metalurgického pojivá, mechanického pojivá a difuzního pojivá a jejich kombinací.