ES2244349A1

ES2244349A1 - Articulos abrasivos porosos con abrasivos aglomerados y metodo para fabricar los abrasivos aglomerados.

Info

Publication number: ES2244349A1
Application number: ES200450059A
Authority: ES
Inventors: Eric Bright; Mianxue Wu
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2023-03-21
Also published as: KR100575023B1; EP2767364A2; TW200406279A; EP1492645A1; US20030194947A1; EP2767364A3; CA2479713C; CZ305225B6; ES2244349B2; AR039107A1; JP5274131B2; WO2003086704A1; HUP0500181A2; DE10392532T5; US6679758B2; JP2009034817A; CH697786B1; ZA200407415B; GB2405410A; RU2004133326A

Abstract

Una herramienta abrasiva ligada que tiene una estructura permeable al flujo de fluidos, comprende aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos y un material aglutinante, estando caracterizado el material aglutinante por una temperatura de fusión comprendida entre 500 y 1400 C, y teniendo los aglomerados sinterizados una densidad de empaquetamiento suelto menor o igual de 1,6 g/cc y una forma tridimensional; un material ligante; y aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo al menos 30% en volumen de porosidad interconectada. Se describen métodos para fabricar los aglomerados sinterizados y herramientas abrasivas que contienen los aglomerados sinterizados.

Description

Artículos abrasivos porosos con abrasivos aglomerados y método para fabricar los abrasivos aglomerados.

La invención se refiere a artículos abrasivos o herramientas de rectificado ligadas que se han hecho porosas por medio del uso de ciertos granos abrasivos aglomerados y a métodos para fabricar los granos abrasivos aglomerados.

Las herramientas de rectificado se fabrican en una diversidad de grados o estructuras determinados por el porcentaje en volumen relativo de grano abrasivo, ligante y porosidad dentro de una matriz de grano abrasivo compuesta. En muchas operaciones de rectificado, la porosidad de la herramienta de rectificado, particularmente la porosidad de una naturaleza permeable o de una naturaleza interconectada, mejora la eficacia de la operación de rectificado y la calidad de la pieza de trabajo que se está rectificando. A las mezclas de compuestos abrasivos se les pueden añadir inductores de la porosidad, tales como alúmina con burbujas y naftaleno, para permitir el moldeo por presión y la manipulación de un artículo abrasivo no curado poroso y para producir un porcentaje en volumen de porosidad adecuado en la herramienta final.

La porosidad natural debida al empaquetamiento de los granos abrasivos y las partículas de ligante durante el moldeo por presión es insuficiente para conseguir un carácter de porosidad que sea deseable para algunas operaciones de rectificado. Se han añadido inductores de poros para conseguir altos porcentajes de porosidad, sin embargo, con los inductores de poros conocidos en la técnica (por ejemplo, esferas huecas de cerámica o vidrio) no pueden conseguirse canales abiertos o una porosidad interconectada. Algunos inductores de poros deben desaparecer por calcinación del material abrasivo (por ejemplo, cáscaras de nuez y naftaleno), ocasionando diversas dificultades de fabricación. Además, las densidades de los inductores de poros, los materiales ligantes y los granos abrasivos varían significativamente, a menudo produciendo una estratificación de la mezcla abrasiva durante la manipulación y el moldeo y, a su vez, una pérdida de homogeneidad en la estructura tridimensional del artículo abrasivo acabado.

Se ha descubierto que el porcentaje en volumen de porosidad interconectada, o permeabilidad de fluido, es un determinante más significativo del comportamiento de rectificado de los artículos abrasivos que el mero porcentaje en volumen de porosidad. La Patente de Estados Unidos Nº-A-5.738.696 de Wu describe un método para fabricar abrasivos ligados utilizando un grano abrasivo alargado que tiene una relación de dimensiones de al menos 5:1. Las muelas abrasivas ligadas tienen una estructura permeable que contiene 55-80% en volumen de porosidad interconectada. La porosidad interconectada permite eliminar el residuo de rectificado (barro de amolado) 23 y el paso del fluido de refrigeración al interior de la muela durante el rectificado. La existencia de porosidad inteconectada se confirma midiendo la permeabilidad de la muela al flujo de aire en condiciones controladas. Los granos abrasivos filamentosos no se aglomeran o recubren de otra manera con ligante antes de montar la muela. La Patente de Estados Unidos Nº-A-5.738.697 de Wu describe muelas de rectificado de alta permeabilidad que tienen una cantidad significativa de porosidad interconectada (40-80% en volumen). Estas muelas están hechas de una matriz de partículas fibrosas que tienen una relación de dimensiones de al menos 5:1. Las partículas fibrosas pueden ser un grano abrasivo de alúmina sol gel sinterizada o granos abrasivos no fibrosos habituales mezclados con diversos materiales de carga fibrosos tales como fibras cerámicas, fibras de poliéster y fibras de vidrio, y mallas y aglomerados construidos con las partículas de las fibras. Los granos abrasivos filamentosos no se aglomeran o se recubren de otra manera con ligante antes de montar la muela.

El grano abrasivo se ha aglomerado para diversos fines, siendo el principal entre ellos permitir el uso de un menor tamaño de partículas (grano) para conseguir la misma eficacia de rectificado que con un tamaño de grano abrasivo mayor. En muchos casos, el grano abrasivo se ha aglomerado con materiales ligantes para conseguir una estructura menos porosa y una herramienta de rectificado más densa, que tiene granos abrasivos unidos más fuertemente. Se ha notificado que los granos abrasivos aglomerados mejoran la eficacia de rectificado por mecanismos que no están relacionados en absoluto con la cantidad o carácter de la porosidad del artículo abrasivo.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-2.194.472 de Jackson describe herramientas abrasivas recubiertas fabricadas con aglomerados de una pluralidad de granos abrasivos relativamente finos y cualquiera de los ligantes usados normalmente en herramientas abrasivas recubiertas o ligadas. Se usan ligantes orgánicos para adherir los aglomerados al soporte de los abrasivos recubiertos. Los aglomerados proporcionan una cara de recubrimiento abierto a los abrasivos recubiertos fabricados con un grano relativamente fino. Los abrasivos recubiertos fabricados con los aglomerados en lugar de granos abrasivos individuales se caracterizan por ser de corte relativamente rápido, de larga duración y adecuados para preparar una calidad de acabado superficial fino en la pieza de trabajo.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-2.216.728 de Benner describe agregados de grano abrasivo/ligante fabricados con cualquier tipo de ligante. El objeto de los agregados es conseguir estructuras de muelas muy densas para retener el grano de diamante o CBN durante las operaciones de rectificado. Si los agregados se fabrican con una estructura porosa, entonces tiene el fin de permitir que los materiales ligantes inter-agregado fluyan al interior de los poros de los agregados y densifique totalmente la estructura durante la operación de cocción. Los agregados permiten usar granos abrasivos finos que de otra manera se perderían en la producción.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-3.048.482 de Hurst describe microsegmentos abrasivos conformados de granos abrasivos aglomerados y materiales ligantes orgánicos en forma de pirámides u otras formas ahusadas. Los microsegmentos abrasivos conformados se adhieren a soportes fibrosos y se usan para fabricar abrasivos recubiertos y para revestir la superficie de muelas de rectificado finas. La invención se caracteriza porque produce una mayor vida de corte, una flexibilidad controlada de la herramienta, seguridad a alta potencia y velocidad, una acción resiliente y una acción de corte muy eficaz con respecto a las herramientas fabricadas sin microsegmentos de granos abrasivos aglomerados.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-3.982.359 de Elbel enseña la formación de agregados de ligante de resina y grano abrasivo que tienen una dureza mayor que la del ligante de resina usado para ligar los agregados en una herramienta abrasiva. Se consiguen velocidades de rectificado más rápidas y una mayor vida de la herramienta en muelas ligadas con goma que contienen los agregados.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.355.489 de Heyer describe un artículo abrasivo (muela, disco, cinta, lámina, bloque y similares) fabricado con una matriz de filamentos ondulados ligados entre sí en puntos de contacto manual y aglomerados abrasivos, que tiene un volumen de huecos de aproximadamente 70-97%. Los aglomerados pueden obtenerse con ligantes vitrificados o de resina y cualquier grano abrasivo.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.364.746 de Bitzer describe herramientas abrasivas que comprenden diferentes aglomerados abrasivos que tienen diferentes resistencias. Los aglomerados están hechos de granos abrasivos y adhesivos de resina y pueden contener otros materiales, tales como fibras cortadas, para añadir resistencia o dureza.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.393.021 de Eisenberg, et al., describe un método para fabricar aglomerados abrasivos a partir de granos abrasivos y un adhesivo de resina utilizando un tamiz y laminando una pasta del grano y el adhesivo a través del tamiz para realizar extrusiones de tipo gusano. Las extrusiones se endurecen calentando y después se prensan para formar aglomerados.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.799.939 de Bloecher enseña aglomerados erosionables de granos abrasivos, cuerpos huecos y adhesivo orgánico y el uso de estos aglomerados en abrasivos recubiertos y abrasivos ligados. Se reivindica una mayor eliminación de material, una mayor duración y utilidad en condiciones de rectificado en húmedo para artículos abrasivos que comprenden los aglomerados. Los aglomerados preferiblemente tienen 150-3.000 micrómetros en su dimensión mayor. Para fabricar los aglomerados, los cuerpos huecos, los granos, el aglutinante y el agua se mezclan como una suspensión espesa, la suspensión espesa se solidifica por calor o radiación para eliminar el agua, y la mezcla sólida se prensa en un perfilador de mandíbulas o de cilindros y se tamiza.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-5.129.189 de Wetshcer describe herramientas abrasivas que tienen una matriz de ligante de resina que contiene conglomerados de grano abrasivo, resina y material de carga, tal como criolita.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-5.651.729 de Benguerel enseña una muela de rectificado que tiene un núcleo y un borde abrasivo hecho de un ligante de resina y aglomerados prensados de grano abrasivo de diamante o CBN con un ligante de metal o cerámico. Las ventajas indicadas de las muelas fabricadas con los aglomerados incluyen los altos espacios de eliminación de virutas, la alta resistencia al desgaste, las características de autoafilado, la alta resistencia mecánica de la muela y la capacidad de adherir directamente el borde abrasivo al núcleo de la muela. En una realización, los bordes de rectificado ligados con diamante o CBN se prensan hasta un tamaño de 0,2 a 3 mm para formar los aglomerados.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.311.489 de Kressner describe aglomerados de grano abrasivo fino (\leq 200 micrómetros) y criolita, opcionalmente con un aglutinante de silicato, y su uso en la fabricación de herramientas abrasivas recubiertas.

La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.541.842 de Rostoker describe abrasivos recubiertos y muelas abrasivas fabricadas con agregados de grano abrasivo y una espuma obtenida a partir de una mezcla de materiales ligantes vitrificados con otros materiales de partida, tales como negro de humo o carbonatos, adecuados para formar espuma durante la cocción de los agregados. Los "gránulos" de agregado contienen un mayor porcentaje de ligante que grano en una base de porcentaje en volumen. Los gránulos usados para fabricar muelas abrasivas se sinterizan a 900ºC (a una densidad de 70 libras/pie cúbico; 1.134 g/cc) y el ligante vitrificado usado para fabricar la muela se cuece a 880ºC. Las muelas fabricadas con 16% en volumen de gránulos se comportaron en cuanto al rectificado con una eficacia similar a la de muelas comparativas fabricadas con 46% en volumen de grano abrasivo. Los gránulos contienen celdas abiertas dentro de la matriz de ligante vitrificado, con los granos abrasivos relativamente más pequeños agrupados alrededor del perímetro de las celdas abiertas. Se menciona un horno rotatorio para la cocción de agregados verdes pre-aglomerados para la posterior espumación y sinterización para fabricar los gránulos.

El documento US-5.975.988 de Christianson describe artículos abrasivos recubiertos que incluyen un soporte y una capa abrasiva ligada con ligante orgánico donde el abrasivo está presente como aglomerados conformados en la forma de una pirámide truncada de cuatro lados o un cubo. Los aglomerados se fabrican a partir de granos superabrasivos ligados en un adhesivo inorgánico que tiene un coeficiente de expansión térmica que es igual o sustancialmente igual al coeficiente de expansión térmica del grano abrasivo.

El documento WO 00/51788 de Stoetzel, et al, describe artículos abrasivos que tienen un soporte, un ligante orgánico que contiene partículas inorgánicas duras dispersas en su interior, y aglomerados de partículas abrasivas ligados al soporte. Las partículas abrasivas presentes en los aglomerados y las partículas inorgánicas duras presentes en el ligante orgánico son esencialmente del mismo tamaño. Los aglomerados pueden conformarse aleatoriamente o de forma precisa y se fabrican con un ligante orgánico. Las partículas inorgánicas duras pueden ser cualquiera de varias partículas de granos abrasivos.

El documento US-6.086.467 de Imai, et al, describe muelas de rectificado que contienen granos abrasivos y agrupamientos de granos de carga que tienen un menor tamaño que el grano abrasivo. Puede usarse un ligante vitrificado y el grano de carga puede ser óxido de cromo. El tamaño de los agrupamientos de granos es 1/3 o más del tamaño del grano abrasivo. Las ventajas induyen una erosión controlada del ligante y retención del grano abrasivo con aplicaciones de rectificado de baja fuerza utilizando un grano superabrasivo, donde el grano superabrasivo debe diluirse para minimizar las fuerzas de rectificado. Los agrupamientos de granos de carga pueden formarse con cera. No se describe ninguna sinterización de los agrupamientos.

El documento WO 01/04227 A2 de Adefris, et al, describe un artículo abrasivo que comprende un soporte rígido y compuestos abrasivos cerámicos hechos de partículas abrasivas en una matriz cerámica porosa. Los materiales compuestos se mantienen en el soporte con un recubrimiento metálico, tal como un metal electrochapado.

Ninguna de estas novedades de la técnica anterior sugiere la fabricación de artículos abrasivos usando granos abrasivos aglomerados porosos y partículas de ligante para controlar el porcentaje y carácter de porosidad y para mantener la porosidad en forma de porosidad interconectada permeable en artículos abrasivos ligados. No se sugiere el uso de un método en un horno de calcinación rotatorio para fabricar una diversidad de aglomerados de granos abrasivos para uso en los artículos abrasivos. Los métodos y herramientas de la invención producen nuevas estructuras a partir de mezclas aglomeradas de combinaciones existentes de granos abrasivos y ligante, y son sofisticados para permitir el diseño y fabricación controlados de amplias series de estructuras de artículos abrasivos que tienen características de porosidad interconectada bimodal beneficiosas. Tal porosidad interconectada bimodal mejora el comportamiento de la herramienta abrasiva, particularmente en operaciones de rectificado de precisión con grandes áreas de contacto, tales como procesos de rectificado de superficies con alimentación progresiva, rectificado de diámetro interno y rectificado de taller de herramientas.

La invención es una herramienta abrasiva ligada que tiene una estructura permeable al flujo de fluido, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 5-75% en volumen de aglomerados sinterizados, que comprenden una pluralidad de granos abrasivos mantenidos con un material aglutinante, estando caracterizado el material aglutinante por una temperatura de fusión comprendida entre 500 y 1400ºC, y teniendo los aglomerados sinterizados una forma tridimensional y una distribución de tamaños inicial previa a la fabricación de la herramienta;

b) un ligante; y

c) aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo la porosidad al menos 30% en volumen de porosidad interconectada;

donde al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados dentro de la herramienta abrasiva ligada retienen una pluralidad de granos abrasivos mantenidos en una forma tridimensional después de la fabricación de la herramienta.

En otra realización, la invención incluye una herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado que tiene una estructura permeable al flujo de fluido, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 5-75% en volumen de aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos con un material aglutinante, estando caracterizado el material aglutinante por una viscosidad A a la temperatura de fusión del material aglutinante;

b) un ligante vitrificado caracterizado por una viscosidad B a la temperatura de fusión del material aglutinante, siendo la viscosidad B al menos 33% menor que la viscosidad A; y

c) aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad, incluyendo al menos 30% en volumen de porosidad interconectada.

La invención también incluye una herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado, que tiene una estructura permeable al flujo de fluido, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 5-60% en volumen de aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos con un material aglutinante, estando caracterizado el material aglutinante por una temperatura de fusión A;

b) un ligante vitrificado caracterizado por una temperatura de fusión B, siendo la temperatura de fusión B al menos 150ºC menor que la temperatura de fusión A; y

En otro aspecto de la invención, la herramienta es una herramienta abrasiva ligada que tiene una estructura permeable al flujo de fluido, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 34-56% en volumen de grano abrasivo;

b) aproximadamente 3-25% en volumen de ligante; y

c) aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo al menos 30% en volumen de porosidad interconectada;

donde la porosidad interconectada se ha creado sin la adición de un medio inductor de porosidad y sin la adición de materiales de forma alargada que tienen una relación de dimensiones entre la longitud y la anchura de la sección transversal de al menos 5:1.

La invención también incluye procesos para fabricar los aglomerados y las herramientas de la invención.

La invención incluye un método de aglomeración de granos abrasivos, que comprende las etapas de:

a) suministrar el grano y un material aglutinante, seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales ligantes vitrificados, materiales vitrificados, materiales cerámicos, adhesivos inorgánicos, adhesivos orgánicos, agua, disolvente y combinaciones de los mismos, en un horno de calcinación rotatorio a una velocidad de alimentación controlada;

b) hacer girar el horno a una velocidad controlada;

c) calentar la mezcla a una velocidad de calentamiento determinada por la velocidad de alimentación y la velocidad del horno a temperaturas de aproximadamente 145 a 1.300ºC,

d) voltear el grano y el material aglutinante en el horno hasta que el material aglutinante se adhiera al grano y una pluralidad de granos se adhieran entre sí para crear una pluralidad de aglomerados sinterizados; y

e) recuperar los aglomerados sinterizados del horno,

con lo que los aglomerados sinterizados tienen una forma tridimensional inicial, una densidad de empaquetamiento suelto \leq 1,6 g/cc y comprenden una pluralidad de granos abrasivos.

La invención también incluye aglomerados sinterizados de granos abrasivos, fabricados por un método que comprende las etapas de:

a) suministrar al grano abrasivo con un material aglutinante al interior de un horno de calcinación rotatorio a una velocidad de alimentación controlada;

b) hacer girar el horno a una velocidad controlada;

e) recuperar los aglomerados sinterizados del horno,

con lo que los aglomerados sinterizados tienen una forma tridimensional inicial, una densidad de empaquetamiento suelto \leq 1,6 g/cc y contienen una pluralidad de granos abrasivos.

Usando este proceso, se obtiene una herramienta abrasiva que comprende 5 a 75% en volumen de aglomerados de granos abrasivos, por un método que comprende las etapas de:

a) suministrar el grano abrasivo y un material aglutinante seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales ligantes vitrificados, materiales vitrificados, materiales cerámicos, adhesivos inorgánicos, adhesivos orgánicos y combinaciones de los mismos, en un horno de calcinación rotatorio a una velocidad de alimentación controlada;

b) hacer girar el horno a una velocidad controlada;

d) voltear la mezcla en el horno hasta que el material aglutinante se adhiera al grano y una pluralidad de granos se adhieran entre sí para formar una pluralidad de aglomerados sinterizados;

e) recuperar los aglomerados sinterizados del horno, constando los aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos unidos entre sí por el material aglutinante y que tienen una forma tridimensional inicial y una densidad de empaquetamiento sueltos \leq 1,6 g/cc;

f) moldear los aglomerados sinterizados para dar un cuerpo compuesto conformado;

g) tratar térmicamente el cuerpo compuesto conformado para formar la herramienta abrasiva.

También se describen métodos de rectificado que usan las herramientas abrasivas de la invención, en particular, métodos de rectificado de superficies.

La figura 1 es un dibujo esquemático de un horno rotatorio para realizar el proceso de fabricación de los aglomerados de granos abrasivos de la invención.

La figura 2 es una fotomicrografía de una sección transversal de una muela abrasiva de la invención fabricada con grano aglomerado (áreas más claras de las fotos) y que tiene porosidad intra-aglomerado (áreas más oscuras más pequeñas de la foto) y porosidad interconectada inter-aglomerado (áreas más oscuras de la foto).

La figura 3 es una fotomicrografía de una sección transversal de una muela abrasiva comparativa de la técnica anterior, que muestra la ausencia de grano aglomerado y la ausencia de una gran porosidad interconectada en la estructura de la muela.

Los aglomerados de granos abrasivos de la invención son estructuras o gránulos tridimensionales, incluyendo compuestos porosos sinterizados de granos abrasivos y material aglutinante. Los aglomerados tienen una densidad de empaquetamiento suelto (LPD) \leq 1,6 g/cc, una dimensión media de aproximadamente 2 a 20 veces el tamaño medio del grano abrasivo, y una porosidad de aproximadamente 30 a 88% en volumen. Los aglomerados de granos abrasivos preferiblemente tienen un valor mínimo de resistencia al aplastamiento de 0,2 MPa.

El grano abrasivo puede incluir uno o más de los granos abrasivos conocidos para uso en herramientas abrasivas, tales como los granos de alúmina, incluyendo alúmina fundida, alúmina sinterizada y alúmina sinterizada sol gel, bauxita sinterizada y similares, carburo de silicio, alúmina-circonia, oxinitruro de aluminio, ceria, subóxido de boro, granate, sílex, diamante, incluyendo diamante natural y sintético, nitruro de boro cúbico (CBN) y combinaciones de los mismos. Puede usarse cualquier tamaño o forma de grano abrasivo. Por ejemplo, el grano puede incluir granos alargados de alúmina sol gel sinterizada que tienen una alta relación de dimensiones del tipo descrito en la Patente de Estados Unidos Nº 5.129.919.

Los tamaños de grano adecuados para uso en la presente invención varían de granos abrasivos regulares (por ejemplo, mayores de 60 y de hasta 7.000 micrómetros) a granos microabrasivos (por ejemplo, de 0,5 a 60 micrómetros), y mezclas de estos tamaños. Para una operación de rectificado abrasivo dada, puede ser deseable aglomerar un grano abrasivo con un tamaño de grano menor que un tamaño de grano abrasivo (no aglomerado) seleccionado normalmente para esta operación de rectificado abrasivo. Por ejemplo, un abrasivo de grano 54 puede sustituirse por un abrasivo aglomerado de grano 80, un abrasivo de grano 60 por un abrasivo aglomerado de grano 100 y un abrasivo de grano 80 por un abrasivo aglomerado de grano 120.

El tamaño del aglomerado sinterizado preferido para los granos abrasivos típicos varía de aproximadamente 200 a 3.000, más preferiblemente de 350 a 2.000, y aún más preferiblemente de 425 a 1.000 micrómetros en diámetro medio. Para los granos microabrasivos, el tamaño del aglomerado sinterizado preferido varía de 5 a 180, más preferiblemente de 20 a 150, y aún más preferiblemente de 70 a 120 micrómetros en diámetro medio.

El grano abrasivo está presente en una cantidad de aproximadamente 10 a 65% en volumen, más preferiblemente de 35 a 55% en volumen, y aún más preferiblemente de 48 a 52% en volumen del aglomerado.

Los materiales aglutinantes útiles para fabricar los aglomerados preferiblemente incluyen materiales cerámicos y vitrificados, preferiblemente del tipo usado como sistemas ligantes para herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado. Estos materiales ligantes vitrificados pueden ser un vidrio pre-cocido molido hasta obtener un polvo (una frita), o una mezcla de diversos materiales de partida tales como arcilla, feldespato, cal, bórax y bicarbonato sódico, o una combinación de materiales fritados y de partida. Tales materiales se funden y forman una fase vítrea líquida a temperaturas que varían de aproximadamente 500 a 1400ºC y humedecen la superficie del grano abrasivo para crear postes de unión tras la refrigeración, manteniendo de esta manera el grano abrasivo dentro de una estructura compuesta. En la Tabla 2 presentada más adelante se proporcionan ejemplos de materiales aglutinantes adecuados para uso en los aglomerados. Los materiales aglutinantes preferidos se caracterizan por una viscosidad de aproximadamente 345 a 55.300 poise a 1180ºC, y por una temperatura de fusión de aproximadamente 800 a
1.300ºC.

En una realización preferida, el material aglutinante es una composición de ligante vitrificado que comprende una composición de óxido cocido de 71% en peso de SiO_{2} y B_{2}O_{3}, 14% en peso de Al_{2}O_{3}, menos de 0,5% en peso de óxidos alcalinotérreos y 13% en peso de óxidos alcalinos.

El material aglutinante también puede ser un material cerámico, incluyendo, pero sin limitación, sílice, silicatos de metales alcalinos, alcalinotérreos y silicatos mixtos de metales alcalinos y alcalinotérreos, silicatos de aluminio, silicatos de circonio, silicatos hidratados, aluminatos, óxidos, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos y combinaciones y derivados de los mismos. En general, los materiales cerámicos difieren de los materiales vítreos o vitrificados en que los materiales cerámicos comprenden estructuras cristalinas. En combinación con las estructuras cristalinas pueden estar presentes algunas fases vítreas, particularmente en materiales cerámicos en un estado no refinado. En la presente invención pueden usarse materiales cerámicos en un estado de partida, tales como arcillas, cementos y minerales. Los ejemplos de materiales cerámicos específicos adecuados para uso en la presente invención incluyen, pero sin limitación, sílice, silicatos sódicos, mullita y otros silicatos de aluminio, circonia-mullita, aluminato de magnesio, silicato de magnesio, silicatos de circonio, feldespato y otros aluminosilicatos de álcali, espinelas, aluminato cálcico, aluminato de magnesio y otros aluminatos de álcali, circonia, circonia estabilizada con itria, magnesia, calcia, óxido de cerio, titania u otros aditivos de tierras raras, talco, óxido de hierro, óxido de aluminio, bohemita, óxido de boro, óxido de cerio, alúmina-oxinitruro, nitruro de boro, nitruro de silicio, grafito y combinaciones de estos materiales cerámicos.

El material aglutinante se usa en forma de polvo y puede añadirse a un vehículo líquido para asegurar una mezcla uniforme y homogénea del material aglutinante con los granos abrasivos durante la fabricación de los aglomerados.

A los componentes del material aglutinante en polvo preferiblemente se les añade una dispersión de adhesivos orgánicos como adyuvantes de moldeo o del procesamiento. Estos adhesivos pueden incluir dextrinas, almidón, pegamento de proteína animal y otros tipos de pegamentos; un componente líquido, tal como agua, disolvente, modificadores de la viscosidad o del pH; y adyuvantes de mezcla. El uso de adhesivos orgánicos mejora la uniformidad del aglomerado, particularmente la uniformidad de la dispersión del material aglutinante sobre el grano, y la calidad estructural de los aglomerados pre-cocidos o verdes, así como la de la herramienta abrasiva cocida que contiene los aglomerados. Como los adhesivos se queman durante la operación de cocción de los aglomerados, no forman parte del aglomerado acabado ni de la herramienta abrasiva acabada.

A la mezcla se le puede añadir un promotor de la adhesión inorgánico para mejorar la adhesión de los materiales aglutinantes al grano abrasivo cuando sea necesario para mejorar la calidad de la mezcla. El promotor de la adhesión inorgánico puede usarse con o sin un adhesivo orgánico en la preparación de los aglomerados.

Aunque en los aglomerados de la invención se prefieren materiales aglutinantes de fusión a alta temperatura, el material aglutinante también puede comprender otros adhesivos inorgánicos, adhesivos orgánicos, materiales ligantes orgánicos, materiales ligantes metálicos y combinaciones de los mismos. Se prefieren los materiales aglutinantes usados en la industria de las herramientas abrasivas como ligantes para abrasivos ligados con ligantes orgánicos, abrasivos recubiertos, abrasivos ligados con ligantes metálicos y similares.

El material aglutinante está presente en una cantidad de aproximadamente 0,5 a 15% en volumen, más preferiblemente de 1 a 10% en volumen, y aún más preferiblemente de 2 a 8% en volumen del aglomerado.

El % en volumen de porosidad preferido dentro del aglomerado es tan alto como sea posible técnicamente dentro de las limitaciones de resistencia mecánica del aglomerado necesarias para fabricar una herramienta abrasiva y para rectificar con ella. La porosidad puede variar de 30 a 80% en volumen, preferiblemente de 40 a 80% en volumen, y más preferiblemente de 50 a 75% en volumen. Una porción (por ejemplo, hasta aproximadamente 75% en volumen) de la porosidad dentro de los aglomerados está preferiblemente presente como porosidad interconectada, o porosidad permeable al flujo de fluidos, incluyendo líquidos (por ejemplo refrigerante de rectificado y barro de amolado) y aire.

La densidad de los aglomerados puede expresarse de varias formas. La densidad aparente de los aglomerados puede expresarse como la LPD. La densidad relativa de los aglomerados puede expresarse como un porcentaje de la densidad relativa inicial, o como una relación entre la densidad relativa de los aglomerados y los componentes usados para fabricar los aglomerados, teniendo en cuenta el volumen de porosidad interconectada en los aglomerados.

La densidad relativa inicial media, expresada como un porcentaje, puede calcularse dividiendo la LPD (\rho) por una densidad teórica de los aglomerados (\rho_{0}), asumiendo una porosidad cero. La densidad teórica puede calcularse de acuerdo con la regla volumétrica del método de mezcla a partir del porcentaje en peso y la gravedad específica del material aglutinante y del grano abrasivo contenido en los aglomerados. Para los aglomerados sinterizados de la invención, un porcentaje máximo de densidad relativa es 50% en volumen, siendo más preferido un porcentaje máximo de densidad relativa de 30% en volumen.

La densidad relativa puede medirse por una técnica de volumen de desplazamiento de fluido tal que incluya la porosidad interconectada y excluya la porosidad de celdas cerradas. La densidad relativa es la relación entre el volumen del aglomerado sinterizado medido por desplazamiento de fluido y el volumen de los materiales usados para fabricar el aglomerado sinterizado. El volumen de los materiales usados para fabricar el aglomerado es una medida del volumen aparente basada en las cantidades y densidades de empaquetamiento del grano abrasivo y el material aglutinante usado para fabricar los aglomerados. Para los aglomerados sinterizados de la invención, una densidad relativa máxima de los aglomerados sinterizados preferiblemente es 0,7, siendo más preferida una densidad relativa máxima de 0,5.

Los aglomerados pueden formarse por una diversidad de técnicas con numerosos tamaños y formas. Estas técnicas pueden realizarse antes, durante o después de cocer la mezcla de fase inicial ("verde") de grano y material aglutinante. La etapa de calentar la mezcla para hacer que el material aglutinante se funda y fluya, adhiriéndose de esta manera el material aglutinante al grano y fijando el grano en una forma aglomerada, se denomina cocción, calcinado o sinterizado. Para preparar los aglomerados abrasivos puede usarse cualquier método conocido en la técnica para aglomerar mezclas de partículas.

En una primera realización del proceso usado en la presente invención para fabricar aglomerados, la mezcla inicial de grano y material aglutinante se aglomera antes de cocer la mezcla para crear una estructura mecánica relativamente débil denominada "aglomerado verde" o "aglomerado pre-cocido".

Para realizar la primera realización, el grano abrasivo y los materiales aglutinantes pueden aglomerarse en el estado verde por varias técnicas diferentes, por ejemplo, en una granuladora de recipiente, y después suministrarse a un aparato de calcinación rotatorio para la sinterización. Los aglomerados verdes pueden ponerse en una bandeja o soporte y cocerse en un horno, sin volteo, en un proceso continuo o discontinuo.

El grano abrasivo puede transportarse a un lecho fluidizado, después humedecerse con un líquido que contiene el material aglutinante para adherir el material aglutinante al grano, tamizarse para conseguir el tamaño del aglomerado y después cocerse en un horno o en un aparato de calcinación.

La granulación en recipiente puede realizarse añadiendo el grano a un recipiente mezclador, y administrando un componente líquido que contiene el material aglutinante (por ejemplo, agua o un adhesivo orgánico y agua) al grano, con mezcla, para aglomerarlos conjuntamente. Sobre el grano puede pulverizarse una dispersión líquida del material aglutinante, opcionalmente con un adhesivo orgánico, y después el grano recubierto puede mezclarse para formar aglomerados.

Puede usarse un aparato de extrusión de baja presión para extruir una pasta de grano y material aglutinante en tamaños y formas que se secan para formar aglomerados. Puede fabricarse una pasta de los materiales aglutinantes y el grano con una solución de adhesivo orgánico y extruirse en partículas alargadas con el aparato y método descritos en el documento de Estados Unidos -A-4.393.021.

En un proceso de granulación en seco, una lámina o bloque hecho de grano abrasivo incluido en una dispersión o pasta del material aglutinante puede secarse y después puede usarse un compactador laminador para romper el material compuesto de grano y material aglutinante.

En otro método para fabricar aglomerados verdes o precursores, la mezcla del material aglutinante y el grano puede añadirse a un dispositivo de moldeo y la mezcla puede moldearse para formar formas y tamaños precisos, por ejemplo, de la manera descrita en la Patente de Estados Unidos Nº 6.217.413 B1.

En una segunda realización del proceso útil en la presente invención para fabricar aglomerados, se suministra una mezcla sencilla del grano y el material aglutinante (opcionalmente con un adhesivo orgánico) en un aparato de calcinación rotatorio del tipo mostrado en la Figura 1. La mezcla se voltea a una velocidad en rpm predeterminada, junto con una inclinación predeterminada con la aplicación de calor. Se forman aglomerados cuando la mezcla de material aglutinante se calienta, se funde, fluye y se adhiere al grano. Las etapas de cocción y aglomeración se realizan simultáneamente a velocidades, volúmenes de alimentación y aplicación de calor controlados. La velocidad de alimentación generalmente se establece de manera que se produzca un flujo que ocupe aproximadamente 8-12% en volumen del tubo (es decir, la porción de horno) del aparato de calcinación rotatorio. La exposición a la temperatura máxima dentro del aparato se selecciona para mantener la viscosidad de los materiales aglutinantes en un estado líquido a una viscosidad de al menos aproximadamente 1.000 poise. Esto evita el flujo excesivo del material aglutinante sobre la superficie del tubo y la pérdida de material aglutinante de la superficie del grano
abrasivo.

Para realizar el proceso de aglomeración para la aglomeración y cocción de los aglomerados en un proceso de una sola etapa puede usarse un aparato de calcinación rotatorio del tipo ilustrado en la Figura 1. Como se muestra en la Fig. 1, una tolva de alimentación (10) que contiene la mezcla de partida (11) de materiales aglutinantes y grano abrasivo se suministra al interior de un medio (12) para dosificar la mezcla a un tubo (13) hueco de calentamiento. El tubo (13) se coloca con un ángulo (14) de inclinación de aproximadamente 0,5-5,0 grados de tal forma que el material de partida (11) pueda suministrarse por gravedad a través del tubo (13) hueco. Simultáneamente, el tubo (13) hueco se hace girar en la dirección de la flecha (a) a una velocidad controlada para voltear el material de partida (11) y la mezcla (18) caliente según pasan a lo largo del tubo hueco.

Se calienta una porción del tubo (13) hueco. En una realización, la porción de calentamiento puede comprender tres zonas de calentamiento (15, 16, 17) que tienen una dimensión de longitud (d1) de 60 pulgadas (152 cm) a lo largo de la longitud (d2) de 120 pulgadas (305 cm) del tubo hueco (13). Las zonas de calentamiento permiten que el operario controle la temperatura de procesamiento y que la varíe cuando sea necesario para sinterizar los aglomerados. En otros modelos del aparato, el tubo hueco sólo puede comprender una o dos zonas de calentamiento, o puede comprender más de tres zonas de calentamiento. Aunque no se ilustra en la Fig. 1, el aparato está equipado con un dispositivo de calentamiento y dispositivos de detección y control mecánicos, electrónicos y de temperatura operativos para realizar el proceso térmico. Como puede verse en la vista en sección transversal del tubo (13) hueco, el material de partida (11) se transforma en una mezcla caliente (18) dentro del tubo y sale del tubo y se recoge como gránulos aglomerados (19). La pared del tubo hueco tiene una dimensión de diámetro interno (d3) que puede variar de 5,5 a 30 pulgadas (14-76 cm) y un diámetro (d4) que puede variar de 6 a 36 pulgadas (15-91 cm) dependiendo del modelo y del tipo de material usado para construir el tubo hueco (por ejemplo, aleación de metal refractaria, ladrillo refractario, carburo de silicio, mullita).

El ángulo de inclinación del tubo puede variar de 0,5 a 5,0 grados y la rotación del tubo puede ser a una velocidad de 0,5 a 10 rpm. La velocidad de alimentación para un horno de calcinación rotatorio a pequeña escala puede variar de aproximadamente 5 a 10 kg/hora, y una velocidad de alimentación a escala de producción industrial puede variar de 227 a 910 kg/hora. El horno de calcinación rotatorio puede calentarse a una temperatura de sinterización de 800 a 1400ºC, y el material de alimentación puede calentarse a una velocidad de hasta 200ºC/min según el material de partida entra en la zona caliente. La refrigeración se produce en la última porción del tubo según la solución de alimentación se desplaza desde una zona caliente a una zona no caliente. El producto se enfría, por ejemplo, con un sistema de refrigeración de agua, hasta la temperatura ambiente, y se recoge.

Pueden obtenerse máquinas de calcinación rotatorias adecuadas en Harper International, Buffalo, Nueva York o en Alstom Power, Inc., Applied Test Systems, Inc., y otros fabricantes de equipos. El aparato opcionalmente puede disponer de dispositivos de detección y control en proceso electrónicos, un sistema de refrigeración, diversos diseños de aparatos de alimentación y otros dispositivos opcionales.

Cuando el grano abrasivo se aglomera con materiales aglutinantes de curado a menor temperatura (de aproximadamente 145 a aproximadamente 500ºC), puede usarse una realización alternativa de este aparato de horno rotatorio. La realización alternativa, un secador rotatorio, está equipada para suministrar aire caliente al extremo de descarga del tubo para calentar la mezcla de granos abrasivos, curar el material aglutinante, adherirlo al grano y de esta manera aglomerar el grano abrasivo según se recoge desde el aparato. Como se usa en la presente invención, la expresión "horno de calcinación rotatorio" incluye tales dispositivos secadores rotatorios.

En una tercera realización del proceso útil en la presente invención para fabricar aglomerados, se suministra una mezcla del grano abrasivo, los materiales aglutinantes y un sistema de adhesivo orgánico al interior de un horno, sin preaglomeración y se calienta. La mezcla se calienta a una temperatura suficientemente alta como para hacer que el material aglutinante se funda, fluya y se adhiera al grano, y después se enfría para obtener un material compuesto. El compuesto se prensa y se tamiza para obtener los aglomerados sinterizados.

En la cuarta realización, los aglomerados no se sinterizan antes de fabricar la herramienta abrasiva, en su lugar, los aglomerados "verdes" se moldean con material ligante para formar un cuerpo de herramienta y el cuerpo se cuece para formar la herramienta abrasiva. En un método preferido para realizar este proceso, se usa un material aglutinante vitrificado de alta viscosidad (cuando se funde para formar un líquido) para aglomerar el grano en el estado verde. Los aglomerados verdes se secan en horno y se mezclan con una segunda composición ligada con ligante vitrificado, preferiblemente de menor viscosidad, y se moldean para adquirir la forma de una herramienta abrasiva verde. Esta herramienta verde se cuece a una temperatura que es eficaz para la fusión, pero evitando el flujo, del material aglutinante vitrificado de alta viscosidad. La temperatura de cocción se selecciona de manera que sea suficientemente alta como para fundir la composición de material aglutinante en un vidrio; con lo que se aglomera el grano, y se hace que la composición unida fluya, ligue a los aglomerados y forme la herramienta. No es esencial seleccionar diferentes materiales de viscosidad y materiales con diferentes temperaturas de fusión para realizar este proceso. En esta técnica para fabricar herramientas abrasivas a partir de aglomerados en estado verde pueden usarse otras combinaciones de materiales aglutinantes y materiales ligantes conocidas en la técnica.

Las herramientas abrasivas ligadas de la invención incluyen muelas rectificadoras abrasivas, muelas segmentadas, discos, piedras de amolar, piedras y otros compuestos abrasivos monolíticos o segmentados conformados. Las herramientas abrasivas de la invención comprenden de aproximadamente 5 a 75% en volumen, preferiblemente de 10 a 60% en volumen, y más preferiblemente de 20 a 52% en volumen de aglomerados de granos abrasivos.

En una realización preferida, las herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado comprenden de aproximadamente 3 a 25% en volumen, más preferiblemente de 4 a 20% en volumen, y aún más preferiblemente de 5 a 19% en volumen de agente ligante. Junto con los aglomerados de grano abrasivo y el ligante, estas herramientas comprenden de aproximadamente 35 a 80% en volumen de porosidad, incluyendo esta porosidad al menos 30% en volumen de porosidad interconectada, preferiblemente de 55 a 80% en volumen de porosidad, incluyendo esta porosidad al menos 50% en volumen de porosidad interconectada. Las herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado pueden comprender de 35 a 52% en volumen de aglomerados sinterizados, de 3 a 13% en volumen de ligante vitrificado y de 35 a 70% en volumen de porosidad.

La cantidad de porosidad interconectada se determina midiendo la permeabilidad a fluidos de la herramienta de acuerdo con el método de la Patente de Estados Unidos Nº-A-5.738.696. Como se usa en la presente invención, Q/P = permeabilidad a fluidos de una herramienta abrasiva, donde Q significa el caudal expresado como cc de flujo de aire y P significa la presión diferencial. La expresión Q/P representa la presión diferencial medida entre la estructura de la herramienta abrasiva y la atmósfera a un caudal dado de un fluido (por ejemplo, aire). Esta permeabilidad relativa Q/P es proporcional al producto del volumen de los poros y el cuadrado del tamaño de los poros. Se prefieren poros de mayor tamaño. La geometría de los poros y el tamaño de los granos abrasivos son otros factores que afectan a Q/P, produciendo un mayor tamaño de grano una mayor permeabilidad relativa.

Las herramientas abrasivas de la invención se caracterizan por mayores valores de permeabilidad a fluidos que las herramientas comparables de la técnica anterior. Como se usa en este documento, "herramientas comparables de la técnica anterior" son las herramientas fabricadas con el mismo grano abrasivo y materiales ligantes a los mismos porcentajes de porosidad y volumen de ligante que las de la invención. En general, las herramientas abrasivas de la invención tienen valores de permeabilidad a fluidos superiores en aproximadamente 30 a 100% a los valores de herramientas abrasivas comparables de la técnica anterior. Las herramientas abrasivas preferiblemente se caracterizan por valores de permeabilidad de fluidos al menos 10% mayores, más preferiblemente al menos 30% mayores que los de herramientas comparables de la técnica anterior.

Los parámetros de permeabilidad a fluidos relativos exactos para tamaños y formas particulares de aglomerados, tipos particulares de ligantes y niveles particulares de porosidad pueden determinarse por el especialista en la técnica por medio de la aplicación de la ley de D'Arcy a los datos empíricos para un tipo dado de herramienta abrasiva.

La porosidad dentro de la muela abrasiva se debe al espacio abierto proporcionado por la densidad de empaquetamiento natural de los componentes de la herramienta, particularmente los aglomerados abrasivos y, opcionalmente, por la adición de medios inductores de poros convencionales. Los medios inductores de poros adecuados incluyen, pero sin limitación, esferas de vidrio huecas, cáscaras de nuez trituradas, esferas o perlas huecas de material plástico o compuestos orgánicos, partículas de vidrio celular, mullita con burbujas y alúmina con burbujas, y combinaciones de los mismos. Las herramientas pueden fabricarse con inductores de la porosidad de celdas abiertas, tales como perlas de naftaleno, u otros gránulos orgánicos, que se queman durante la cocción de la herramienta para dejar espacios huecos dentro de la matriz de la herramienta, o pueden fabricarse con medios inductores de poros huecos de celdas cerradas (por ejemplo, esferas huecas de vidrio). Las herramientas abrasivas preferidas de la invención no contienen un medio inductor de poros añadido o contienen una cantidad minoritaria de medio inductor de poros añadido eficaz para producir una herramienta abrasiva con un contenido de porosidad del que al menos 30% en volumen es porosidad interconectada.

Las herramientas abrasivas ligadas de la invención tienen una estructura porosa. En esta estructura, el diámetro medio de los aglomerados sinterizados no es mayor que la dimensión media de la porosidad interconectada cuando la porosidad interconectada se mide en un punto de apertura máxima.

Las herramientas acabadas opcionalmente contienen granos abrasivos secundarios añadidos, cargas, adyuvantes de rectificado y medios inductores de poros, y combinaciones de estos materiales. El % total en volumen de granos abrasivos en las herramientas (granos aglomerados y no aglomerados) puede variar de aproximadamente 34 a aproximadamente 56% en volumen, más preferiblemente de aproximadamente 36 a aproximadamente 54% en volumen, y aún más preferiblemente de aproximadamente 36 a aproximadamente 46% en volumen de la herramienta. Las herramientas abrasivas ligadas preferiblemente tienen una densidad menor de 2,2 g/cc.

Cuando se usa un grano abrasivo en combinación con los aglomerados abrasivos, los aglomerados preferiblemente proporcionan de aproximadamente 5 a aproximadamente 100% en volumen del grano abrasivo total de la herramienta y más preferiblemente de aproximadamente 30 a aproximadamente 70% en volumen del abrasivo total en la herramienta. Cuando se usan tales granos abrasivos secundarios, estos granos abrasivos preferiblemente proporcionan de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 95% en volumen del grano abrasivo total de la herramienta, y más preferiblemente de aproximadamente 30 a aproximadamente 70% en volumen. Los granos abrasivos secundarios adecuados incluyen, pero sin limitación, diversos óxidos de aluminio, alúmina sol gel, bauxita sinterizada, carburo de silicio, alúmina-circonia, oxinitruro de aluminio, cena, subóxido de boro, nitruro de boro cúbico, diamante, granos de sílex y granate, y combinaciones de los mismos.

Las herramientas abrasivas de la presente invención preferiblemente se ligan con un ligante vítreo. Para uso en la presente invención puede seleccionarse cualquiera de los diversos ligantes conocidos en la técnica de la fabricación de herramientas abrasivas. Pueden encontrarse ejemplos de ligantes adecuados en las Patentes de Estados unidos Nº 4.543.107; 4.898.597; 5.203.886; 5.401.284; 5.536.283; 5.095.665; 5.863.308; y 5.094.672, que se incorporan en este documento como referencia.

Después de la cocción, estas composiciones ligadas con ligante vítreo preferiblemente incluyen, pero sin limitación, una combinación de los siguientes óxidos: SiO_{2}, Al_{2}O_{3}, Na_{2}O, Li_{2}O y B_{2}O_{3}. Pueden estar presentes otros óxidos tales como K_{2}O, ZnO, ZrO_{2} y óxidos alcalinotérreos tales como CaO, MgO y BaO. Cuando es deseable un color en el ligante puede incluirse óxido de cobalto (CaO) y otras fuentes de color. En el ligante pueden incluirse otros óxidos tales como Fe_{2}O, TiO_{2} y P_{2}O_{5}, y otros compuestos que existen como impurezas en los materiales de partida. Además de los materiales ligantes de partida (o no cocidos) o en lugar de los materiales ligantes de partida pueden usarse fritas. Los materiales de partida para el ligante pueden incluir arcilla, caolín, alúmina, carbonato de litio, bórax pentahidrato o ácido bórico, carbonato de sodio anhidro, sílex y wolastonita, y otros materiales ligantes que son conocidos en la técnica. El ligante vitrificado puede ser un material vítreo o un material cerámico, con o sin regiones amorfas.

A los componentes ligantes en polvo, fritados o de partida, preferiblemente se les añaden adhesivos orgánicos como adyuvantes de moldeo o del procesamiento. Estos adhesivos pueden incluir dextrinas, almidón, pegamento de proteína animal y otros tipos de pegamento, un componente líquido, tal como agua, modificadores de la viscosidad o del pH y adyuvantes de mezcla. El uso de adhesivos mejora la uniformidad de la muela y la calidad estructural de la muela prensada verde o pre-cocida y de la muela cocida. Como los adhesivos se queman durante la cocción, no forman parte del ligante o la herramienta abrasiva acabada.

A la mezcla se le puede añadir un promotor de la adhesión inorgánico para mejorar la adhesión de los ligantes de vidrio a los aglomerados de granos abrasivos cuando sea necesario durante los procesos de mezcla y moldeo. El promotor de la adhesión inorgánico puede usarse con o sin un adhesivo orgánico en la preparación de los aglomerados.

Para algunos de los aglomerados, la herramienta abrasiva puede realizarse sin añadir material ligante, siempre que esté presente suficiente material aglutinante en la herramienta como para producir propiedades de resistencia mecánica apropiadas en la herramienta abrasiva durante la fabricación de la herramienta y el uso de la herramienta en operaciones de rectificado. Por ejemplo, una herramienta abrasiva puede construirse a partir de al menos 70% en volumen de aglomerados, teniendo un contenido de material aglutinante de al menos 5% en volumen del aglomerado.

La densidad y la dureza de las herramientas abrasivas se determinan por la selección de los aglomerados, el tipo de ligante y otros componentes de la herramienta, y el contenido de porosidad, junto con el tamaño y el tipo de molde y el proceso de prensado seleccionado.

Las muelas abrasivas pueden moldearse y prensarse por cualquier medio conocido en la técnica incluyendo técnicas de prensado en caliente, templado y frío. Debe tenerse cuidado en la selección de una presión de moldeo para formar las muelas verdes para evitar el aplastamiento de una cantidad excesiva de los aglomerados de granos abrasivos (por ejemplo, mayor de 50% en peso de los aglomerados) y para conservar la estructura tridimensional de los aglomerados. La presión máxima aplicada apropiada para la fabricación de las muelas de la invención depende de la forma, tamaño, espesor y componente ligante de la muela abrasiva, y de la temperatura de moldeo. En los procesos de fabricación comunes, la presión máxima puede variar de aproximadamente 3.100 a 20.000 libras/pulgada^{2} (218 a 1.406 kg/cm^{2}). El moldeo y el prensado preferiblemente se realizan a aproximadamente 775-1.550 kg/cm^{2}, más preferiblemente a 465-1.085 kg/cm^{2}. Los aglomerados de la invención tienen suficiente resistencia mecánica para soportar las etapas de moldeo y prensado realizadas en procesos de fabricación comerciales típicos para fabricar herramientas abrasivas.

Las muelas abrasivas pueden cocerse por métodos conocidos por los especialistas en la técnica. Las condiciones de cocción se determinan principalmente por el ligante y los abrasivos reales usados, y por el tipo de material aglutinante contenido en el aglomerado de granos abrasivos. Dependiendo de la composición química del ligante seleccionado, un ligante vitrificado puede cocerse a 600-1250ºC, preferiblemente a 850-1200ºC, para proporcionar las propiedades mecánicas necesarias para rectificar metales, materiales cerámicos u otros materiales. El cuerpo ligado con ligante vitrificado adicionalmente también puede impregnarse después de la cocción de una manera convencional con un adyuvante de rectificado, tal como azufre, o con un vehículo, tal como resina epoxídica, para llevar un adyuvante de rectificado en los poros de la muela.

La selección de un ligante vitrificado adecuado dependerá del proceso de aglomeración que se use y de si debe mantenerse un diferencial de temperatura de fusión o de viscosidad entre el ligante y el material aglutinante del aglomerado.

Para fabricar una muela de rectificado ligada con ligante. vitrificado u otra herramienta abrasiva a partir de los aglomerados abrasivos, pueden seleccionarse una de varias técnicas generales. En la primera, se aplica un material aglutinante vitrificado con una temperatura de cocción relativamente superior (por ejemplo, que se funde por encima de aproximadamente 1.000ºC) para aglomerar el grano. Después, se mezcla una composición de ligante vitrificado, en polvo, de menor temperatura de cocción (por ejemplo, que se funde a aproximadamente 650-975ºC) con los aglomerados de grano y se moldea en forma de una herramienta abrasiva. La herramienta en fase verde se cuece a la temperatura de cocción inferior del segundo material ligante para crear una herramienta abrasiva terminada. En una realización preferida, el ligante vitrificado tiene una temperatura de cocción de ligante al menos 150ºC menor que la temperatura de fusión del material aglutinante.

En la segunda técnica, se explotan los diferenciales de viscosidad entre los vidrios fundidos en su estado líquido para usar la misma temperatura de cocción para fabricar el aglomerado y cocer la muela abrasiva. Se usa un material aglutinante vitrificado de alta viscosidad para aglomerar el grano en una primera etapa de cocción. Después, los aglomerados cocidos se mezclan con una segunda composición de ligante vitrificado de menor viscosidad y se la mezcla se moldea en forma de una herramienta abrasiva verde. La herramienta moldeada puede cocerse aproximadamente a la misma temperatura que la usada en la primera etapa de cocción utilizada para fabricar los aglomerados, porque, cuando está en estado líquido caliente, el material aglutinante no se fundirá excesivamente ni se separará del grano. De esta manera, puede mantenerse la configuración tridimensional original del aglomerado.

En una realización preferida de esta técnica, la viscosidad del ligante vitrificado a la temperatura de fusión del material aglutinante es al menos 33% menor que la viscosidad del material aglutinante a su temperatura de fusión. De esta manera, cuando la viscosidad del material aglutinante es de aproximadamente 345 a 55.300 poise a 1180ºC, el material ligante vitrificado preferido se caracteriza por una viscosidad de aproximadamente 30 a 37.000 poise a 1180ºC.

En la tercera técnica, se usa un material aglutinante con una temperatura de cocción intermedia (por ejemplo, aproximadamente 850-975ºC) para aglomerar el grano, pero la aglomeración se realiza a una temperatura superior a la temperatura de fusión del material aglutinante (por ejemplo, 1000-1200ºC). Los aglomerados se mezclan con el mismo material aglutinante que se utiliza como composición de ligante vitrificado y la mezcla se moldea en forma de una herramienta abrasiva verde. La herramienta verde se cuece a una temperatura menor (por ejemplo, aproximadamente 850-975ºC) que la temperatura usada para fundir el material aglutinante para aglomerar el grano. La temperatura inferior es eficaz para ligar los aglomerados entre sí. Este proceso mantiene la estructura tridimensional de los aglomerados porque la primera capa de material aglutinante no fluye a la temperatura de cocción de la herramienta abrasiva.

En una cuarta técnica, se usa la misma composición para el material aglutinante y el ligante para la muela y la aglomeración y la muela se realizan a la misma temperatura. Se teoriza que, como el material aglutinante se ha fundido para formar un vidrio adherido al grano abrasivo durante la aglomeración, las propiedades de los materiales aglutinantes se han alterado. De esta manera, el material aglutinante fundido dentro de los aglomerados sinterizados fluye a una temperatura mayor que el material ligante no fundido, y los aglomerados retienen su forma cuando se está cociendo la muela. En una realización preferida, la composición usada para el material aglutinante y el ligante contiene algunos materiales de partida y no consta de una composición de vidrio fritado.

En una quinta técnica para fabricar herramientas abrasivas vitrificadas, la herramienta se fabrica sin añadir material ligante. Los aglomerados se empaquetan en un molde de herramienta, se prensan y se cuecen a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 500 a 1400ºC para formar la herramienta. Los materiales aglutinantes usados para fabricar los aglomerados comprenden una composición ligante vitrificada y el material aglutinante está presente en una cantidad suficiente en el aglomerado (por ejemplo, de aproximadamente 5 a 15% en volumen del aglomerado) como para ligar los aglomerados entre sí en la herramienta abrasiva vitrificada acabada.

Los aglomerados pueden ligarse con todos los tipos conocidos de ligantes, tales como ligantes orgánicos o de resina y ligantes metálicos, conocidos en la técnica de la fabricación de herramientas abrasivas ligadas. El intervalo en porcentaje de volumen para los aglomerados adecuados para uso en herramientas abrasivas vitrificadas también es satisfactorio para herramientas ligadas con ligantes orgánicos y metálicos. Las herramientas ligadas con ligantes orgánicos y metálicos normalmente comprenden mayores porcentajes en volumen de ligante y menores porcentajes en volumen de porosidad que las herramientas ligadas con ligante vitrificado, y el contenido de granos abrasivos puede ser superior. Las herramientas ligadas con ligantes orgánicos y metálicos pueden mezclarse, moldearse y curarse o sinterizarse de acuerdo con diversos métodos de procesamiento, y con diversas proporciones de grano o aglomerado abrasivo, ligante y componentes de porosidad como los conocidos en la técnica. Los aglomerados de la invención pueden usarse en herramientas ligadas con ligante metálico de una sola capa, así como en estructuras tridimensionales de múltiples capas, herramientas monolíticas y herramientas abrasivas de matriz segmentada como las conocidas en la técnica.

Las herramientas abrasivas de la invención incluyen muelas abrasivas, discos, piedras de amolar, piedras y barras y son particularmente eficaces en aplicaciones de rectificado que tienen grandes superficies específicas de contacto entre la herramienta abrasiva y la pieza de trabajo. Tales aplicaciones u operaciones de rectificado incluyen, pero sin limitación, rectificado de superficies de alimentación progresiva y otros rectificados de superficies de precisión, operaciones de rectificado de taller de herramientas poroso, operaciones de rectificado de diámetro interno y rectificado fino de superficies de cerámicas y otras piezas de trabajo frágiles.

Las operaciones de rectificado fino o pulido que usan granos abrasivos de tamaño micrométrico o submicrométrico se beneficiarán del uso de herramientas fabricadas con los aglomerados de la invención. Con respecto a las herramientas y sistemas de superacabado o pulido convencionales, las herramientas de la invención fabricadas con tales aglomerados abrasivos de grano fino ocasionarán una erosión a menores fuerzas de rectificado con pocas lesiones o sin lesiones en la superficie de la pieza de trabajo durante las operaciones de acabado de precisión (por ejemplo, para producir acabados de espejo sobre componentes de vidrio y cerámicos). La vida de la herramienta sigue siendo satisfactoria debido a las estructuras aglomeradas, particularmente en herramientas de una sola capa, pero también en herramientas de suspensión espesa y de matriz tridimensional.

En el rectificado de perfil conformado de precisión, la friabilidad de los aglomerados contribuye a que haya menos ciclos de restauración de la superficie de corte. Debido a la porosidad interconectada de las herramientas, se mejoran el suministro de refrigerante y la eliminación de residuos dando como resultado operaciones de rectificado más frías, menos lesiones térmicas en la pieza de trabajo y menos desgaste de la máquina de rectificado. Como los granos abrasivos de menor tamaño de grano en la forma aglomerada proporcionan la eficacia de rectificado de un grano de mayor tamaño, pero dejan un acabado de superficie más liso, la calidad de la pieza de trabajo rectificada a menudo mejora significativamente.

Los siguientes Ejemplos se proporcionan a modo de ilustración de la invención, y no de forma limitante.

Ejemplo 1

Se preparó una serie de muestras de. grano abrasivo aglomerado en un aparato de calcinación rotatorio (horno eléctrico modelo Nº HOU-5D34-RT-28, temperatura máxima 1.200ºC, corriente de entrada 30 kW, equipado con un tubo de metal refractario de 72'' (183 cm) de longitud, 5,5'' (14 cm) de diámetro interno, fabricado por Harper Intemational, Buffalo, Nueva York). El tubo de metal refractario se reemplazó por un tubo de carburo de silicio de las mismas dimensiones, y el aparato se modificó para funcionar a una temperatura máxima de 1.550ºC. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a un punto fijado de control de temperatura de la. zona caliente de 1.180ºC, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 9 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 a 3 grados, y una velocidad de alimentación de material de 6-10 kg/hora. El aparato usado fue sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1. El rendimiento de gránulos fluidos utilizables (definidos como malla -12 en el recipiente) fue de 60 a 90% del peso total del material de partida antes de la calcinación.

Las muestras de aglomerado se prepararon a partir de una mezcla sencilla de grano abrasivo, material aglutinante y mezclas de agua como se describe en la Tabla 1-1. Las composiciones de material aglutinante con ligante vitrificado usadas para preparar las muestras se presentan en la Tabla 2. Se prepararon muestras a partir de tres tipos de granos abrasivos: alúmina fundida 38A, alúmina fundida 32A y granos de alfa-alúmina sol gel sinterizada de Norton SG, obtenidos en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA, con los tamaños de grano indicados en la Tabla 1.

Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, las muestras de grano abrasivo aglomerado se tamizaron y se ensayó la densidad de empaquetamiento suelto (LPD), la distribución de tamaños y la resistencia del aglomerado. Estos resultados se muestran en la Tabla 1.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 1-1 Características de Gránulos Aglomerados

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El porcentaje en volumen de material aglutinante de los aglomerados cocidos se calculó usando la LOI (pérdida por ignición) media de las materias primas del material aglutinante.

Los aglomerados sinterizados se dimensionaron con tamices de ensayo U.S. convencionales montados sobre un aparato de tamizado vibratorio (Ro-Tap; modelo RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH). Los tamaños de las mallas de tamizado variaron de 18 a 140, según era apropiado para las diferentes muestras. La densidad de empaquetamiento suelto (LPD) de los aglomerados sinterizados se midió según el procedimiento de la Norma Nacional Americana para la Densidad Aparente de Granos Abrasivos.

La densidad relativa media inicial, expresada como porcentaje, se calculó dividiendo la LPD (\rho) por una densidad teórica de los aglomerados (\rho_{0}), suponiendo una porosidad cero. La densidad teórica se calculó de acuerdo con el método de la regla volumétrica de las mezclas a partir del porcentaje en peso y la gravedad específica del material aglutinante y del grano abrasivo contenido en los aglomerados.

La resistencia de los aglomerados se midió mediante un ensayo de compactación. Los ensayos de compactación se realizaron usando una matriz de acero lubricado con un diámetro de una pulgada (2,54 cm) en una máquina de ensayo universal Instron® (modelo MTS 1125, 20.000 lbs (9072 kg)) con una muestra de 5 gramos de aglomerado. La muestra de aglomerado se vertió en la matriz y se niveló ligeramente roscando el exterior de la matriz. Se insertó un punzón superior y se bajó el cabezal hasta que se observó una fuerza ("posición inicial") en el registrador. Se aplicó presión a una velocidad creciente constante (2 mm/min) a la muestra hasta un máximo de 180 MPa de presión. El volumen de la muestra de aglomerado (la LPD compactada de la muestra), observado como un desplazamiento del cabezal (la deformación), se registró como la densidad relativa como una función del logaritmo de la presión aplicada. Después se tamizó el material residual para determinar el porcentaje de fracción aplastada. Se midieron diferentes presiones para establecer un gráfico de la relación entre el logaritmo de la presión aplicada y el porcentaje de fracción aplastada. Los resultados se presentan en la Tabla 1 como el logaritmo de la presión en el punto en el que la fracción aplastada es igual a 50 por ciento en peso de la muestra de aglomerado. La fracción aplastada es la relación entre el peso de partículas aplastadas que pasan a través del tamiz más pequeño y el peso inicial de la muestra.

Estos aglomerados tenían LPD, distribución de tamaños y características de resistencia de moldeo y de retención del tamaño de los gránulos adecuadas para uso en la fabricación comercial de muelas de rectificado abrasivas. Los aglomerados sinterizados acabados tenían formas tridimensionales que variaban entre triangular, esférica, cúbica, rectangular y otras formas geométricas. Los aglomerados constaban de una pluralidad de granos abrasivos individuales (por ejemplo, de grano 2 a 20) ligados entre sí por un material aglutinante de vidrio en puntos de contacto de grano a grano.

El tamaño del gránulo aglomerado aumentaba al aumentar la cantidad de material aglutinante en el gránulo aglomerado en el intervalo de 3 a 20% en peso del material aglutinante.

Se observó una resistencia a la compactación adecuada en todas las muestras 1-9, lo que indica que el material aglutinante de vidrio había madurado y fluido para crear una unión eficaz entre los granos abrasivos dentro del aglomerado. Los aglomerados fabricados con 10% en peso de material aglutinante tenían una resistencia a la compactación significativamente superior que los fabricados con 2 o 6% en peso de material aglutinante.

Los valores menores de LPD fueron un indicador de un mayor grado de aglomeración. La LPD de los aglomerados disminuyó al aumentar el porcentaje en peso de material aglutinante y al disminuir el tamaño del grano abrasivo. Las diferencias relativamente grandes entre 2 y 6% en peso de material aglutinante, en comparación con las diferencias relativamente pequeñas entre 6 y 10% en peso de material aglutinante, indican que un porcentaje en peso de material aglutinante menor de 2% en peso puede ser inadecuado para la formación de aglomerados. Con los porcentajes en peso mayores, por encima de aproximadamente 6% en peso, la adición de más material aglutinante puede no ser beneficiosa para fabricar aglomerados significativamente más grandes o más fuertes.

Como sugieren los resultados del tamaño de los gránulos aglomerados, las muestras con material aglutinante C, que tenían la menor viscosidad de vidrio fundido a la temperatura de aglomeración, tuvieron la menor LPD de los tres materiales aglutinantes. El tipo de abrasivo no tuvo un efecto significativo sobre la LPD.

TABLA 2 Material Aglutinante usando en los Aglomerados

3

Ejemplo 2

Se obtuvieron muestras adicionales de aglomerados utilizando diversas realizaciones de procesamiento y materiales de partida diferentes.

Se formó una serie de aglomerados (muestras Nº 10-13) a diferentes temperaturas de sinterización, que variaban de 1100 a 1250ºC, utilizando un aparto de calcinación rotatorio (modelo Nº HOU-6D60-RTA-28, equipado con un tubo de mullita de 120 pulgadas (305 cm) de longitud, 5,75 pulgadas (15,6 cm) de diámetro interno y 3/8 de pulgada (0,95 cm) de espesor, que tenía una longitud calentada de 60 pulgadas (152 cm) con tres zonas de control de la temperatura. El aparato se fabricó por Harper International, Buffalo, Nueva York). Se usó una unidad de alimentación Brabender con velocidad de alimentación volumétrica de control ajustable para introducir la mezcla de grano abrasivo y material aglutinante en el tubo calefactor del aparato de calcinación rotatorio. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 4 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 grados y una velocidad de alimentación de 8 kg/hora. El aparato usado era sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1. En la Tabla 2-1 se muestran las selecciones de temperatura y otras variables utilizadas para preparar estos aglomerados.

Todas las muestras contenían una mezcla, en una base de % en peso, de 89,86% de grano abrasivo (grano de alúmina 38A con un tamaño de grano 60 obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.), 10,16% de mezcla aglutinante (6,3% en peso de aglutinante de proteína líquido AR30, 1,0% de Carbowax® 3350 PEG y 2,86% de material aglutinante A). Esta mezcla produjo 4,77% en volumen de material aglutinante y 95,23% en volumen de grano en el gránulo aglomerado sinterizado. La densidad teórica calculada de los gránulos aglomerados (suponiendo que no había porosidad) fue de 3,852 g/cc.

Antes de poner la mezcla en la unidad de alimentación, se formaron aglomerados en fase verde mediante extrusión simulada. Para preparar aglomerados extruidos, el aglutinante de proteína líquido se calentó para disolver el Carbowax® 3350 PEG. Después se añadió lentamente el material aglutinante mientras se agitaba la mezcla. Se añadieron granos abrasivos a un mezclador de alto cizallamiento (44 pulgadas (112 cm) de diámetro) y la mezcla preparada de material aglutinante-adhesivo se añadió lentamente al grano presente en el mezclador. La combinación se mezcló durante 3 minutos. La combinación mezclada se tamizó en estado húmedo a través de un tamiz de caja de malla 12 (tamaño de tamiz U.S. convencional) sobre bandejas, con una capa de profundidad máxima de una pulgada (2,5 cm) para formar aglomerados extruidos, verdes (no cocidos), húmedos. La capa de aglomerados extruidos se secó en un horno a 90ºC durante 24 horas. Después del secado, los aglomerados se tamizaron de nuevo usando un tamiz de caja de malla 12 a 16 (tamaño de tamiz U.S. convencional).

Durante la calcinación en horno rotatorio se observó que los aglomerados obtenidos en estado verde parecían separarse cuando se calentaban y, posteriormente, se reformaban cuando se volteaban fuera del extremo de salida de la porción calentada del tubo del horno de calcinación rotatorio. El mayor tamaño de los gránulos aglomerados obtenidos en fase verde, en relación con el de los gránulos aglomerados después de la operación de cocido, era fácilmente evidente tras la inspección visual de las muestras.

Después de la operación de cocido, se observó que los tamaños de las partículas aglomeradas eran suficientemente uniformes para objetivos comerciales, con una distribución de tamaños sobre un intervalo de aproximadamente 500-1200 micrómetros. Las medidas de la distribución de tamaños se presentan en la Tabla 2-2, mostrada a continuación. El rendimiento, el tamaño, la resistencia al aplastamiento y la LPD fueron aceptables para uso comercial en la fabricación de muelas abrasivas.

TABLA 2-1

4

TABLA 2-2 Distribución de tamaños de partículas para aglomerados cocidos

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5

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Ejemplo 3

Se prepararon aglomerados (muestras nos. 14-23) como se describe en el Ejemplo 2, con la excepción de que la temperatura se mantuvo constante a 1000ºC, y se usó un aparato de calcinación rotatorio modelo nº KOU-8D48-RTA-20, equipado con un tubo de sílice fundida de 108 pulgadas (274 cm) de longitud y de 8 pulgadas (20 cm) de diámetro interno, que tenía una longitud calentada de 48 pulgadas (122 cm) con tres zonas de control de temperatura. El aparato se fabricó por Harper Intemational, Buffalo, New York. Se examinaron diversos métodos para la preparación de la mezcla precocida de grano y material aglutinante. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 3 a 4 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 grados y una velocidad de alimentación de 8 a 10 kg/hora. El aparato usado era sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1.

Todas las muestras contenían 30 libras (13,6 kg) de grano abrasivo (el mismo grano usado en el Ejemplo 2, con la excepción de que la muestra 16 contenía 25 libras (11,3 kg) de grano de alúmina sol gel de grano 70 de Norton SG®, obtenido en Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) y 0,9 libras (0,41 kg) de material aglutinante A (produciendo 4,89% en volumen de material aglutinante en el aglomerado sinterizado). El material aglutinante se dispersó en diferentes sistemas de adhesivo antes de la adición al grano. Para algunas muestras se usó el sistema de adhesivo del Ejemplo 2 ("Adhesivo 2") y otras muestras se realizaron usando el adhesivo de proteína líquido AR30 ("Adhesivo 3") en los porcentajes en peso indicados a continuación en la Tabla 3. Para preparar aglomerados en la fase verde, no cocidos, por el método de extrusión simulada del Ejemplo 2, se usó la muestra 20.

Las variables ensayadas y los resultados de los ensayos se resumen más adelante en la Tabla 3.

TABLA 3 Tratamientos con adhesivo en fase verde

6

Estos resultados confirman que no es necesaria la aglomeración en fase verde para formar una calidad aceptable y para producir gránulos aglomerados sinterizados (compárense las muestras 18 y 20). Cuando el % en peso de Aglutinante 3 usado en la mezcla inicial aumentaba de 1 a 8%, la LPD mostraba una tendencia hacia una disminución moderada, lo que indica que el uso de un aglutinante tiene un efecto beneficioso, pero no esencial, sobre el proceso de aglomeración. De esta manera, más bien de forma inesperada, no parecía necesario preformar un tamaño o forma deseados de gránulo de aglomerado antes de sinterizarlo en un horno de calcinación rotatorio. Se consiguió la mismo LPD suministrando meramente una mezcla húmeda de los componentes aglomerados al interior del horno de calcinación rotatorio y volteando la mezcla según pasa a través de la porción calentada del aparato.

Ejemplo 4

Se prepararon aglomerados (muestras nos. 24-29) como se describe en el Ejemplo 2, con la excepción de que la temperatura se mantuvo constante a 1200ºC y se examinaron diversos métodos para la preparación de la mezcla precocida de grano y material aglutinante. Todas las muestras (excepto las muestras 28-29) contenían una mezcla de 300 libras (136,4 kg) de grano abrasivo (el mismo grano que el del Ejemplo 2: alúmina 38A de grano 60) y 9,0 libras (4,1 kg) de material aglutinante A (produciendo 4,89% en volumen de material aglutinante en el aglomerado sinterizado).

La muestra 28 (con la misma composición que la del Ejemplo 2) contenía 44,9 libras (20,4 kg) de grano y 1,43 libras (0,6 kg) de material aglutinante A. El material aglutinante se combinó con la mezcla líquida de adhesivo (37,8% en peso (3,1 libras) de adhesivo AR30 en agua) y 4,98 libras de esta combinación se añadieron al grano. La viscosidad de la combinación líquida era de 784 CP a 22ºC (Viscosímetro Brookfield LVF).

La muestra 29 (con la misma composición que la del Ejemplo 2) contenía 28,6 libras (13 kg) de grano y 0,92 libras (0,4 kg) de material aglutinante A (produciendo 4,89% en volumen de material aglutinante en el aglomerado sinterizado). El material aglutinante se combinó con la mezcla líquida de adhesivo (54,7% en peso (0,48 libras) de resina Duramax® B1052 y 30,1% en peso (1,456 libras) de resina Duramax B1051 en agua) y esta combinación se añadió al grano abrasivo. Las resinas Duramax se obtuvieron en Rohm and Haas, Philadelphia, PA.

El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 4 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 grados y una velocidad de alimentación de 8 a 12 kg/hora. El aparato usado era sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1.

La muestra 28 se pre-aglomeró, antes de la calcinación, en un aparato de lecho fluidizado fabricado por Niro, Inc., Columbia, Maryland (Multi-Processor^{TM} modelo MP-2/3, equipado con un cono de tamaño MP-1 (3 pies (0,9 metros)) de diámetro en su parte más ancha). Para los ciclos de trabajo de muestra del proceso en lecho fluidizado se seleccionaron las siguientes variables de proceso:

temperatura de aire de entrada: 64-70ºC

flujo de aire de entrada: 100-300 metros cúbicos/hora

caudal de líquido de granulación: 440 g/min

profundidad de lecho (carga inicial de 3-4 kg): aproximadamente 10 cm

presión del aire: 1 bar

dos boquillas externas de mezcla de fluido: orificio de 800 micrómetros.

El grano abrasivo se cargó en el aparato del fondo y se dirigió aire a través del difusor de placa de lecho fluidizado hacia arriba y al interior del grano. Al mismo tiempo, la mezcla líquida de material aglutinante y de adhesivo se bombeó a la boquilla mezcladora externa y posteriormente se roció desde las boquillas a través del difusor de placa y al interior del grano, con lo que se cubrieron los granos abrasivos individuales. Durante el secado de la mezcla de material aglutinante y adhesivo se formaron aglomerados en fase verde.

La muestra 29 se pre-aglomeró, antes de la calcinación, en un proceso de extrusión de baja presión usando un Granulador Benchtop^{TM} fabricado por LCI Corporation, Charlotte, North Carolina (equipado con una cesta perforada que tenía agujeros de 0,5 mm de diámetro). La mezcla de grano, material aglutinante y adhesivo se suministró manualmente al interior de la cesta perforada (el tamiz del extrusor), se obligó a pasar a través del tamiz mediante paletas giratorias y se recogió en un recipiente de recepción. Los pre-aglomerados extruidos se secaron al horno a 90ºC durante 24 horas y se usaron como material de partida para el proceso de calcinación rotatorio.

Las variables ensayadas y los resultados de los ensayos se resumen a continuación en las Tablas 4-1 y 4-2. Estos ensayos confirman que los resultados expuestos en el Ejemplo 3 también se observan a una mayor temperatura de cocido (1200 frente a 1000ºC). Estos ensayos también ilustran que la extrusión a baja presión y la pre-aglomeración en lecho fluido se pueden usar para fabricar gránulos aglomerados, pero para realizar los aglomerados de la invención no es necesaria una etapa de aglomeración antes de la calcinación rotatoria.

TABLA 4-1 Características del aglomerado

7

TABLA 4-2 Distribución de tamaños de partículas de aglomerados

8

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Ejemplo 5

Se prepararon aglomerados adicionales (muestras nº 30-37) como se describe en el Ejemplo 3, con la excepción de que la sinterización se realizó a 1180ºC, se ensayaron diferentes tipos de granos abrasivos, y se mezclaron 30 libras (13,6 kg) de grano abrasivo con 1,91 libras (0,9 kg) de material aglutinante A (para producir 8,94% en volumen de material aglutinante en los gránulos aglomerados sinterizados). El Adhesivo 3 del Ejemplo 3 se comparó con agua como adhesivo para la aglomeración de fase verde. En las muestras 30-34 se usaron 0,9 libras (0,4 kg) de agua como adhesivo. En las muestras 35-37 se usaron 0,72 libras (0,3 kg) de Adhesivo 3. Las variables ensayadas se resumen a continuación en la Tabla 5.

El proceso de aglomeración se efectuó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 8,5-9,5 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 grados y una velocidad de alimentación de 5-8 kg/hora. El aparato usado era sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1.

Después de la aglomeración, las muestras aglomeradas de grano abrasivo se tamizaron y se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD), a la distribución de tamaños y a la resistencia del aglomerado. Estos resultados se muestran en la Tabla 5.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 5

9

De nuevo, estos resultados demuestran la utilidad del agua como adhesivo temporal para los aglomerados en el proceso de calcinación rotatoria. Además, mediante el proceso de la invención, se pueden aglomerar mezclas de tipos de granos, de tamaños de granos, o de ambos, y estos aglomerados se pueden recubrir a una temperatura de 1180ºC en el horno de calcinación rotatorio. Se observó un aumento significativo de la resistencia al aplastamiento cuando en los aglomerados (muestra 33) se usó un grano abrasivo alargado con una alta relación de dimensiones (es decir, \geq 4:1).

Ejemplo 6

Se preparó otra serie de aglomerados (muestras nº 38-45) como se describe en el Ejemplo 3, con la excepción de que se usaron diferentes temperaturas de sinterización y de que se ensayaron diferentes tipos de mezclas de tamaños de granos abrasivos y diferentes materiales aglutinantes. En algunas de las mezclas de materiales de partida se usó cáscara de nuez como material orgánico de carga inductor de poros (la cáscara de nuez se obtuvo en Composition Materials Co., Inc., Fairfield, Connecticut, en un tamaño de Tamiz US 40/60). Las variables ensayadas se resumen a continuación en la Tabla 6. Todas las muestras contenían una mezcla de 30 libras (13,6 kg) de grano abrasivo y 2,5% en peso de Adhesivo 3, con respecto al peso del grano, con diversas cantidades de materiales aglutinantes como se muestra en la Tabla 6.

Después de la aglomeración, las muestras aglomeradas de granos abrasivos se tamizaron y se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD), tamaño medio y resistencia al aplastamiento del aglomerado (véase la Tabla 6). Las propiedades de todos los aglomerados fueron aceptables para uso en la fabricación de muelas abrasivas de rectificado. Estos datos parecen indicar que el uso de inductores de poros orgánicos, es decir, de cáscaras de nueces, no tuvo ningún impacto significativo sobre las características del aglomerado.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 6

10

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{145mm} a.: El porcentaje en volumen se
basa en los sólidos totales (grano, material aglutinante e inductor
de poros) y no incluye la porosidad del 
aglomerado.\end{minipage} \cr}

Ejemplo 7

Las muestras 10-13 y 24-27 de aglomerado preparadas de acuerdo con los Ejemplos 2 y 4, respectivamente, se usaron para fabricar muelas abrasivas (tamaño acabado; 20 x 1 x 8 pulgadas) (50,8 x 2,54 x 20,3 cm). Estas muelas se ensayaron en una operación de rectificado de alimentación progresiva, frente a muelas comparativas fabricadas sin aglomerados, pero que contenían material de carga inductor de poros.

Para fabricar las muelas abrasivas, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con un adhesivo líquido y una composición pulverizada de ligante vitrificado que correspondía al material Aglutinante C de la Tabla 1-2. A continuación, las muelas se moldearon, se secaron, se cocieron a una temperatura máxima de 900ºC, se clasificaron, se acabaron, se equilibraron y se inspeccionaron de acuerdo con técnicas comerciales de fabricación de muelas de rectificado conocidas en la técnica.

La composición de las muelas (incluyendo porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas cocidas), la densidad y las propiedades de módulo de las muelas se describen en la Tabla 7-1. Las muelas se formularon para un módulo de elasticidad correspondiente a un grado normal de dureza de muelas entre los grados D y E de la escala de grados de dureza de la Norton Company. Los ensayos preliminares habían establecido que las muelas formuladas a partir de grano aglomerado con una estructura en porcentaje en volumen (es decir, porcentaje en volumen de grano, ligante y poros, para un total de 100%) idéntica a la de una muela comparativa fabricada sin grano aglomerado eran, en realidad, muelas con una densidad considerablemente menor, tenían un menor módulo elástico y eran más blandas que la muela comparativa. De esta manera, la densidad y el módulo elástico, además de la estructura en porcentaje en volumen calculada, se seleccionaron como los indicadores críticos de dureza de la muela para las muelas elaboradas con grano aglomerado y ensayadas en estos estudios de rectificado.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 7-1 Características de Muelas Abrasivas

11

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm} a) Con 37,50% en volumen de grano
abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en
volumen de grano abrasivo (es decir, 1-3% más en
volumen) que las muelas experimentales elaboradas con 37,50% en
volumen de grano aglomerado,  material aglutinante y porosidad
intra-aglomerado.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm} b) La permeabilidad al fluido (aire)
se midió por los métodos de ensayo descritos en las Patentes de
Estados Unidos N ^{o}  5.738.696 y 5.738.697, cedidas a Norton
Company. Los valores relativos de permeabilidad al aire se expresan
en cc/segundo/pulgada de unidades de agua.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm} c) Las muestras de muelas
comparativas eran productos comerciales obtenidos en
Saint-Gobain Abrasivas, Inc., Worcester, MA, y
marcadas con las designaciones de  muelas indicadas para cada una en
la Tabla 7-1.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm} d) Los valores de porcentaje en
volumen de ligante de las muelas experimentales no incluyen el
porcentaje en volumen de material aglutinante de vidrio usado en los
granos para elaborar los aglomerados. El porcentaje en volumen de
ligante  únicamente representa los materiales añadidos para fabricar
las muelas
abrasivas.\end{minipage} \cr}

Las muelas se ensayaron en una operación de rectificado de alimentación progresiva frente a muelas comparativas comerciales recomendadas para uso en operaciones de rectificado de alimentación progresiva (las muelas comparativas se describen en las Tablas 7-1 y 7-2). Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, grados de dureza comparables y, por lo demás, eran muelas comparativas adecuadas para las muelas experimentales en un estudio de rectificado de alimentación progresiva, pero estaban elaboradas sin aglomerados.

Condiciones de Rectificado

Máquina: Hauni-Blohm Profimat 410

Modo: Rectificado de alimentación progresiva de ranura

Profundidad de corte: 0,125 pulgadas (0,318 cm)

Velocidad de muela: 5500 pies de superficie por minuto (28 m/seg)

Velocidad de mesa: Variada en incrementos de 2,5 pulgadas/minuto (6,4 cm/min) de 5-17,5 pulgadas/minuto (12,7- {}\hskip1,8cm 44,4 cm/minuto) o hasta que se observe un fallo (pieza de trabajo quemada o fallo de la máquina o de la {}\hskip1,8cm muela)

Refrigerante: Master Chemical Trim E210200, con concentración de 10% con agua de pozo desionizada, 95 gal/min (360 I/min)

Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 4340, dureza 48-50 Rc

Modo de reavivación: diamante giratorio, no continuo

Compensación de reavivación: 40 micropulgadas/revolución (1 micrómetro/revolución)

Compensación total de reavivación radial: 0,02 pulgadas/revolución (0,5 mm/revolución)

Relación de velocidad: +0,8

En estos ciclos de rectificado, se aumentó la velocidad de la mesa hasta que se observó un fallo. El fallo se indicó por quemado de la pieza de trabajo o por un excesivo desgaste de la muela indicado por datos de energía consumida, mediciones de desgaste de muela (WWR), mediciones de acabado superficial y por inspección visual de la superficie rectificada. Se anotó la velocidad de eliminación de material (MRR máxima) a la que se producía el fallo.

Como se expone en la Tabla 7-2, indicada a continuación, estos ensayos de rectificado demostraron que las muelas experimentales que contenían los aglomerados eran consistentemente capaces de conseguir mayores velocidades de eliminación de material que las muelas comparativas. Las muelas experimentales también presentaban valores aceptables para los otros parámetros menos críticos de rectificado observados en las operaciones de alimentación progresiva (es decir, WWR, energía consumida y acabado superficial a la máxima velocidad de eliminación de material MRR (MRR)).

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 7-2 Resultados del Ensayo de Rectificado

12

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a) Con 37,50% en volumen de grano
abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en
volumen de grano abrasivo (es decir, 1-3% más en
volumen) que las muelas experimentales elaboradas con 37,50% en
volumen de grano aglomerado,  material aglutinante y porosidad
intra-aglomerado.\end{minipage} \cr}

Ejemplo 8

Se preparó una muestra (60) de grano abrasivo aglomerado en el aparato de calcinación giratorio, con un tubo de carburo de silicio, descrito en el Ejemplo 1 e ilustrado en la Figura 1. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a 1.350ºC, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 9 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 3 grados y una velocidad de alimentación de 6-10 kg/hora.

La muestra de aglomerado se realizó a partir de una mezcla de grano abrasivo de alúmina 38A, con un tamaño de grano de 60 (el mismo grano usado en los Ejemplos 1 y 6), 5,0% en peso de material aglutinante F (con respecto al peso de grano abrasivo) y 2,5% en peso de Adhesivo 3 en agua (mezcla 50/50 en peso con respecto al peso de grano abrasivo).

Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, el grano abrasivo aglomerado se tamizó y se ensayó con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD) y otros atributos, por los métodos descritos anteriormente. El rendimiento de los aglomerados fluidos utilizables (definidos como malla -12 en recipiente) fue 72,6% del material de partida antes de la sinterización. La LPD del aglomerado fue de 1,11 g/cc y la densidad relativa fue de 28,9%. Estos aglomerados sinterizados se usaron para realizar muelas de rectificado que tenían un tamaño acabado de 16,25 x 0,75 x 5,00 pulgadas (41,3 x 2,4 x 12,8 cm).

Para fabricar las muelas abrasivas, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con una composición pulverizada de ligante vitrificado (que correspondía al material Aglutinante C de la Tabla 1-2) y Adhesivo 3 líquido para realizar una mezcla. A continuación se moldearon las muelas partiendo de esta mezcla, se secaron, se cocieron a una temperatura máxima de 900ºC, se clasificaron, se acabaron, se equilibraron y se inspeccionaron de acuerdo con técnicas comerciales de fabricación de muelas de rectificado conocidas en la técnica. Las muelas se realizaron para que correspondieran en valor del módulo de elasticidad a muelas comparativas que tenían un grado normal de dureza de muela en el intervalo de grado E de la escala de grados de dureza de la Norton Company.

Las características de las muelas abrasivas cocidas y de una muela comparativa comercial, obtenida en Saint-Gobain Abrasivas, Inc., Worcester, MA, se describen en la Tabla 8-1 presentada a continuación.

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(Tabla pasa a página siguiente)

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TABLA 8-1 Muelas Abrasivas

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13

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{155mm}a) Con 37,50% en volumen de
componente de grano abrasivo, las muelas de la muestra comparativa
contenían un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo  (es
decir, aproximadamente 1-3% más en volumen) que las
muelas experimentales de  la invención que contenían una mezcla de
37,50% en volumen de grano aglomerado,  material aglutinante y
porosidad intra-aglomerado.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{155mm}b) La permeabilidad a fluidos (aire)
se midió por los métodos de ensayo descritos en las Patentes de
Estados Unidos N ^{o}  5.738.696 y 5.738.697, cedidas a Norton
Company. Los valores relativos de permeabilidad al aire se expresan
en  cc/segundo/pulgada de unidades de agua.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{155mm}c) Los valores de porcentaje en
volumen de ligante no incluyen el porcentaje en volumen del material
aglutinante usado en los granos para fabricar los aglomerados.  El
porcentaje en volumen de ligante únicamente representa los
materiales añadidos  para fabricar las muelas
abrasivas.\end{minipage} \cr}

Las muelas abrasivas de rectificado descritas en la Tabla 8-1 se ensayaron en un ensayo de rectificado con alimentación progresiva. Los parámetros para el ensayo de rectificado con alimentación progresiva se fijaron para producir las siguientes condiciones de rectificado.

Condiciones de Rectificado

Máquina: Hauni-Blohm Profimat 410

Modo: Rectificado de alimentación progresiva de ranura

Profundidad de corte: 0,125 pulgadas (0,318 cm)

Velocidad de muela: 5500 pies de superficie por minuto (28 m/seg)

Velocidad de mesa: Variada en incrementos de 2,5 pulgadas/minuto (6,4 cm/min) de 5-15 pulgadas/minuto (12,7- {}\hskip1,8cm 38,1 cm/minuto) o hasta que se observe un fallo (pieza de trabajo quemada o fallo de la máquina o de la {}\hskip1,8cm muela)

\newpage

Refrigerante: Master Chemical Trim E210200, con concentración de 10% con agua de pozo desionizada, 95 gal/min (3601/min)

Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 4340, dureza 48-50 Rc

Modo de reavivación: diamante giratorio, no continuo

Compensación total de reavivación radial: 0,02 pulgadas

Relación de velocidad: +0,8

En estos ciclos de rectificado, se aumentó la velocidad de la mesa hasta que se observó un fallo. El fallo se indicó por quemado de la pieza de trabajo o por un excesivo desgaste de la muela indicado por datos de energía consumida, mediciones de desgaste de la muela (WWR) y por inspección visual de la superficie rectificada. Se anotó la velocidad de eliminación de material (MRR) (es decir, la máxima MRR antes del fallo) a la que se producía el fallo. También se efectuaron mediciones del acabado superficial.

Como se expone en la Tabla 8-2, indicada a continuación, estos ensayos de rectificado demostraron que las muelas experimentales que contenían los aglomerados podían conseguir consistentemente mayores velocidades de eliminación de material antes del quemado de la pieza de trabajo. La MRR máxima para la muela comparativa correspondía a una velocidad de mesa de solo 12,5 pulgadas/minuto (5,29 mm/seg), mientras que la MRR máxima de la muela experimental correspondía a una velocidad de mesa de 15 pulgadas/minuto (6,35 mm/seg).

Las muelas experimentales también presentaban valores comparables y comercialmente aceptables para los otros parámetros de rectificado observados a la mayor MRR conseguida por las muelas comparativas en esta operación de alimentación progresiva (es decir, energía consumida y acabado superficial a la velocidad de mesa de 5,29 mm/seg).

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 8-2 Resultados del Ensayo de Rectificado

14

15

Ejemplo 9

Se ensayaron unas muelas abrasivas realizadas con la muestra 35 aglomerada del Ejemplo 5 en un proceso de rectificado con alimentación progresiva de superficie seca, típico de los procesos usados en las operaciones de rectificado de los talleres de herramientas. En este ensayo, se comparó una muela abrasiva comparativa comercial con las muelas de la invención.

Las muelas abrasivas que contenían aglomerados se obtuvieron por el método del Ejemplo 8 y se cocieron a una temperatura máxima de 900ºC, sin embargo, el tamaño de las muelas era de 7 x 5 x 1,25 pulgadas (17,8 x 1,3 x 3,2 cm). Las muelas cocidas contenían 40% de aglomerados, 11-12,1% de ligante vitrificado y 47,9-49% de porosidad, en porcentaje en volumen. Las condiciones de cocción para las muelas de la invención y las propiedades de las muelas abrasivas cocidas así como de las muelas comparativas se describen en la Tabla 9-1.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 9-1 Muelas Abrasivas

16

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a) Con 40% en volumen de componente
de grano abrasivo, las muelas de muestra comparativa contenían un
mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (véase la  Tabla
9-2, presentada a continuación) que las muelas
experimentales de la invención  que contenían 40,0% en volumen de
grano aglomerado (incluyendo material  aglutinante y porosidad
intra-aglomerado).\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm}b) La permeabilidad al aire se midió
por los métodos de ensayo descritos en las Patentes de Estados
Unidos N ^{o}  5.738.696 y 5.738.697, cedidas a Norton
Company.\end{minipage} \cr   \begin{minipage}[t]{150mm}c)
Los valores de porcentaje en volumen de ligante no incluyen el
porcentaje en volumen del material aglutinante de vidrio usado en
los granos para fabricar los  aglomerados. El porcentaje en volumen
de ligante representa únicamente los  materiales añadidos para
fabricar las muelas
abrasivas.\end{minipage} \cr}

El porcentaje en volumen de grano abrasivo y de material aglutinante de vidrio de los aglomerados usados en las muelas experimentales se indica en la Tabla 9-2, presentada a continuación.

TABLA 9-2 Composición de muela ajustada para componentes aglomerados

17

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm} a) Con 40.0% en volumen de grano
abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en
volumen de grano abrasivo (es decir, 1-3% más en
volumen) que las muelas experimentales elaboradas con 40,0% de grano
aglomerado, material  aglutinante y porosidad
intra-aglomerado\end{minipage} \cr}

Condiciones de Rectificado

Máquina: Brown & Sharpe Surface Grinder

Modo: Rectificado superficial seco

Alimentación transversal: 0,508 mm

Velocidad de muela: 3500 rpm, 6500 sfpm

Velocidad de mesa: 50 fpm (15240 mm/min)

Refrigerante: Ninguno

Material de la pieza de trabajo: Acero D3, dureza Rc 60

: 203,2 mm de longitud x 47,8 mm de anchura

Modo de reavivación: Diamante de un solo punto

Compensación de reavivación: 0,025

Avance de reavivación: 254 mm/min

En estos ciclos de rectificado, el avance descendente se aumentó hasta que se observó el fallo. En operaciones de rectificado superficial de talleres de herramientas, como en operaciones de rectificado con alimentación progresiva, el parámetro más significativo de funcionamiento es la máxima capacidad de velocidad de eliminación de material (MRR) de la muela de rectificado. De esta manera, para cada muela de rectificado se anotó la MRR máxima a la que se producía el fallo, y el fallo se indicó por observaciones visuales de quemado de la pieza de trabajo, por un consumo de energía excesivo, o por una excesiva velocidad de desgaste de la muela (WWR). También se hicieron mediciones de acabado superficial.

Como se indica en las Tablas 9-3 y 9-4, indicadas a continuación, este ensayo de rectificado demostró que las muelas experimentales que contenían los aglomerados conseguían mayores velocidades máximas de eliminación de material antes de la descomposición de la muela por desgaste. Además, se consiguieron mayores MRR con menor consumo de energía, manteniéndose al mismo tiempo valores comparables de rugosidad superficial.

TABLA 9-3 Resultados del Ensayo de Rectificado

18

TABLA 9-4 Resultados del Ensayo de Rectificado-Mediciones de desgaste de muelaª

20

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{155mm}a) El desgaste de la muela se midió
por una variación del método ( ensayo de conservación de
esquina ) descrito en la patente de Estados Unidos N ^{o} 
5.401.284,  cedida a la Norton Company. Para los datos de esta
Tabla, los valores A y D se  midieron en el perímetro de la muela, a
lo largo de la superficie de rectificado de la  muela, y los valores
B y C se midieron en puntos equidistantes cerca del centro de la 
superficie de rectificado de la muela. Según progresa el
rectificado, la estabilidad  relativa de los valores A y D, en
comparación con los valores B y C, es un indicador de  la
resistencia al desgaste de la muela. El  Área  es la cantidad
de material extraído de  la muela. El porcentaje de desgaste de la
superficie de la muela refleja la amplitud del  desgaste de la muela
en el centro de la superficie de rectificado de la muela, cerca de 
los puntos en los que se miden los valores B y
C.\end{minipage} \cr}

Ejemplo 10

Se ensayaron muelas abrasivas realizadas con aglomerados de grano abrasivo en un ensayo de rectificado de diámetro interno (ID).

Los aglomerados (muestra 61) se prepararon como se describe en el Ejemplo 2, con la excepción de que la temperatura se mantuvo constante a 1170ºC (muestra 61). Además, se usó un aparato de calcinación rotatorio, modelo nº KOU-8D48-RTA-20, equipado con un tubo de carburo de silicio de 108 pulgadas (274 cm) de longitud y de 8 pulgadas (20 cm) de diámetro interno, que tenía una longitud calentada de 48 pulgadas (122 cm) con tres zonas de control de la temperatura. Este aparato se fabricó por Harper International, Buffalo, New York. El proceso de aglomeración se efectuó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 6 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5-3,0 grados y una velocidad de alimentación de 8-10 kg/hora. El aparato usado era sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1.

La muestra 61 de aglomerado se realizó con 30 libras (13,63 kg) de grano abrasivo (grano de alúmina 32A de grano 120, obtenido en Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) y 1,91 libras (0,87 kg) de material aglutinante A (produciendo 6,36% en peso de material aglutinante en el aglomerado sinterizado). El material aglutinante se dispersó en agua (0,9 libras; 0,41 kg) antes de la adición al grano. Los aglomerados tenían un tamaño medio de 260 micrómetros y una densidad de empaquetamiento suelto (LPD) de 1,13 g/cc.

En este ensayo se comparó una muela abrasiva comparativa, comercial, con las muelas de la invención. La muela comparativa tenía las mismas dimensiones de tamaño y estaba hecha con el mismo grano abrasivo, pero sin aglomerados. La muela comparativa estaba marcada como 32A120-LVFL y se obtuvo en Saint-Gobain Abrasivas, Inc., Worcester, MA.

Para realizar la muela abrasiva experimental, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con una composición pulverizada de ligante vitrificado y con un Adhesivo 3 líquido para efectuar una mezcla. A continuación, las muelas se moldearon partiendo de esta mezcla, se secaron, se cocieron a una temperatura máxima de 900ºC, se clasificaron, se acabaron, se equilibraron y se inspeccionaron de acuerdo con técnicas de fabricación de muelas comerciales de rectificado conocidas en la técnica.

Las muelas de rectificado eran muelas de tipo 1A, que tenían un tamaño de acabado de 1,8 x 1,0 x 0,63 pulgadas (4,57 x 2,54 x 1,60 cm). La composición y características de las muelas experimentales y comparativas se indican más adelante en la Tabla 10-1.

TABLA 10-1 Muelas Abrasivas

21

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a) Con 52% en volumen de componente
de grano abrasivo, las muelas de la muestra comparativa contenían un
mayor porcentaje en volumen de grano que las muelas de  la invención
que contenían 48% en volumen de una mezcla de grano aglomerado con 
material aglutinante. Después de deducir el porcentaje de material
aglutinante, la  muela experimental únicamente contiene 43,4% en
volumen de grano, 8,6% en  volumen menos grano que la muela normal
comparativa del mismo grado.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm} b) El tamaño de grano abrasivo de
120 corresponde a 142 micrómetros.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm}c) Los valores para porcentaje en
volumen de ligante no incluyen el porcentaje en volumen de material
aglutinante usado en los granos para fabricar los aglomerados. El
porcentaje en volumen de ligante únicamente representa los
materiales añadidos para fabricar las muelas de
rectificado.\end{minipage} \cr}

Las muelas abrasivas de rectificado descritas en la Tabla 10-1 se ensayaron en un ensayo de rectificado de diámetro interno (DI). Los parámetros para el ensayo de rectificado DI se fijaron para producir las siguientes condiciones de rectificado.

Condiciones de Rectificado

Máquina: Rectificadora de DI Okuma

Modo: Rectificado concurrente, por penetración, de DI en húmedo

Velocidad de muela: 18000 rpm

Velocidad de trabajo: 600 rpm

Refrigerante: Master Chemical Trim E210, 5% en agua de pozo desionizada

Material de la pieza de trabajo: Acero 52100, Dureza Rc 60

: anillos: 2,225 x 0,50 pulgadas (5,65 x 1,28 cm)

Modo de reavivación: Diamante giratorio de un solo punto

Relación de reavivación: 0,650

Avance de reavivación: 0,304 mm/revolución.

En estos ensayos, se efectuaron tres conjuntos de rectificados a velocidades constantes de alimentación y se efectuaron cinco rectificados para cada conjunto. La velocidad de alimentación fija una velocidad nominal de eliminación de material para cada ensayo. En las operaciones de rectificado de DI, los parámetros más significativos de funcionamiento son la proporción G (MRR/velocidad de desgaste de la muela (WWR)), la energía específica requerida para rectificar a la velocidad de alimentación indicada y el acabado superficial resultante. En la tabla siguiente se proporcionan datos para cada conjunto de velocidades de alimentación; los datos de acabado superficial representan el valor después del quinto rectificado de cada conjunto.

Como se ha expuesto en la Tabla 10-2, presentada a continuación, estos ensayos de rectificado demostraron que el comportamiento de la muela experimental que contenía los aglomerados era comparable o mejor que el de la muela comparativa en relación G (MRR/velocidad de desgaste de la muela (WWR)), en energía específica de rectificado y en acabado superficial. Estos resultados son sorprendentes a la vista del porcentaje en volumen significativamente menor de grano abrasivo existente en la muela experimental. Dentro de las estructuras normales de las muelas, el porcentaje en volumen de grano abrasivo es la variable más significativa para la determinación de la relación G. En ausencia de otras variables, un mayor contenido de grano da como resultado una relación-G proporcionalmente mayor. Una reducción en el porcentaje en volumen de grano necesario para conseguir la misma relación G o una relación menor, representa una mejora técnica significativa en la herramienta abrasiva

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 10-2 Resultados del Ensayo de Rectificado

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22

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a. La relación-G
proporcionada entre paréntesis para la muela experimental es un
valor ajustado para el menor porcentaje en volumen de grano abrasivo
presente en la muela experimental. En otras palabras, el porcentaje
en volumen de grano en las  muelas experimentales es únicamente
83,46% del porcentaje en volumen de grano en  las muelas
comparativas. De esta manera, los valores de
relación-G de la muela  experimental mostrados entre
paréntesis se han normalizado para el porcentaje en  volumen de
grano de las muelas comparativas, con el fin de obtener una medida
de  rendimiento basada en el uso total del grano
abrasivo.\end{minipage} \cr}

Ejemplo 11

El grano abrasivo aglomerado de la invención se usó para fabricar muelas abrasivas grandes para confirmar la posibilidad de fabricar tales muelas sin el uso de inductores de poros añadidos y usando tales muelas en rectificado de alimentación progresiva

El grano abrasivo aglomerado (muestra 62) se preparó en el aparato de calcinación giratorio, con un tubo de carburo de silicio, descrito en el Ejemplo 1 e ilustrado en la Figura 1. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a 1.350ºC, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 9 rpm, con un ángulo de inclinación del tubo de 3 grados y con una velocidad de alimentación de 6-10 kg/hora.

La muestra 62 de grano aglomerado se obtuvo partiendo de una mezcla 50/50 de grano abrasivo de alúmina 32A y 38A, ambos con tamaño de grano 60 (el mismo grano usado en los Ejemplos 1 y 6), 5,0% en peso de material aglutinante E (con respecto al peso de grano abrasivo) y 2,5% en peso de Adhesivo 3 (mezcla de 50/50 en peso en agua con respecto al peso de grano abrasivo).

Después de la aglomeración en el aparato de calcinación giratorio, las muestras de grano abrasivo aglomerado se tamizaron y se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD) y otros atributos por los métodos descritos anteriormente. La producción de gránulos fluidos utilizables (definidos como malla -12 a recipiente) era 74,1% del peso total del material de partida antes de la calcinación. La LPD del aglomerado era 1,14 g/cc, y la densidad relativa era 30,0%.

Estos aglomerados sinterizados se usaron para fabricar muelas de rectificado de alimentación progresiva relativamente grandes (por ejemplo, de 20 pulgadas (50,8 cm) de diámetro). Normalmente, las muelas comparativas de este tamaño se fabrican con alúmina con burbujas o con otros inductores de poros sólidos o de celdas cerradas, como adyuvantes para reforzar la estructura e impedir la distorsión de la forma de la muela por derrumbamiento durante la operación de cocido, ya que el ligante vitrificado se funde y fluye. La alúmina con burbujas es particularmente eficaz para impedir el derrumbamiento, pero es indeseable para el comportamiento de rectificado, ya que crea una porosidad de celdas cerradas.

Para fabricar las muelas abrasivas experimentales, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con una composición pulverizada de ligante vitrificado (que corresponde al material Aglutinante C de la Tabla 2) y Adhesivo 3 líquido para obtener una mezcla. A continuación, las muelas se moldearon partiendo de esta mezcla, se secaron, se cocieron a una temperatura máxima de 900ºC, se clasificaron, se acabaron, se equilibraron y se inspeccionaron de acuerdo con técnicas comerciales de fabricación de muelas de rectificado conocidas en la técnica. A continuación, las muelas cocidas se acabaron para que tuvieran un tamaño de 20 x 1 x 8 pulgadas (50,8 x 2,5 x 20,3 cm). Durante el cocido de las muelas se observó un grado moderado, pero comercialmente aceptable, de derrumbamiento de las muelas experimentales.

Las muelas se diseñaron para que correspondieran en porcentaje en volumen de composición y en densidad a muelas comparativas comerciales que tenían un grado normal de dureza de muela comprendido entre los grados C y D de la escala de grados de dureza de la Norton Company.

Las características de las muelas abrasivas de rectificado experimentales y comparativas acabadas se describen en la Tabla 11-1, presentada a continuación. Aunque los porcentajes de composición de muela y las densidades habrían previsto muelas que tenían valores equivalentes de dureza de muela, en realidad, el módulo de elasticidad confirmó que las muelas experimentales eran de un grado más blando que las muelas comparativas. Los valores de permeabilidad al aire. muestran que la porosidad de la muela experimental, en contraste con la de la muela comparativa, es una porosidad que tiene permeabilidad abierta, lo que permite el flujo libre de refrigerante en la muela y la fácil extracción de los residuos de rectificado de la superficie de rectificado de la muela.

TABLA 11-1 Muelas Abrasivas

23

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a) Con 36,0% en volumen de
componente de grano abrasivo, las muelas de muestra comparativas
contenían un mayor porcentaje en volumen de grano (es decir, 
aproximadamente 1-2% más en volumen) que las muelas
de la invención que  contenían una mezcla de 36,0% en volumen de una
combinación de grano  aglomerado y material
aglutinante.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm}b) La permeabilidad a los fluidos
(aire) se midió por los métodos de ensayo descritos en las Patentes
de Estados Unidos N ^{o}  5.738.696 y 5.738.697, cedidas a la Norton
Company. Los valores de permeabilidad al aire relativa se expresan
en  cc/segundo/pulgada de unidades de
agua.\end{minipage} \cr}

Las muelas se ensayaron en la operación de rectificado con alimentación progresiva descrita en el Ejemplo 7, junto con la muela comparativa de rectificado con alimentación progresiva descrita en la Tabla 11-2. La muela comparativa era un producto comercial convencional disponible en Saint-Gobain Abrasivas, Inc., Worcester, MA. Tenía las mismas dimensiones de tamaño y por lo demás era comparable a las muelas experimentales, pero se había obtenido con carga de alúmina con burbujas y no tenía aglomerados de granos abrasivos.

TABLA 11-2 Resultados del Ensayo de Rectificado

24

Estos resultados demuestran la posibilidad de fabricación y uso de una muela de rectificado de alimentación progresiva de las dimensiones ensayadas sin el uso de un material de carga de porosidad cerrada, tal como alúmina con burbujas.

Ejemplo 12

Antes y después del moldeo de las muelas abrasivas de rectificado de la invención, se comparó la distribución de tamaños de aglomerado para examinar la integridad y la resistencia de los aglomerados en los procesos de fabricación de muelas abrasivas. A continuación, la distribución de tamaños de aglomerado se comparó con la distribución de tamaños de granos abrasivos del grano usado para fabricar los aglomerados, para confirmar que los aglomerados todavía comprendían una pluralidad de granos abrasivos después del moldeo de las muelas de rectificado.

Los aglomerados, (muestras nº 63, 64, 65) se prepararon como se describe en el Ejemplo 2, con la excepción de que la temperatura se mantuvo constante a 1200ºC (para las muestras 63 y 64) o a 1300ºC (para la muestra 65). Además, se usó un aparato de calcinación rotatorio (modelo Bartlett-SnowTM), fabricado por Alstom Power, Naperville, IL, equipado con un tubo patentado de aleación metálica de alta temperatura de 120 pulgadas (305 cm) de longitud y 6,5 pulgadas (16,5 cm) de diámetro interno, que tenía una longitud calentada de 72 pulgadas (183 cm) con cuatro zonas de control de temperatura. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 9 rpm, con un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 grados y con una velocidad de alimentación de 10-14 kg/hora. El aparato usado era sustancialmente idéntico al aparato ilustrado en la Figura 1.

Las muestras 63, 64 y 65 de aglomerado se realizaron con granos abrasivos obtenidos en Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc. y diferentes materiales aglutinantes como se describe en la Tabla 12-1, indicada a continuación.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 12-1 Composiciones de Aglomerado

25

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Las muelas experimentales se mezclaron y se moldearon para conseguir el tamaño y la forma descritos en el Ejemplo 10, usando una composición pulverizada de ligante vitrificado y Adhesivo 3 líquido. La composición de ligante usada para las muelas que contenían los aglomerados 63 y 64 correspondía al Material Aglutinante C, y la composición de ligante usada para las muelas que contenían el aglomerado 65 correspondía al Material Aglutinante E, descrito en la Tabla 2. El porcentaje en volumen de aglomerados, ligante y porosidad se describe en la Tabla 12-2, presentada más adelante.

Después de moldear las muelas a presión para obtener una muela "verde" y antes de cocer estas muelas moldeadas, los materiales de ligante de las muelas se retiraron de la estructura de muela verde por lavado con agua corriente y se recubrieron los aglomerados y el grano abrasivo. El tamaño de los aglomerados y los granos recuperados se determinaron tamizándolos a través de una serie de tamices de mallas de tamaños U.S. y midiendo la fracción de peso para cada tamiz. Los resultados se muestran en la Tabla 12-2, presentada a continuación, para muelas fabricadas para tres especificaciones diferentes.

TABLA 12-2 Distribución de tamaños de aglomerados después del moldeo de las muelas

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26

Los datos de la Tabla 12-2 demuestran por las dimensiones medias de los aglomerados sinterizados (antes y después del procesamiento) que se ha retenido una pluralidad de granos abrasivos en los aglomerados sinterizados después de que se hayan moldeado para formar una muela de rectificado. Aunque el tamaño inicial de los aglomerados se ha reducido en un porcentaje mínimo (por ejemplo, una reducción de 998 a 824 \mum, o una reducción de 17%, para la muestra 12-1), la mayoría de los aglomerados ha retenido su tamaño inicial.

La distribución de fracciones de peso después de tamizar cada muestra se proporciona en las Tablas 12-2a, 12-2b y 12-2c, indicadas a continuación, para las muestras 12-1, 12-2 y 12-3, respectivamente.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 12-2a Distribuciones de tamaños de partículas para la Muestra 12-1

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27

Los datos de la Tabla 12-2a demuestran que los granos individuales más grandes en la distribución de tamaños de la muestra de grano inicial tienen un tamaño de 425 \mum. Los datos iniciales de distribución de tamaños de aglomerado demuestran que todos los aglomerados son mayores de 425 \mum. Después del moldeo y del lavado, todos los aglomerados retenidos, prensados, son mayores de 300 \mum, y 91,4% en peso de los aglomerados son mayores que el grano individual más grande (425 \mum), lo que confirma la retención de una pluralidad de granos en los aglomerados sinterizados después de moldear una muela de rectificado que comprende el

TABLA 12-2b Distribuciones de tamaños de partículas para la Muestra 12-2

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Los datos de la Tabla 12-2b demuestran que los granos individuales más grandes en la distribución de tamaños de la muestra de granos inicial tienen un tamaño de 425 \mum. Los datos iniciales de distribución de tamaños de aglomerado demuestran que 99,8% en peso de los aglomerados son mayores de 425 \mum. Después del moldeo y del lavado, todos los aglomerados retenidos, prensados, son mayores de 300 \mum y 91,4% en peso de los aglomerados son mayores que el grano individual más grande (425 \mum), lo que confirma la retención de una pluralidad de granos después del
moldeo.

TABLA 12-2c Distribuciones de tamaños de partículas para la Muestra 12-3

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Los datos de la Tabla 12-2c demuestran que los granos individuales más grandes en la distribución de tamaños de la muestra de grano inicial tienen un tamaño de 425 \mum. Los datos iniciales de distribución de tamaños de aglomerado demuestran que 97,5% en peso de los aglomerados son mayores de 425 \mum. Después del moldeo y del lavado, todos los aglomerados retenidos y prensados son mayores de 300 \mum, y 89,9% en peso de los aglomerados son mayores que el grano individual más grande (425 \mum), lo que confirma la retención de una pluralidad de granos después del moldeo.

Estos resultados demuestran que los aglomerados obtenidos de acuerdo con la invención tienen resistencia suficiente para soportar las operaciones de moldeo y manipulación de muela abrasiva comercial. Los granos abrasivos presentes en la muela moldeada retienen una estructura tridimensional característica de los aglomerados iniciales de granos abrasivos. Un porcentaje principal (es decir, al menos 85% en peso) de los aglomerados retienen una pluralidad de granos abrasivos mantenidos en una forma tridimensional de aproximadamente el mismo tamaño que el tamaño inicial de los aglomerados sinterizados después del manejo y del moldeo.

Ejemplo 13

Las estructuras de muelas abrasivas de rectificado fabricadas con los aglomerados de la invención se compararon, con un microscopio electrónico de barrido, con las estructuras de muelas de rectificado comparativas. Las muelas comparativas se obtuvieron sin los aglomerados, pero comprendiendo el mismo grano abrasivo y los mismos materiales ligantes en los mismos porcentajes en volumen de grano, ligante y porosidad que las muelas de rectificado de la invención.

\newpage

Se prepararon aglomerados (muestra no. 66) como se describe en el Ejemplo 10, con la excepción de que la temperatura se mantuvo constante a 1150ºC.

La muestra 66 de aglomerado se obtuvo con 150 libras (68,04 kg) de grano abrasivo (grano de alúmina 32A de grano 80, obtenido en Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) y 10,23 libras (4,64 kg) de Material Aglutinante C (que producía 6,82% en peso de material aglutinante en el aglomerado sinterizado). El Material Aglutinante se dispersó en el Adhesivo 3 (3,75 libras; 1,701 kg) antes de la adición al grano.

Partiendo de la muestra 66 de aglomerado se obtuvieron muelas experimentales como se describe en el Ejemplo 10. Para la comparación, se seleccionaron muelas comerciales comparativas marcadas como 32A80L8VFL, obtenidas en Saint-Gobain Abrasivas, Inc.

Se tomó una fotografía con una ampliación de 40 aumentos de una sección transversal de cada muela. Estas fotografías se muestran en las Figuras 2 (muela experimental con aglomerados) y 3 (muela comparativa sin aglomerados). Se puede ver que los aglomerados y los poros tienen formas y tamaños irregulares y aleatorios. La muela comparativa tiene una estructura mucho más ordenada y regular. En las muelas elaboradas con los aglomerados es posible observar dos tipos de poros: poros intra-aglomerado y poros inter-aglomerado más grandes que aparecen como canales distintos entre aglomerados. A partir del ensayo de permeabilidad de las muelas experimentales se ha establecido que los poros inter-aglomerado están interconectados y hacen que toda la muela sea permeable a los fluidos. De esta manera, las muelas abrasivas de rectificado de la invención presentan una porosidad que incluye una cantidad principal de porosidad interconectada (es decir, al menos 30% en volumen de porosidad interconectada) y, preferiblemente, una distribución bimodal de porosidad. Las muelas abrasivas de rectificado de la invención se caracterizan por tener una estructura compuesta mucho más abierta que las muelas de rectificado
convencionales.

Como se puede observar en las Figuras 2 y 3, la dimensión máxima de los poros inter-aglomerado es aproximadamente 2-20 veces mayor que la dimensión máxima de los poros intra-aglomerado. La relación exacta de tamaños de poros depende de la composición de las muelas. La proporción de 2-20 se aplica a las muelas elaboradas con un intervalo de aproximadamente 8-10 por ciento en volumen de ligante y un tamaño medio de grano abrasivo de aproximadamente 260 micrómetros. En general, para las muelas abrasivas de la invención, cuando el porcentaje en volumen de ligante aumenta desde este intervalo, los poros intra-aglomerado se hacen más pequeños, pero los poros inter-aglomerado retienen una dimensión máxima aproximadamente equivalente a la dimensión máxima del grano abrasivo usado en los aglomerados. Cuando el porcentaje en volumen de ligante disminuye desde este intervalo, los poros intra-aglomerado se hacen relativamente más grandes, pero los poros inter-aglomerado retienen una dimensión máxima aproximadamente equivalente a la dimensión máxima del grano abrasivo usado en los
aglomerados

En exámenes microscópicos adicionales de las muelas obtenidas con aglomerados, particularmente con aglomerados que contienen al menos 6% en peso de material aglutinante, se ha observado que aumentando el porcentaje en peso de material ligante añadido se obtiene una estructura de muela que tiene poros intra-aglomerado mucho más pequeños. Por ejemplo, con un mayor porcentaje en peso de material aglutinante y un mayor porcentaje en volumen de ligante, la relación de tamaños puede ser aproximadamente 20-200 veces mayor para los poros inter-aglomerado que para los poros intra-aglomerado. Se cree que el material ligante añadido a los aglomerados se atrae al interior del área intersticial de los aglomerados durante la mezcla, el moldeo y el procesamiento térmico de las muelas, con lo que se estrecha o se cierra algo de la porosidad intra-aglomerado y finalmente se produce una pérdida de distribución bimodal de poros.

Ejemplo 14

Se prepararon aglomerados sinterizados por un método de lote de horno a partir de los materiales descritos en la Tabla 14-1. El grano abrasivo era grano de alúmina 38A de tamaño de grano 100 (0,173 mm) obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA.

TABLA 14-1 Composición de Aglomerado Sinterizado

30

En la primera etapa de formación de las partículas de aglomerado, el grano abrasivo y las partículas de cáscara de nuez se mezclaron en un mezclador Hobart® (Modelo de laboratorio N-50). Posteriormente, esta mezcla se humedeció con una cantidad eficaz de adhesivo líquido orgánico (una mezcla de 40% de pegamento animal líquido, 30% en peso de ácido maleico en polvo y 30% en peso de agua) para adherir el polvo de material aglutinante al grano. Después de humedecer estas partículas, se añadió y se mezcló una mezcla de polvo que contenía los componentes de material aglutinante (una composición de ligante vitrificado que tenía la composición cocida anteriormente mostrada como "material Aglutinante A"). A continuación, el material aglutinante adherido a las partículas humedecidas y esta mezcla se extendieron libremente sobre una placa cerámica de cocido.

La mezcla se coció a 1230ºC durante cuatro horas en un horno eléctrico de calcinación. Después del cocido, se obtuvieron a partir de la mezcla cocida los aglomerados sinterizados triturando la mezcla en un mortero con un mango de almirez. Los aglomerados sinterizados se clasificaron en tres tamaños con tamices de ensayo normales U.S. montados en un aparato de tamizado vibratorio (Ro-Tap; Modelo RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor OH). La densidad de empaquetamiento suelto (LPD) de los aglomerados sinterizados se midió por el procedimiento de la Norma Nacional Americana para la Densidad Aparente de Granos Abrasivos.

Después del proceso de tamizado, los aglomerados sinterizados tenían formas tridimensionales (que variaban entre triangular, cúbica, rectangular y otras formas geométricas diversas) y eran del tamaño y LPD mostrados en la Tabla 14-2.

TABLA 14-2 Aglomerados Sinterizados Dimensionados

31

Mediante ligeras variaciones de este proceso se realizaron aglomerados adicionales. Las variaciones incluían lo siguiente. La mezcla preparada se tamizó en húmedo a través de tamices de caja (malla 8 a 12) sobre bandejas. A continuación, el material tamizado se secó al aire o en horno. El material se cargó en placas cerámicas. Las placas cerámicas que contenían al material se cocieron en hornos periódicos o de túnel, en condiciones de cocción que variaban de 1225 a 1280 grados C, durante tiempos que variaban de 30 a 360 minutos. El material cocido se extrajo de las placas cerámicas y se procesó a través de un triturador de cilindros para dividir el material en aglomerados.

El material triturado se dimensionó hasta el intervalo adecuado usando un aparato Ro-Tap.

Muelas Abrasivas

Las muelas acabadas tenían un tamaño de 3,0 x 0,525 x 1,25 pulgadas (7,6 x 1,34 x 3,2 cm). La composición de las muelas (porcentaje en volumen de las muelas cocidas) y las propiedades de densidad, permeabilidad al aire, grado y módulo de las muelas se describen en la Tabla 14-3.

TABLA 14-3 Muelas Abrasivas

32

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a. Los aglomerados contenían 97% en
peso de grano de alúmina 38A de grano 100 y 3% en peso de material
Aglutinante A, y se tamizaron hasta un tamaño de partícula de malla
-401+60 (250 a 425  \mu m).\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm}b. La permeabilidad a los fluidos
(aire) se midió por los métodos de ensayo descritos en las Patentes
de Estados Unidos Nº 5.738.696 y 5.738.697, cedidas a la Norton
Company. Los valores de permeabilidad relativa al aire se expresan
en  cc/segundo/pulgada de unidades de agua. (En el aparato se usó
una boquilla de  tamaño 2,2).\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm}c. Con 36% en volumen de grano
abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en
volumen de grano abrasivo (es decir, 1-3% más en
volumen) que  las muelas experimentales obtenidas con
30-40% en volumen de grano aglomerado,  material
aglutinante y porosidad
intra-aglomerado.\end{minipage} \cr}

El ligante usado para las muestras de muela 1, 2 y 3 de la invención era un material ligante vitrificado que tenía la composición molar cocida del material Aglutinante B de la Tabla 2, presentada anteriormente. El ligante usado en la muestra de muela comparativa tenía la composición molar cocida del material Aglutinante A de la Tabla 2.

Los aglomerados sinterizados y la mezcla de ligante de las muestras 1, 2 y 3 de la invención se mezclaron en seco en un mezclador Hobart, se introdujeron en moldes, se prensaron en frío y se cocieron a una temperatura máxima de 735ºC durante 4 horas para formar la muela de rectificado.

La muestra de muela comparativa se obtuvo mezclando los componentes de ligante vitrificado con el grano abrasivo en un mezclador Hobart. El grano abrasivo usado en la muestra comparativa era un grano de alúmina 38A, con tamaño de grano 100 (125 \mum), obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA. Después del mezclado, la mezcla se moldeó, se prensó y se coció a 1230ºC durante 4 horas para formar la muela de rectificado.

Ensayo de Rectificado 14-A

Las muelas de la invención y las muelas comparativas se ensayaron en un ensayo de diámetro interno, con alimentación progresiva, usando las siguientes condiciones.

Condiciones de Rectificado

Máquina: Heald CF, Rectificadora DE/DI (Diámetro externo/Diámetro interno)

Modo: Rectificado de Diámetro interno (DI) con alimentación progresiva.

Velocidad de la muela: 6,319 rpm; 4,968 pies de superficie por minuto (25 m/seg)

Velocidad de trabajo: 20 rpm

Modo de rectificado: concurrente con penetración de DI

Velocidad de alimentación: 0,025 pulgadas (0,64 mm/0,050 pulgadas (1,27 mm) en diámetro.

Refrigerante: Trim E210, proporción 5% con agua de pozo desionizada, 9 galones/minuto (34 l/minuto).

Material de la pieza de trabajo: Acero 52100 4 pulgadas (10,2 cm) de diámetro interno x 0,250 pulgadas (1 cm), dureza Rc-62,0

Reavivación giratoria: AX1440, compensación 0,0005 pulgadas, avance 0,005 pulgadas, 2600 rpm.

En estos ciclos de rectificado, se midieron las velocidades máximas de eliminación de material (MRR) en el quemado inicial de la pieza de trabajo (o en el fallo inicial de la muela) y se observaron los resultados. Los resultados de estos ensayos de rectificado se muestran en la Tabla 14-4.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 14-4 Resultados del Ensayo de Rectificado

33

Los resultados muestran que las muelas de rectificado realizadas de acuerdo con la invención eran superiores en MRR con respecto a las muelas comparativas de rectificado más parecidas, y el rendimiento superior no provocaba un excesivo consumo de energía (energía específica W.s/mm^{3}) ni deterioro de la superficie de la pieza de trabajo. Las muelas experimentales también presentaron mejoras en la relación-G y en el índice de rectificabilidad. Además, el tamaño de grano usado en los aglomerados sinterizados de las muelas de la invención era más pequeño que el tamaño de grano del grano usado en la muela comparativa. Siendo iguales el resto de las variables, un tamaño más pequeño de grano produce una menor relación-G y un menor índice de rectificabilidad. De esta manera, el rendimiento superior de las muelas de la invención es significativo e inesperado.

Ensayo de Rectificado 14-B

Se realizó una segunda serie de ciclos de rectificado con el mismo grupo de muestras de muelas en las siguientes condiciones de rectificado superficial, usando acero 4340 como pieza de trabajo.

Condiciones de Rectificado

Máquina: Rectificadora Brown & Sharp Micr-a-size

Modo: Rectificado superficial con alimentación progresiva

Velocidad de muela: 6.000 rpm

Velocidad de la mesa:0

Avance descendente: 1,270 mm

Alimentación:1,270 mm

Refrigerante: Trim VHPE 210, proporción 1:20 con agua de pozo desionizada, 9 galones/minuto (34 l/minuto)

Material de la pieza de trabajo: Acero 4340; dureza 51 Rc; 95,4 mm de longitud, 203,2 mm de anchura

Reavivación: herramienta de diamante de un solo punto, compensación 0,025 mm, velocidad 254 mm/minuto

TABLA 14-5 Resultados del Ensayo de Rectificado (Promedio de Múltiples Ciclos)

34

\newpage

Los resultados demuestran que las muelas de rectificado obtenidas de acuerdo con la invención eran superiores en relación-G y en índice de rectificabilidad con respecto a las muelas comparativas de rectificado más parecidas, y el rendimiento superior no provocaba un excesivo consumo de energía ni deterioro de la superficie de la pieza de trabajo.

Ejemplo 15

Se realizaron muelas abrasivas adicionales a partir de aglomerados sinterizados preparados de acuerdo con el método del Ejemplo 14, con la excepción de que en las muestras de aglomerado sinterizado se usaron diferentes tipos de granos abrasivos y materiales aglutinantes. Las composiciones de los aglomerados y de las muelas abrasivas se indican en la Tabla 15-1. En las muelas de la invención, los materiales de ligante vitrificado se seleccionaron para que tuvieran una temperatura de fusión al menos 150ºC más alta que la temperatura de fusión de los materiales aglutinantes de los aglomerados usados para realizar las muelas.

Todos los aglomerados sinterizados contenían 3% en peso de material aglutinante y 97% en peso de grano y se tamizaron para que tuvieran un tamaño de partícula de malla -20/+45 (tamaño de tamiz US convencional) (de 355 a 850 \mum).

Las muelas acabadas tenían un tamaño de 7,0 x 0,50 x 1,25 pulgadas (17,8 x 1,27 x 3,2 cm). La composición de las muelas (porcentaje en volumen de las muelas cocidas) y las propiedades de densidad y módulo de las muelas se describen en la Tabla 15-1.

El ligante para las muelas experimentales tenía la composición molar del material Aglutinante B de la Tabla 2 y las muelas realizadas con este ligante se cocieron a 735ºC durante 4 horas. Las muelas comparativas se realizaron con un ligante vitrificado que tenía la composición molar del material Aglutinante C de la Tabla 2 y estas muelas se cocieron a 900ºC durante 8 horas. Las muelas comparativas fabricadas sin aglomerados sinterizados contenían 40% en volumen de grano abrasivo y 10,26% en volumen de ligante vitrificado (dureza de grado H) o 6,41% en volumen de ligante vitrificado (dureza de grado F).

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 15-1 Aglomerados y Muelas Abrasivas

35

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{150mm}a. Con 40% en volumen de grano
abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en
volumen de grano abrasivo (es decir, aproximadamente
2-3% más en volumen) que las muelas experimentales
obtenidas con 40% en volumen de  grano aglomerado, material
aglutinante y porosidad
intra-aglomerado.\end{minipage} \cr 
 \begin{minipage}[t]{150mm}b. La permeabilidad a los fluidos
(aire) se midió por los métodos de ensayo descritos en las Patentes
de Estados Unidos Nº 5.738.696 y 5.738.697, cedidas a la Norton
Company. Los valores de permeabilidad al aire relativa se expresan
en unidades de  agua de cc/segundo/pulgada. (Se usó una boquilla de
tamaño
2,2).\end{minipage} \cr}

Las propiedades de estas muelas, especialmente los valores de permeabilidad al aire dentro de un grado individual de muela, demuestran un mayor grado de porosidad interconectada en las estructuras de las muelas experimentales realizadas a partir de grano abrasivo aglomerado que el de las muelas comparativas elaboradas para el mismo porcentaje en volumen de porosidad y grado con el mismo grano y los mismos materiales aglutinantes. Esta diferencia estructural se ha observado en diferentes grados de dureza de muela, con diferentes tipos de grano y aglutinante y para diferentes porcentajes en volumen de los componentes de las muelas abrasivas.

Claims

1. Una herramienta abrasiva ligada, que tiene una estructura permeable al flujo de fluidos, comprendiendo la herramienta:

a): aproximadamente 5-75% en volumen de aglomerados sinterizados, que comprenden una pluralidad de granos abrasivos fijados con un material aglutinante, estando caracterizado el material aglutinante por una temperatura de fusión comprendida entre 500 y 1400ºC, y teniendo los aglomerados sinterizados una forma tridimensional y una distribución de tamaños inicial antes de la fabricación de la herramienta;

b): un ligante;

c): aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo la porosidad al menos 30% en volumen de porosidad interconectada;

2. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde los aglomerados sinterizados tienen una densidad de empaquetamiento suelto \leq 1,6 g/cc antes de la fabricación de la herramienta.

3. La herramienta abrasiva de la reivindicación 2, donde el ligante es un ligante vitrificado.

4. La herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado de la reivindicación 3, donde la herramienta comprende una distribución de porosidad bimodal de poros intraaglomerado y porosidad interconectada.

5. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados tienen un tamaño dentro de la distribución de tamaños inicial después de la fabricación de la herramienta.

6. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde el material aglutinante comprende un material seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales cerámicos, material vitrificados, composiciones de ligante vitrificado y combinaciones de los mismos.

7. La herrramienta abrasiva ligada de la reivindicación 6, donde la temperatura de fusión del material aglutinante es de aproximadamente 800 a 1.300ºC.

8. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 6, donde el material aglutinante es una composición ligante vitrificada que comprende una composición de óxido cocida de 71% en peso de SiO_{2} y B_{2}O_{3}, 14% en peso de Al_{2}O_{3}, menos de 0,5% en peso de óxidos alcalinotérreos y 13% en peso de óxidos alcalinos.

9. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 5, donde el material aglutinante es un material cerámico seleccionado entre sílice, silicatos alcalinos, alcalinotérreos y mixtos alcalino y alcalinotérreos, silicatos de aluminio, silicatos de circonio, silicatos hidratados, aluminatos, óxidos, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos y combinaciones y derivados de los mismos.

10. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la porosidad interconectada se obtiene sin el uso de un medio inductor de poros durante la fabricación de la herramienta.

11. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la herramienta abrasiva ligada tiene una densidad máxima de 2,2 g/cc.

12. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la porosidad interconectada de la herramienta se caracteriza por un valor de permeabilidad relativa al aire (Q/P) en cc/segundo/pulgada de agua al menos 10% mayor que el valor de Q/P de una herramienta abrasiva ligada comparable fabricada con el mismo grano abrasivo y los mismos materiales ligantes a los mismos porcentajes en volumen de porosidad y ligante, pero sin los aglomerados sinterizados.

13. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde los aglomerados sinterizados tienen una dimensión de tamaño medio de dos a veinte veces mayor que el tamaño medio del grano abrasivo.

14. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 13, donde el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 200 a 3.000 micrómetros de diámetro medio.

15. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 13, donde los granos abrasivos son granos microabrasivos y el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 5 a 180 micrómetros de diámetro medio.

16. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde el diámetro medio de los aglomerados sinterizados no es mayor que una dimensión media de la porosidad interconectada cuando la porosidad interconectada se mide en un punto de apertura máxima.

17. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 2, donde la herramienta comprende de 35 a 52% en volumen de aglomerados sinterizados, de 3 a 13% en volumen de ligante vitrificado y de 35 a 70% en volumen de porosidad.

18. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 17, donde el ligante se selecciona entre el grupo compuesto por ligantes orgánicos y ligantes metálicos.

19. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la herramienta comprende además al menos un componente seleccionado entre el grupo compuesto por grano abrasivo secundario, materiales de carga, adyuvantes de rectificado, medios inductores de poros y combinaciones de los mismos.

20. Una herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado que tiene una estructura permeable al flujo de fluidos, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 5-75% en volumen de aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos con un material aglutinante, caracterizándose el material aglutinante por una viscosidad A a la temperatura de fusión del material aglutinante;

b) un ligante vitrificado caracterizado por un viscosidad B a la temperatura de fusión del material aglutinante, siendo la viscosidad B al menos 33% inferior que la viscosidad A;

y

21. La herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado de la reivindicación 20, donde la viscosidad A del material aglutinante es de 345 a 55.300 poise a 1180ºC.

22. La herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado de la reivindicación 20, donde la viscosidad B del material ligante vitrificado es de 30 a 37.000 poise a 1180ºC.

23. La herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado de la reivindicación 20, donde los aglomerados sinterizados tiene una forma tridimensional inicial y una distribución de tamaños inicial y, después de la fabricación de la herramienta con los aglomerados sinterizados, al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados dentro de la herramienta retienen una pluralidad de granos abrasivos mantenidos en una forma tridimensional, y al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados tienen un tamaño dentro de la distribución de tamaños inicial.

24. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde la herramienta tiene una densidad máxima de 2,2 g/cc.

25. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde el material aglutinante comprende un material seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales cerámicos, materiales vitrificados, composiciones de ligante vitrificado y combinaciones de los mismos.

26. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde la temperatura de fusión del material aglutinante es de 800 a 1.300ºC.

27. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde la porosidad interconectada se obtiene sin el uso de un medio inductor de poros durante la fabricación de la herramienta.

28. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde la porosidad interconectada de la herramienta se caracteriza por un valor de permeabilidad relativa al aire (Q/P) en cc/segundo/pulgada de agua al menos 10% mayor que el valor de Q/P de una herramienta abrasiva ligada comparable fabricada con el mismo grano abrasivo y los mismos materiales ligantes a los mismos porcentajes en volumen de porosidad y ligante, pero sin los aglomerados sinterizados.

29. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde los aglomerados sinterizados tienen una densidad de empaquetamiento suelto inicial \leq 1,6 g/cc antes de la fabricación de la herramienta.

30. Una herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado, que tiene una estructura permeable al flujo de fluidos, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 5-60% en volumen de aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos con un material aglutinante, caracterizándose el material aglutinante por una temperatura de fusión A;

b) un ligante vitrificado caracterizado por una temperatura de fusión B, siendo la temperatura de fusión B al menos 150ºC menor que la temperatura de fusión A; y

31. La herramienta abrasiva ligada con ligante vitrificado de la reivindicación 30, donde los aglomerados sinterizados tienen una forma tridimensional inicial y una distribución inicial de tamaños y, después de la fabricación de la herramienta con los aglomerados sinterizados, al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados dentro de la herramienta retienen una pluralidad de granos abrasivos mantenidos en una forma tridimensional, y al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados tienen un tamaño dentro de la distribución de tamaños inicial.

32. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 30, donde la herramienta tiene una densidad máxima de 2,2 g/cc.

33. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 30, donde el material aglutinante comprende un material seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales cerámicos, materiales vitrificados, composiciones de ligante vitrificado y combinaciones de los mismos.

34. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 30, donde la temperatura de fusión A del material aglutinante es de 950 a 1.300ºC.

35. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 30, donde la porosidad interconectada se obtiene sin el uso de un medio inductor de poros durante la fabricación de la herramienta.

36. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 30, donde la porosidad interconectada de la herramienta se caracteriza por un valor de permeabilidad relativa al aire (Q/P) en cc/segundo/pulgada de agua al menos 10% mayor que el valor de Q/P de una herramienta abrasiva ligada comparable fabricada con el mismo grano abrasivo y los mismos materiales ligantes a los mismos porcentajes en volumen de porosidad y ligante, pero sin los aglomerados sinterizados.

37. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 20, donde los aglomerados sinterizados tienen una densidad de empaquetamiento suelto inicial \leq 1,6 g/cc, antes de la fabricación de la herramienta.

38. Una herramienta abrasiva ligada, que tiene una estructura permeable al flujo de fluidos, comprendiendo la herramienta:

a) aproximadamente 34-56% en volumen de grano abrasivo;

b) aproximadamente 3-25% en volumen de ligante; y

c) aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo al menos 30% en volumen de porosidad interconectada; y

careciendo la herramienta sustancialmente de medios inductores de porosidad y de materiales de forma alargada con una relación de dimensiones entre la longitud y la anchura en sección transversal de al menos 5:1.

39. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 38, donde 5-100% en volumen del grano abrasivo consta de un grano abrasivo mantenido dentro de aglomerados sinterizados tridimensionales, y los aglomerados sinterizados comprenden una pluralidad de granos abrasivos con un material aglutinante, caracterizándose el material aglutinante por una temperatura de fusión comprendida entre 500 y 1.400ºC.

40. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 38, donde el ligante es un ligante vitrificado.

41. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde el material aglutinante comprende un material seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales cerámicos, materiales vitrificados, composiciones ligantes vitrificadas y combinaciones de los mismos.

42. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 38, donde la porosidad interconectada de la herramienta se caracteriza por un valor de permeabilidad relativa al aire (Q/P) en cc/segundo/pulgada de agua al menos 10% mayor que el valor de Q/P de una herramienta abrasiva ligada comparable fabricada con el mismo grano abrasivo y los mismos materiales ligantes a los mismos porcentajes en volumen de porosidad y ligante, pero sin los aglomerados sinterizados.

43. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde los aglomerados sinterizados tienen una densidad de empaquetamiento suelto inicial \leq 1,6 g/cc antes de la fabricación de la herramienta.

\newpage

44. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde la herramienta abrasiva ligada tiene una distribución de porosidad bimodal de poros intraaglomerado y porosidad interconectada.

45. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde la herramienta comprende además al menos un componente seleccionado entre el grupo compuesto por granos abrasivos secundarios, materiales de carga, adyuvantes de rectificado y combinaciones de los mismos.

46. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 200 a 3.000 micrómetros de diámetro medio.

47. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde los granos abrasivos son granos microabrasivos y el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 5 a 180 micrómetros de diámetro medio.

48. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 39, donde el diámetro medio de los aglomerados sinterizados no es mayor que la dimensión media de la porosidad interconectada cuando la porosidad interconectada se mide en un punto de apertura máxima.

49. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 40, donde la herramienta tiene una densidad máxima de 2,2 g/cc.

50. Una herramienta abrasiva que comprende de 5 a 75% en volumen de aglomerados de grano abrasivo, fabricada por un método que comprende la etapas de:

a) suministrar grano abrasivo y un material aglutinante seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales ligantes vitrificados, materiales vitrificados, materiales cerámicos, adhesivos inorgánicos, adhesivos orgánicos y combinaciones de los mismos, a un horno de calcinación rotatorio a una velocidad de alimentación controlada;

b) hacer girar el horno a una velocidad controlada;

d) voltear la mezcla en el horno hasta que el material aglutinante se adhiera al grano y una pluralidad de granos se adhieran entre sí para crear una pluralidad de aglomerados sinterizados;

e) recuperar los aglomerados sinterizados del horno, constando los aglomerados sinterizados de una pluralidad de granos abrasivos ligados entre sí por el material aglutinante y teniendo una forma tridimensional inicial y una densidad de empaquetamiento suelto \leq 1,6 g/cc;

f) moldear los aglomerados sinterizados para dar un cuerpo compuesto conformado; y

51. La herramienta abrasiva de la reivindicación 50, que incluye además la etapa de mezclar los aglomerados sinterizados con un material ligante para formar una mezcla aglomerada.

52. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 51, donde el material ligante es un material ligante vitrificado.

53. La herramienta abrasiva ligada vitrificada de la reivindicación 52, donde el ligante vitrificado tiene una temperatura de cocción de ligante al menos 150ºC menor que la temperatura de fusión del material aglutinante.

54. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde el material aglutinante comprende un material seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales cerámicos, materiales vitrificados, composiciones ligantes vitrificadas y combinaciones de los mismos.

55. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 54, donde la temperatura de fusión del material aglutinante es de aproximadamente 800 a 1.300ºC.

56. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 55, donde el material aglutinante se caracteriza por una viscosidad de aproximadamente 30 a 55.300 poise a la temperatura de fusión del material aglutinante.

57. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 55, donde el material aglutinante es una composición ligante vitrificada que comprende una composición de óxido cocida de 71% en peso de SiO_{2} y B_{2}O3, 14% en peso de Al_{2}O_{3}, menos de 0,5% en peso de óxidos alcalinotérreos y 13% en peso de óxidos alcalinos.

58. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 54, donde el material aglutinante es un material cerámico seleccionado entre sílice, silicatos alcalinos, alcalinotérreos y mixtos alcalino y alcalinotérreos, silicatos de aluminio, silicatos de circonio, silicatos hidratados, aluminatos, óxidos, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos y combinaciones y derivados de los mismos.

59. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde la porosidad interconectada se obtiene sin la adición de un medio inductor de poros.

60. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde la herramienta comprende además aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo al menos 30% en volumen de porosidad interconectada.

61. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 52, donde la herramienta tiene una densidad máxima de 2,2 g/cc.

62. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde los aglomerados sinterizados tienen una dimensión de tamaño medio de 2 a 20 veces mayor que el tamaño medio del grano abrasivo.

63. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 200 a 3.000 micrómetros de diámetro medio.

64. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde los granos abrasivos son granos microabrasivos y el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 5 a 180 micrómetros de diámetro medio.

65. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 60, donde la porosidad interconectada de la herramienta se caracteriza por un valor de permeabilidad relativa al aire (Q/P) en cc/segundo/pulgada de agua al menos 10% mayor que el valor de Q/P de una herramienta abrasiva ligada comparable fabricada con el mismo grano abrasivo y los mismos materiales ligantes a los mismos porcentajes en volumen de porosidad y ligante, pero sin los aglomerados sinterizados.

66. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 51, donde la herramienta comprende de 35 a 52% en volumen de aglomerados sinterizados, de 3 a 13% en volumen de ligante vitrificado y de 35 a 70% en volumen de porosidad.

67. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 50, donde la herramienta comprende además al menos un componente seleccionado entre el grupo compuesto por grano abrasivo secundario, materiales de carga, adyuvantes de rectificado, medios inductores de poros y combinaciones de los mismos.

68. Un método de rectificado, que comprende las etapas de:

a) proporcionar una herramienta abrasiva ligada que tiene una estructura permeable al flujo de fluidos, comprendiendo la herramienta:

1): 5 a 75% en volumen de aglomerados sinterizados que comprenden una pluralidad de granos abrasivos fijados con un material aglutinante, caracterizándose el material aglutinante por una temperatura de fusión comprendida entre 500 y 1.400ºC, y teniendo los aglomerados sinterizados una forma tridimensional y teniendo una distribución de tamaños inicial antes de la fabricación de la herramienta;

2): una ligante; y

3): aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo al menos 30% en volumen de porosidad interconectada;

donde al menos 50% en peso de los aglomerados sinterizados dentro de la herramienta abrasiva ligada retienen una pluralidad de granos abrasivos mantenidos en una forma tridimensional después de la fabricación de la herramienta;

b) poner en contacto la herramienta abrasiva ligada con una pieza de trabajo; y

c) raspar la superficie de la pieza de trabajo con la herramienta abrasiva ligada.

69. Un método de rectificado, que comprende las etapas de:

1): aproximadamente 34-56% en volumen de grano abrasivo;

2): aproximadamente 3-25% en volumen de ligante; y

3): aproximadamente 35-80% en volumen de porosidad total, incluyendo la menos 30% en volumen de porosidad interconectada; careciendo la herramienta sustancialmente de medios inductores de porosidad y de materiales de forma alargada con una relación de dimensiones entre la longitud y la anchura en sección transversal de al menos 5:1;

b) poner en contacto la herramienta abrasiva ligada con un pieza de trabajo; y

70. Un método de aglomeración de granos abrasivos, que comprende las etapas de:

a) suministrar el grano y un material aglutinante seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales ligantes vitrificados, materiales vitrificados, materiales cerámicos, adhesivos inorgánicos, adhesivos orgánicos, agua, disolvente, y combinaciones de los mismos, en un horno de calcinación rotatorio a una velocidad de alimentación controlada;

b) hacer girar el horno a una velocidad controlada;

d) voltear el grano y el material aglutinante en el horno hasta que el material aglutinante se adhiera al grano y un pluralidad de granos se adhieran entre sí para crear un pluralidad de aglomerados sinterizados; y

e) recuperar los aglomerados sinterizados del horno, con lo que los aglomerados sinterizados tienen una forma tridimensional inicial, una densidad de empaquetamiento suelto \leq 1,6 g/cc y comprenden una pluralidad de granos abrasivos.

71. El método de la reivindicación 70, que comprende además la etapa de fabricar una mezcla uniforme del grano abrasivo y el material aglutinante y después suministrar la mezcla al horno de calcinación rotatorio.

72. El método de la reivindicación 70, donde la mezcla se voltea en el horno de calentamiento durante aproximadamente 0,25 a 2,0 horas.

73. El método de la reivindicación 70, donde los aglomerados sinterizados son de 2 a 20 veces mayores en tamaño que el grano abrasivo.

74. El método de la reivindicación 70, donde el horno se inclina con un ángulo de inclinación de aproximadamente 0,5 a 5 grados.

75. El método de la reivindicación 70, donde el horno se hace girar a una velocidad de 0,5 a 10 rpm.

76. El método de la reivindicación 71, donde la mezcla se introduce en el horno a un velocidad de alimentación de aproximadamente 5 a 910 kg/h.

77. El método de la reivindicación 71, donde la velocidad de alimentación de la mezcla se fija de tal manera que la mezcla ocupe 8-12% en volumen del volumen del horno.

78. El método de la reivindicación 70, donde los aglomerados sinterizados tienen una resistencia mínima de aplastamiento de 0,5 a una fracción de aplastamiento de 50% en un ensayo de compactación.

79. El método de la reivindicación 71, donde la mezcla comprende además al menos un componente seleccionado entre el grupo compuesto por granos abrasivos secundarios, materiales de carga, adyuvantes de rectificado, medios inductores de poros y combinaciones de los mismos.

80. El método de la reivindicación 71, donde la mezcla comprende además medios inductores de poros seleccionados entre el grupo compuesto por esferas de vidrio huecas, cáscaras de nuez trituradas, esferas huecas o perlas de material plástico o compuestos orgánicos, partículas de vidrio celular, mullita con burbujas y alúmina con burbujas, y combinaciones de los mismos.

81. El método de la reivindicación 70, donde el grano y el material aglutinante se calientan a una temperatura de 800-1200ºC en el horno.

82. El método de la reivindicación 81, donde la temperatura es eficaz para hacer que el material aglutinante se funda y fluya y la viscosidad del material aglutinante fundido es al menos de 300 poise.

83. El método de la reivindicación 71, donde la mezcla uniforme se aglomera para formar aglomerados verdes y después los aglomerados verdes se suministran al interior del horno de calcinación rotatorio.

84. Aglomerados sinterizados de grano abrasivo, obtenidos por un método que comprende las etapas:

a) suministrar el grano abrasivo con un material aglutinante a un horno de calcinación rotatorio a una velocidad de alimentación controlada;

b) hacer girar el horno a una velocidad controlada;

d) voltear el grano y el material aglutinante en el horno hasta que el material aglutinante se adhiera al grano y un pluralidad de granos se adhieran entre sí para crear una pluralidad de aglomerados sinterizados; y

e) recuperar los aglomerados sinterizados del horno, con lo que los aglomerados sinterizados tienen una forma tridimensional inicial, una densidad de empaquetamiento suelto \leq 1,6 g/cc y contienen una pluralidad de granos abrasivos.

85. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, que comprenden además al menos un componente seleccionado entre el grupo compuesto por granos abrasivos secundarios, materiales de carga, adyuvantes de rectificado, medios inductores de poros y combinaciones y mismos.

86. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, donde el material aglutinante comprende un material seleccionado entre el grupo compuesto esencialmente por materiales ligantes vitrificados, materiales vitrificados, materiales cerámicos, adhesivos inorgánicos, adhesivos orgánicos, materiales ligantes orgánicos, materiales ligantes metálicos y combinaciones de los mismos.

87. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, que comprenden además la etapa de fabricar una mezcla uniforme del grano abrasivo y el material aglutinante y después suministrar la mezcla al horno de calcinación rotatorio.

88. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, donde los aglomerados sinterizados tienen una dimensión de tamaño medio de dos a veinte veces mayor que el tamaño medio del grano abrasivo.

89. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, donde el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 200 a 3.000 micrómetros de diámetro medio.

90. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, donde los granos abrasivos son granos microabrasivos y el intervalo de tamaños inicial de los aglomerados sinterizados es de 5 a 180 micrómetros de diámetro medio.

91. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, donde el gránulo comprende aproximadamente 30-88% en volumen de porosidad.

92. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 91, donde hasta 75% en volumen de la porosidad comprende porosidad interconectada.

93. Los aglomerados sinterizados de la reivindicación 84, donde la densidad relativa de los aglomerados, medida por una técnica de volumen de desplazamiento de fluido y expresada como una relación entre el volumen de los aglomerados y el volumen aparente del grano abrasivo y el material aglutinante usado para fabricar los aglomerados, es un máximo de 0,7.