ES2253123A1 - Articulos abrasivos con nuevas estructuras y metodos de rectificado. - Google Patents

Articulos abrasivos con nuevas estructuras y metodos de rectificado.

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Abstract

Herramientas abrasivas ligadas, que tienen nuevas estructuras porosas que son permeables a flujo de fluidos, comprenden un porcentaje en volumen relativamente bajo de grano abrasivo y ligante y un grado de dureza relativamente bajo, pero se caracterizan por una excelente resistencia mecánica y comportamiento de rectificado. Se describen métodos para fabricar las herramientas abrasivas utilizando granos abrasivos aglomerados.

Description

Artículos abrasivos con nuevas estructuras y métodos para rectificado.
Solicitudes relacionadas
Esta solicitud es una continuación en parte del documento de Estados Unidos con el número de serie 10/120.969, presentado el 11 de abril de 2002, y una continuación en parte del documento de Estados Unidos con el número de serie 10/328.802, presentado el 24 de diciembre de 2002. Los contenidos enteros del documento de Estados Unidos con el número de serie 10/120.969 y el documento de Estados Unidos con el número de serie 10/328.802 se incorporan en este documento como referencia.
Antecedentes de la invención
La invención se refiere a artículos o herramientas abrasivas ligadas, tales como muelas de rectificado, segmentos de rectificado, discos de rectificado y piedras de amolar, que tienen nuevas estructuras de composición, a métodos para fabricar tales herramientas para crear estas nuevas estructuras de herramienta, y a métodos de rectificado, pulido o acabado de superficies usando tales herramientas.
Las herramientas abrasivas ligadas constan de compuestos abrasivos tridimensionales rígidos, y típicamente monolíticos, en forma de muelas, discos, segmentos, puntos montados, piedras de amolar y otras conformaciones de herramienta, que tienen un agujero central u otro medio para montarse sobre un tipo particular de aparato o máquina de rectificado, pulido, o afilado. Estos compuestos comprenden tres elementos o fases estructurales: grano abrasivo, ligante y porosidad.
Las herramientas abrasivas ligadas se han fabricado en una diversidad de "grados" y "estructuras" que se han definido de acuerdo con la práctica en la técnica por la dureza relativa y la densidad del compuesto abrasivo (grado) y por el porcentaje en volumen de grano abrasivo, ligante y porosidad dentro del compuesto (estructura).
Durante casi 70 años, el grado y la estructura de las herramientas se han considerado los elementos de predicción más fiables de la dureza de la herramienta abrasiva ligada, la velocidad de desgaste de la herramienta, las demandas de potencia de rectificado y la consistencia de la fabricación. El grado y la estructura se establecieron por primera vez como directrices de fabricación fiables en la patente de Estados Unidos Nº-A-1.983.082, de Howe, et al. Howe describe un método de fabricación volumétrico útil para solucionar las dificultades entonces persistentes que surgían con la calidad inconsistente de los compuestos abrasivos y el comportamiento inconsistente de rectificado. En este método, se seleccionan los porcentajes volumétricos relativos de los tres constituyentes estructurales para producir una herramienta con un grado deseado de dureza y con otras características físicas deseadas. Conociendo el volumen deseado de la herramienta acabada, se calculan los pesos de lote de los componentes de grano abrasivo y ligante necesarios para fabricar la herramienta a partir del volumen de la herramienta, los porcentajes volumétricos relativos y las densidades de material de los componentes de grano abrasivo y ligante. De esta manera, era posible crear un esquema de estructura convencional para una composición de ligante definida y, en ensayos de fabricación posteriores, leer porcentajes volumétricos relativos a partir del esquema de estructura convencional para fabricar herramientas abrasivas ligadas con un grado de dureza consistente para un porcentaje en volumen dado de grano abrasivo, ligante y porosidad. Se observó que el rendimiento de rectificado era coherente entre un lote de fabricación y otro cuando el grado y la estructura se habían mantenido constantes.
Para muchas operaciones de rectificado, se ha demostrado que el control de la cantidad y tipo de porosidad en el compuesto, particularmente la porosidad de una naturaleza permeable o una naturaleza interconectada, mejora la eficacia de rectificado y protege la calidad de la pieza de trabajo que se está rectificando del deterioro térmico o mecánico.
Cualquier compuesto abrasivo tridimensional consta de la suma de los porcentajes en volumen relativos de sus tres constituyentes: grano abrasivo, ligante y porosidad. La suma de los porcentajes en volumen de estos constituyentes debe ser igual a 100 por ciento en volumen; por lo tanto, las herramientas que tienen un alto porcentaje de porosidad deben tener porcentajes proporcionalmente inferiores de ligante y/o grano abrasivo. En la fabricación de herramientas abrasivas ligadas, se pueden conseguir más fácilmente porcentajes en volumen relativamente altos de porosidad (por ejemplo, 40-70% en volumen) en herramientas de rectificado de precisión fabricadas con materiales ligantes inorgánicos rígidos (por ejemplo, ligantes vitrificados o cerámicos) y tamaños de grano relativamente pequeños (por ejemplo, tamaños de grano Norton 46-220), que en herramientas de rectificado de desbaste hechas con materiales ligantes orgánicos y tamaños de grano relativamente grandes (por ejemplo, tamaños de grano Norton de 12-120). Los compuestos abrasivos de alta porosidad porosos fabricados con tamaños de grano mayores, mayores porcentajes en volumen de grano y materiales ligantes orgánicos más blandos tienen una tendencia a desplomarse o a estratificarse durante las fases intermedias de moldeo y curado de la fabricación de la herramienta de rectificado. Por estas razones, las herramientas abrasivas ligadas disponibles en el mercado fabricadas con materiales ligantes orgánicos a menudo se moldean de manera que no contengan porosidad, y típicamente no contienen más de 30% en volumen de porosidad. Raras veces exceden de 50% en volumen de porosidad.
La porosidad natural debida al empaquetamiento de los granos abrasivos y las partículas de ligante durante el moldeo por presión normalmente es insuficiente para conseguir una alta porosidad en las herramientas abrasivas ligadas. Pueden añadirse inductores de porosidad, tales como alúmina con burbujas y naftaleno, a las mezclas compuestas de abrasivo y ligante para permitir el moldeo por presión y la manipulación de un artículo abrasivo no curado poroso y para producir un porcentaje de porosidad en volumen adecuado en la herramienta final. Algunos inductores de poros (por ejemplo, alúmina con burbujas y esferas de vidrio) crearán una porosidad de celdas cerradas dentro de la herramienta. Los inductores de poros de celdas cerradas añadidos para conseguir altos porcentajes de porosidad previenen la formación de canales abiertos o porosidad interconectada, previniendo o reduciendo de esta manera el flujo de fluido a través del cuerpo de la herramienta, tendiendo por lo tanto a aumentar las fuerzas de rectificado y el riesgo de deterioro térmico. Los inductores de poros de celdas abiertas deben eliminarse de la matriz abrasiva por quemado (por ejemplo, cáscaras de nuez y naftaleno), ocasionando diversas dificultades de fabricación.
Además, las densidades de los inductores de poros, materiales ligantes y granos abrasivos varían significativamente, haciendo que sea difícil controlar la estratificación de la mezcla abrasiva durante la manipulación y el moldeo, Liando como resultado a menudo una pérdida de homogeneidad en la estructura tridimensional del artículo abrasivo acabado. Una distribución homogénea uniforme de los tres constituyentes del compuesto abrasivo se ha considerado un aspecto clave para conseguir una calidad consistente de la herramienta y, en el caso de muelas de rectificado, importante en el funcionamiento seguro de las muelas a las altas velocidades de rotación necesarias para el rectificado (por ejemplo, más de 4000 pies de superficie por minuto (sfpm)).
Se ha descubierto que el porcentaje en volumen de porosidad interconectada, o permeabilidad de fluido, es un determinante más significativo del rendimiento de rectificado de los artículos abrasivos que el mero porcentaje en volumen de porosidad (véase la Patente de Estados Unidos N°-A-5.738.696 de Wu). La porosidad interconectada permite eliminar el residuo de rectificado (barro de amolado) y el paso del fluido de refrigeración al interior de la muela durante el rectificado. La existencia de porosidad interconectada puede confirmarse midiendo la permeabilidad de la muela al flujo de aire en condiciones controladas. La Patente de Estados Unidos N°-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 filamentoso 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.
Ahora se ha descubierto que pueden fabricarse herramientas abrasivas ligadas con un porcentaje de porosidad relativamente alto y un porcentaje de grano abrasivo relativamente bajo, sin sacrificar la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste de la herramienta, aunque el grado de dureza de la herramienta pronostique una resistencia mecánica relativamente deficiente. En el caso de las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico, ahora es posible fabricar herramientas con porcentajes relativos de grano abrasivo, ligante y porosidad que formen estructuras desconocidas entre herramientas abrasivas ligadas comerciales. Estas nuevas estructuras incluyen herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico donde la fase continua del compuesto abrasivo consta del constituyente de porosidad. En un método preferido para crear estas nuevas estructuras, se ha aglomerado la mayor parte del grano abrasivo con un material aglutinante antes de la mezcla, moldeo y procesamiento térmico de la herramienta abrasiva ligada.
Se ha notificado que los granos abrasivos aglomerados mejoran la eficacia de rectificado por mecanismos no relacionados con la cantidad o carácter de la porosidad de la herramienta abrasiva ligada. Los granos abrasivos se han aglomerado para diversos fines, siendo un fin principal entre ellos permitir el uso de una partícula de tamaño de grano abrasivo más pequeño ("de grano más pequeño") para conseguir la misma eficacia de rectificado que con un tamaño de grano abrasivo más grande, o producir un acabado de superficie más liso sobre la pieza de trabajo que se está rectificando. En muchos casos, el grano abrasivo se ha aglomerado para conseguir una estructura menos porosa y una herramienta de rectificado más densa, que tenga granos abrasivos ligados más fuertemente.
Se han fabricado muelas de rectificado de engranajes de porosidad muy baja (por ejemplo, una porosidad menor de aproximadamente 5% en volumen) a partir de compuestos abrasivos ligados vitrificados prensados reformados por medio de la unión de los compuestos en una resina epoxídica. Estas muelas de rectificado de engranajes "compuestas" han estado disponibles en el mercado durante varios años (en Saint-Gobain Abrasives, GmbH, inicialmente Efesis Schleiftechnik GmbH, Gerolzhofen, Alemania).
La Patente de Estados Unidos N°-A-2.216.728 de Benner describe agregados de grano abrasivo/ligante fabricados con cualquier tipo de ligante. La razón de usar 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 N°-A-3.982.359 de Elbel enseña la formación de agregados de ligante de resina y grano abrasivo que tienen valores de dureza mayores que los 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 N°-A-4.799.939 de Bloecher enseña aglomerados erosionables de granos abrasivos, cuerpos huecos y aglutinante orgánico y el uso de estos aglomerados en abrasivos recubiertos y abrasivos ligados. Se describen aglomerados similares en la Patente de Estados Unidos N°-A-5.039.311 de Bloecher y en la Patente de Estados Unidos N°-A-4.652.275 de Bloecher, et al.
La Patente de Estados Unidos N°-A-5.129.189 de Wetshcer describe herramientas abrasivas que tienen una matriz de ligante de resina que contiene conglomerados, que tienen una porosidad de 5-90% en volumen, de grano abrasivo, resina y material de carga, tal como criolita.
La Patente de Estados Unidos N°-A-5.651.729 de Benguerel enseña una muela de rectificado que tiene un núcleo y un borde abrasivo discreto 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 usados se prensan hasta un tamaño de 0,2 a 3 mm para formar los aglomerados.
La patente británica N°-A-1.228.219 de Lippert describe conglomerados de grano y ligante añadidos a una matriz de ligante elástica de goma. El ligante que mantiene el grano dentro del conglomerado puede ser material cerámico o de resina, pero debe ser más rígido de la matriz de ligante elástica.
La Patente de Estados Unidos N°-A-4.541.842 de Rostoker describe abrasivos recubiertos y muelas abrasivas fabricadas con agregados de grano abrasivo y una mezcla espumada 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 900°C (a una densidad de 70 libras/pie cúbico; 1.134 g/cc) y el ligante vitrificado usado para fabricar la muela se cuece a 880°C. Las muelas fabricadas con 16% en volumen de gránulos se comportaron en cuanto al rectificado con un nivel de eficacia similar al 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-A-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 incluyen 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 01/85393 A1 de Adefris describe un articulo abrasivo tridimensional fabricado a partir de compuestos abrasivos, moldeados o irregulares, dispuestos de manera que haya más de una monocapa de compuestos abrasivos. El articulo puede contener una porosidad intercompuesto y porosidad intracompuesto. Los compuestos incluyen granos abrasivos unidos en una primera matriz inorgánica u orgánica y el artículo abrasivo se une con un segundo material adhesivo inorgánico (metálico, vitrificado o cerámico) u orgánico, para formar un artículo abrasivo que tiene aproximadamente 20 a 80% en volumen de porosidad. El articulo preferido contiene un grano abrasivo de diamante fino fijado en un primer y un segundo ligante de vidrio y el artículo se usa para rectificar vidrio y conseguir un acabado de espejo.
Varias publicaciones han descrito herramientas abrasivas recubiertas fabricadas con granos abrasivos aglomerados. Estas publicaciones incluyen el documento de Estados Unidos-A-2.194.472 de Jackson que 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 ligadas o recubiertas. Se ha publicado que ciertos compuestos inorgánicos de diamante de grano fino, CBN y otros granos abrasivos degradables térmicamente en una matriz de óxido metálico son útiles en herramientas abrasivas recubiertas (Patente de Estados Unidos N°-A-3.916.684 de Howard, et al). La Patente de Estados unidos N°-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 microsegmento abrasivos conformados se adhieren a un soporte fibroso y se usan para fabricar abrasivos recubiertos y para revestir la superficie de muelas de rectificado finas. La patente de Estados Unidos N°-A-4.331.489 de Kressner describe aglomerados de grano abrasivo fino (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 N°-A-5.500.273 de Holmes describe partículas o compuestos conformados de manera precisa de granos abrasivos y un adhesivo polimérico formado por polimerización por radicales libres. En la Patente de Estados Unidos N°-A-5.851.247 de Stoetzel, et al; la Patente de Estados Unidos N°-A-5.714.259 de Holmes, et al; y la Patente de Estados Unidos N°-A-5.342.419 de Hibbard, et al, se describen compuestos conformados similares. Los documentos US-5.975.988, US 6.217.413 y WO 96/10471, todos de Christianson, describen artículos abrasivos recubiertos que incluyen un soporte y una capa abrasiva ligada con ligante orgánico donde el abrasivo está presente como aglomerados conformados en forma de una pirámide trucada de cuatro lados o un cubo.
El documento U.S.-A-6.056.794 de Stoetzel, et al, describe artículos abrasivos recubiertos 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 en los aglomerados y las partículas inorgánicas duras 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 de varias partículas de grano abrasivo.
El documento U.S. 6.319.108 de Adefris, et al, describe un articulo abrasivo que comprende un soporte rígido y compuestos abrasivos cerámicos fabricados de partículas abrasivas en una matriz cerámica porosa. Los compuestos se fijan al soporte con un recubrimiento metálico, tal como un metal electrochapado. El documento WO 01/83166 A1 de Mujumdar, et al, describe herramientas abrasivas de rectificado de vidrio que comprenden compuestos de diamante fijados a un soporte con un ligante de resina.
Varias patentes describen herramientas abrasivas que comprenden resina u otros compuestos adhesivos orgánicos de grano abrasivo. La mayoría de estas herramientas son herramientas abrasivas recubiertas donde se emplea un ligante de resina para adherir los compuestos de grano abrasivo a un soporte flexible. Ocasionalmente se usan adhesivos metálicos o partículas erosionables junto con los compuestos abrasivos. Las patentes representativas de este grupo incluyen la Patente de Estados Unidos N°-A-5.078.753 de Broberg, et al; la Patente de Estados Unidos N°-A-5.578.098 de Gagliardi, et al; la Patente de Estados Unidos N°-A-5.127.197 de Brukvoort, et al; la Patente de Estados Unidos N°-A-5.318:604 de Gorsuch, et al; la Patente de Estados Unidos N°-A-5.910.471 de Christianson, et al; y la Patente de Estados Unidos N°-A-6.217.413 de Christianson, et al.
La Patente de Estados Unidos N°-A-4.355.489 de Heyer describe un articulo 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 N°-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 N°-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.
Independientemente de este amplio cuerpo de conocimientos con respecto a cómo fabricar artículos abrasivos con granos aglomerados y cómo eliminar o crear porosidad en la herramienta, hasta ahora nadie ha alterado satisfactoriamente la estructura compuesta básica de una herramienta abrasiva ligada monolítica tridimensional con granos aglomerados de tal manera que el grado y la estructura de la herramienta ya no prevean el rendimiento de rectificado. Nadie ha utilizado granos aglomerados para fabricar herramientas de estructura con porcentajes en volumen que sean difíciles o imposibles de fabricar con granos abrasivos habituales en ligantes orgánicos. En particular, sin sacrificar la resistencia mecánica, la vida de la herramienta o el comportamiento de la herramienta, se ha descubierto que pueden conseguirse porcentaje en volumen de porosidad relativamente altos (por ejemplo, por encima de 30% en volumen) en herramientas abrasivas ligadas fabricadas con ligantes orgánicos. Ahora pueden conseguirse alteraciones significativas en el módulo elástico y en otras propiedades físicas de las herramientas ligadas con ligantes tanto inorgánicos como orgánicos en las herramientas de la invención.
En los abrasivos ligados fabricados con materiales ligantes orgánicos, los materiales ligantes se han considerado el factor más importante en la alteración del grado y la estructura para conseguir una resistencia mecánica o rigidez apropiada o suficiente. Es bastante sorprendente el hecho de que la invención permita fabricar herramientas con un menor contenido de granos abrasivos en un intervalo de contenidos de ligante y permita usar dichas herramientas en aplicaciones de rectificado que demandan herramientas con alta resistencia mecánica que tengan resistencia al desgaste prematuro (definido como el desgaste de la estructura de la herramienta que es más rápido que el desgaste del grano abrasivo). En aplicaciones de rectificado de superficies con grandes áreas de contacto, las herramientas de la invención se comportan realmente de una manera superior a las herramientas convencionales fabricadas con mayores contenidos de ligante y de grano abrasivo.
Ninguno de los desarrollos de la técnica anterior en granos abrasivos aglomerados sugiere las ventajas de las herramientas abrasivas ligadas de usar ciertos granos abrasivos aglomerados dentro de una matriz de ligante orgánico o inorgánico para controlar la estructura tridimensional de la herramienta abrasiva ligada. En particular, no es de esperar que estos aglomerados puedan adaptarse para adaptar y controlar la localización y tipo de porosidad y la matriz de ligante dentro de la estructura de las herramientas de la invención.
Sumario de la invención
La invención es una herramienta abrasiva ligada que comprende un compuesto tridimensional de (a) una primera fase que comprende 24-48% en volumen de granos abrasivos ligados con 10-38% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad; y (b) una segunda fase que consta de 38-54% en volumen de porosidad; donde la segunda fase es una fase continua dentro del compuesto, y la herramienta abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s).
La invención incluye además herramientas abrasivas ligadas que comprenden un compuesto tridimensional de (a) 22-46% en volumen de granos abrasivos ligados con 4-20% en volumen de material ligante inorgánico; y (b) 40-68% en volumen de porosidad interconectada; donde la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupamientos separados irregularmente dentro del compuesto; las herramientas abrasivas ligadas tienen valores de módulo elástico que son al menos 10% menores que los valores del módulo elástico para herramientas convencionales por lo demás idénticas que tienen granos abrasivos separados de manera regular dentro de un compuesto tridimensional; y las herramientas abrasivas ligadas presentan una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s).
La invención incluye además un método para discos de rectificado, que comprende las etapas de:
(a) proporcionar una muela abrasiva ligada que comprende un compuesto tridimensional de (i) una primera fase que comprende 24-48% en volumen de granos abrasivos ligados con 10-38% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad; y (ii) una segunda fase que consta de 38-54% en volumen de porosidad; donde la segunda fase es una fase continua dentro del compuesto, y la herramienta abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s);
(b) montar la muela abrasiva ligada sobre una máquina de rectificado de superficies;
(c) hacer girar la muela; y
(d) poner en contacto una superficie de rectificado de la muela con una pieza de trabajo durante un periodo de tiempo suficiente para rectificar la pieza de trabajo; con lo que la muela retira material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz, la superficie de rectificado de la muela permanece sustancialmente sin residuos de rectificado y, después de haberse completado el rectificado, la pieza de trabajo carece sustancialmente de lesiones térmicas.
La invención incluye además un método para un rectificado de alimentación progresiva que comprende las etapas de:
(a) proporcionar una muela abrasiva ligada que comprende un compuesto tridimensional de: (i) 22-46% en volumen de granos abrasivos ligados con 4-20% en volumen de un material ligante inorgánico; y (ii) 40-68% en volumen de porosidad interconectada; y donde la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupamientos separados irregularmente dentro del compuesto; teniendo la herramienta abrasiva ligada un valor de módulo elástico que es al menos 10% menor que el valor de módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados de manera regular dentro de un compuesto tridimensional; y teniendo la herramienta abrasiva ligada una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32%);
(b) montar la muela abrasiva ligada sobre una máquina de rectificado de alimentación progresiva;
(c) hacer girar la muela; y
(d) poner una superficie de rectificado de la muela en contacto con una pieza de trabajo durante un periodo de tiempo suficiente como para rectificar la pieza de trabajo; con lo que la muela retira material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz y, después del rectificado, la pieza de trabajo carece sustancialmente de lesiones térmicas;
Descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama ternario que contrasta las estructuras de composición en porcentaje volumétrico relativo de herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico convencionales con las de las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico de la invención.
La Figura 2 es un diagrama temario que contrasta las estructuras de composición en porcentaje volumétrico relativo de herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico convencionales con las de herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico de la invención fabricadas con aglomerados de granos abrasivos que contienen materiales aglutinantes inorgánicos.
La Figura 3 es un diagrama ternario que ilustra el intervalo de estructuras de composición en porcentaje volumétrico de herramientas abrasivas ligadas con ligante inorgánico convencionales, donde las de las herramientas abrasivas ligadas con ligante inorgánico de la invención fabricadas con aglomerados de granos abrasivos que contienen materiales aglutinantes inorgánicos y un ligante inorgánico se caracterizan por valores del módulo elástico significativamente menores, pero valores de velocidad de estallido de la muela equivalentes con respecto a las herramientas convencionales.
La Figura 4 es una fotomicrografía de la superficie de una herramienta abrasiva ligada convencional fabricada con un ligante orgánico, que ilustra una distribución uniforme de los tres constituyentes del compuesto abrasivo.
La Figura 5 es una fotomicrografía de la superficie de una herramienta abrasiva ligada de la invención fabricada con un ligante orgánico, que ilustra una distribución no uniforme de los tres constituyentes del compuesto abrasivo, la porosidad (áreas más oscuras) como una fase continua dentro del compuesto y una red reticulada de grano abrasivo anclada dentro del material del ligante orgánico.
Descripción de las realizaciones preferidas Herramientas abrasivas ligadas
Las herramientas abrasivas ligadas de la invención (muelas de rectificado, segmentos de rectificado, discos de rectificado, piedras de rectificado y piedras de amolar, denominadas colectivamente herramientas o muelas) se caracterizan por una combinación previamente desconocida de propiedades de estructura de la herramienta o muela y propiedades físicas. Como se usa en este documento, la expresión "estructura de muela" se refiere a los porcentajes en volumen de grano abrasivo, ligante y porosidad contenidos en la muela de rectificado. El "grado" de dureza de la muela se refiere a la designación con una letra proporcionada al comportamiento de la muela en una operación de rectificado. Para un tipo de ligante dado, el grado es una función de la porosidad de la muela, el contenido de granos y ciertas propiedades físicas, tales como la densidad curada, el módulo elástico y la penetración por chorro de arena (esta última es más típica de las muelas ligadas con ligante vitrificado). El "grado" de la muela predice la resistencia al desgaste de la muela durante el rectificado y la dureza de la muela en el rectificado, es decir, cuanta energía se necesitará para usar la muela en una operación de rectificado dada. La designación con letras para el grado de la muela se asigna de acuerdo con la escala de grados de la Norton Company conocida en la técnica, donde los grados más blandos reciben la designación A y los grados más duros reciben la designación Z. Véase, por ejemplo, la Patente de Estados Unidos N°-A-1.983.082, Howe, et al. Por correspondencia con los grados de la muela, un especialista en la técnica normalmente puede sustituir una muela conocida por una nueva especificación de muela y predecir que la nueva muela se comportará de una forma similar a la muela conocida.
En una variación significativa e inesperada de estas prácticas, las herramientas de la invención se caracterizan por alteraciones en sus estructuras compuestas monolíticas tridimensionales, en particular, en la cantidad y el carácter del constituyente de porosidad, de tal forma que el grado y la estructura de la herramienta ya no predicen el rendimiento de rectificado.
Cuando se fabrican con un ligante orgánico, las herramientas de la invención pueden formularse para producir estructuras de porcentaje en volumen (por ejemplo, porosidad por encima de 30% en volumen) que eran difíciles o imposibles de fabricar por métodos de la técnica anterior. Estas nuevas estructuras pueden fabricarse sin sacrificar la resistencia mecánica, la vida de la herramienta o el comportamiento de la herramienta. En un método preferido, estas estructuras se fabrican con una mezcla de granos abrasivos donde la mayoría de los granos abrasivos están en forma de aglomerados de granos abrasivos con un material aglutinante orgánico, un material aglutinante inorgánico o una mezcla de los dos.
Cuando se fabrican con un ligante inorgánico, las herramientas de la invención pueden formularse para producir estructuras de porcentaje en volumen idénticas (véase la Figura 3) a las de las herramientas convencionales, pero con un valor de módulo elástico significativamente menor, es decir, al menos 10% menor y a menudo hasta 50% menor, sin ninguna pérdida eficaz en la resistencia mecánica. Independientemente de esta reducción de la rigidez, las herramientas de la invención presentan valores de velocidad de estallido comercialmente aceptables y velocidades de eliminación de material significativamente mejores en ciertas operaciones de rectificado. En un método preferido, estas estructuras se fabrican con una mezcla de granos abrasivos donde la mayoría del grano abrasivo está en forma de aglomerados de grano abrasivo con un material aglutinante inorgánico.
Las Figuras 1-5 ilustran las nuevas estructuras de las herramientas de la invención. La Figura 1 es un diagrama ternario marcado con dos zonas que definen dos series de muelas (muelas de la técnica anterior y muelas experimentales de la invención) fabricadas con un material ligante orgánico. Las muelas de la técnica anterior y las muelas de la invención son igualmente adecuadas para uso comercial en operaciones de rectificado de líneas o superficies, de precisión, de alto contacto, tales como rectificado con disco o cilindros. Las muelas convencionales tienen estructuras de porcentaje en volumen dentro de una zona rodeada por 38 a 52% en volumen de grano, 12 a 38% en volumen de ligante y 15 a 37% en volumen de porosidad. Por el contrario, las muelas de la invención tienen estructuras dentro de una zona rodeada por 24 a 48% en volumen de grano, 10 a 38% en volumen de ligante y 38 a 54% en volumen de porosidad. Se puede observar que las muelas de la invención se fabrican con una cantidad significativamente menor de grano abrasivo que las muelas convencionales y contienen cantidades relativamente pequeñas de ligante y relativamente grandes de porosidad. Lo que no puede verse en el diagrama es que las muelas de la invención están en una región en el diagrama temario donde no podrían usarse métodos de fabricación de la técnica anterior para fabricar muelas de rectificado. Los métodos de la técnica anterior fallaron, ya que la estructura compuesta tridimensional se desplomó durante el procesamiento térmico, colapsando las áreas de porosidad, o ya que las muelas de la técnica anterior carecían de suficiente resistencia mecánica para usarse de manera segura en operaciones de rectificado.
La Figura 2 es un diagrama temario que ilustra dos series de muelas (muelas de la técnica anterior y muelas experimentales de la invención) diseñadas para el uso comercial en operaciones de rectificado de área de contacto de línea continua, tales como rectificado con cilindros. Las muelas de la técnica anterior se fabrican con un material ligante orgánico y las muelas de la invención se fabrican con un material ligante orgánico y aglomerados de grano abrasivo que contienen materiales aglutinantes inorgánicos. Las muelas de la invención son muy superiores a las muelas convencionales en todos los parámetros de operación de las operaciones de rectificado con cilindros. De nuevo, las muelas convencionales tienen estructuras dentro de una zona rodeada por 38 a 52% en volumen de grano, 12 a 38% en volumen de ligante y 15 a 37% en volumen de porosidad. Por el contrario, las muelas de la invención tienen estructuras dentro de una zona rodeada por 28 a 48% en volumen de grano, 10 a 33% en volumen de ligante (la suma de ligante orgánico en la muela y material aglutinante inorgánico en los aglomerados) y 38 a 53% en volumen de porosidad. Se puede ver que las muelas de la invención pueden fabricarse con significativamente menos granos abrasivos y significativamente más porosidad que las muelas convencionales. Lo que no puede verse en el diagrama es que las muelas de la invención se caracterizan por grados mucho más blandos que las muelas convencionales y valores de módulo elástico menores que las muelas convencionales (en comparación con un material con un porcentaje en volumen equivalente de ligante), pero presentan una eficacia de rectificado significativamente mejor en términos de la vida de la muela, la eliminación del material y la vibración o la resistencia a la vibración de la muela.
La figura 3 es un diagrama temario que ilustra dos series de muelas (muelas de la técnica anterior y muelas experimentales de la invención) fabricadas con material ligante inorgánico, tanto apropiadas para uso comercial en operaciones de rectificado de superficies de alto área de contacto, tales como rectificado de alimentación progresiva. Las muelas de la técnica anterior y las muelas de la invención tienen estructuras dentro de una zona rodeada por 22 a 46% en volumen de grano, 4 a 21% en volumen de ligante y 35 a 77% en volumen de porosidad. Lo que no puede verse en el diagrama es que, a una estructura de porcentaje en volumen idéntica, las muelas de la invención tienen un grado más blando y un valor de módulo elástico menor que las muelas convencionales, aunque las muelas de la invención presentan un rendimiento de rectificado significativamente mejor en términos de la velocidad de eliminación del material y la calidad de la pieza de trabajo.
Las Figuras 4-5 ilustran el cambio en la cantidad y carácter de la porosidad de las herramientas de la invención con respecto a las herramientas convencionales. En las figuras 4 (técnica anterior) y 5 (invención) puede verse que la porosidad (áreas más oscuras) en el compuesto abrasivo de la muela de la invención es una fase continua de canales interconectados. El grano abrasivo y el ligante aparecen como una red reticulada en la que el grano abrasivo está anclado en los materiales ligantes orgánicos. Por el contrario, las muelas convencionales tienen una estructura sustancialmente uniforme donde apenas es visible la porosidad y está claramente presente como una fase discontinua.
De una forma similar, en las herramientas ligadas con ligante inorgánico de la invención, se ha observado que la porosidad en el compuesto abrasivo comprende la porosidad interconectada. Los granos abrasivos de las muelas de la invención se agrupan y separan de una manera irregular en contraste a la separación de granos regular y uniforme en las muelas de la técnica anterior comparables fabricadas con el mismo tipo de ligante inorgánico y materiales de grano. Todos los constituyentes de las muelas de la técnica anterior parecen estar separados de una manera uniforme y homogénea a través de la superficie de la muela, mientras que todos los constituyentes de la muela de la invención están separados de manera irregular y la estructura no es homogénea. Como sería de esperar en una herramienta con ligante inorgánico (por ejemplo, ligante vitrificado) y los tamaños de grano abrasivo relativamente pequeños usados típicamente en tal herramienta, en comparación con el ligante orgánico y los tamaños de grano mayores ilustrados en la Figura 5, los canales de porosidad y la red de grano abrasivo y ligante se distinguen visualmente menos en las herramientas con ligante inorgánico que en las herramientas con ligante orgánico.
Se han identificado diversas propiedades del material de las herramientas abrasivas ligadas que están relacionados con las nuevas estructuras compuestas descritas en este documento, incluyendo la resistencia mecánica, el módulo elástico y la densidad.
Las propiedades de resistencia mecánica determinan si un compuesto puede usarse como una herramienta abrasiva ligada en una operación de rectificado comercial. Como la mayoría de las herramientas abrasivas ligadas se usan en forma de muelas abrasivas de rectificado, la resistencia mecánica se predice por el ensayo de la velocidad de estallido de la muela, donde la muela se monta en un eje con una cámara protectora y después se hace girar a velocidades crecientes hasta que el compuesto falla y la muela estalla. La velocidad de estallido puede convertirse en un punto de fallo de esfuerzo de tracción por ecuaciones conocidas,(por ejemplo, Formulas for Stress and Strain, Raymond J. Roark, McGraw-Hill, 1965).
Por ejemplo, si se asume un disco rotatorio con un agujero central, se produce un fallo en el agujero donde el esfuerzo de tracción está en un máximo.
\sigma = esfuerzo de tracción o resistencia de estallido (psi)
R = radio de la muela (pulgadas)
\rho = densidad de la muela (libras/pulgada^{3})
r = radio del agujero (pulgadas)
\omega = velocidad angular (radianes/segundo)
k = constante (386,4)
v = relación de Poisson (0,2)
\sigma = \frac{1}{4} \ x \left(\frac{\rho \ x \ \omega^{2}}{k}\right) ((3 + \nu) \ x \ R^{2} + (1-\nu) \ x \ r^{2})
Aplicando estas relaciones a un ejemplo de muela de rectificado para una muela de rectificado de cilindros de 36 x 4 x 12 pulgadas (91,4 X 10,2 X 30,5 cm) con una densidad de 0,053 libras/pulgada^{3} (1,46 g/cc) (que contiene 30% de abrasivo + 22% de ligante + 48% de poros en volumen), si esta muela tenía una velocidad de estallido medida de 4000 sfpm (20,32 m/s), entonces:
velocidad angular 4000 pies/min = 44,4 radianes/seg
\sigma = \frac{1}{4} \ x \ \left(\frac{0.053 \ x \ 44.4^{2}}{386.4} \right) \ ((3 \ + \ 0.2) \ x \ 36^{2} \ + \ (1-0.2) \ x \ 12^{2}) \ = \ 288 \ psi
Si la velocidad de estallido fuera dos veces más alta (8.000 sfpm (40,64 m/s u 88,8 radianes/seg), entonces el esfuerzo de tracción \sigma = 1153 psi en el punto en el que el compuesto experimenta el fallo mecánico.
De esta manera, "resistencia mecánica" se define en este documento como la velocidad de estallido de la muela en pies de superficie por minuto (o metros por segundo) para muelas de rectificado y, si la herramienta abrasiva ligada no es una muela, como el esfuerzo de tracción medido en el punto en el que el compuesto experimenta un fallo mecánico completo.
Otra propiedad del material relevante para las herramientas abrasivas ligadas de la invención es la densidad de la herramienta. Las herramientas ligadas, con ligante orgánico de la invención, como sería de esperar por las composiciones en porcentaje en volumen de sus nuevas estructuras, son menos densas que las herramientas convencionales comparables usadas típicamente en cualquier operación de rectificado dada. Las herramientas ligadas con ligante orgánico se caracterizan por una densidad menor de 2,2 g/cc, más preferiblemente menor de 2,0 g/cc y aún más preferiblemente menor de 1,8 g/cc. Como tales, para una aplicación de rectificado dada (por ejemplo, rectificado con disco de cilindros de acero), son aproximadamente 20 a 35% menos densas, y en promedio aproximadamente 40% menos densas, y en promedio aproximadamente 30% menos densas, que las herramientas convencionales comparables usadas en la misma aplicación.
Las herramientas ligadas con ligante inorgánico de la invención se caracterizan por densidades comparables o ligeramente menores con respecto a las densidades de herramientas convencionales comparables. Por ejemplo, las muelas de rectificado de diámetro interno de un tipo convencional generalmente tienen una densidad de aproximadamente 1,97 a 2,22 g/cc, mientras que las herramientas comparables de la invención varían de aproximadamente 1,8 a 2,2 g/cc. Las densidades de las muelas de trituración de alimentación progresiva de la invención y las muelas convencionales comparables varían de aproximadamente 1,63 a 1,99 g/cc.
Sin embargo, para las herramientas ligadas con ligante inorgánico de la invención, los valores del módulo elástico son significativamente menores, al menos 10% preferiblemente al menos 25% y más preferiblemente 50% menores que los valores para las herramientas convencionales comparables. Para las muelas de rectificado de diámetro interno, el módulo elástico de las herramientas de la invención varía de 25 a 50 GPa (los valores se determinaron con una máquina Grindosonic™ por el método descrito en J. Peters, "Sonic Testing of Grinding Wheels" Advances in Machine Tool Design and Research, Pergamon Press, 1968) a diferencia de los valores del módulo elástico de la herramienta comparativa que típicamente varían de 28 a 55 GPa. De forma similar, para las muelas de alimentación progresiva, los valores del módulo elástico para las muelas de la invención varían de 12 a 36 GPa, a diferencia de los valores del módulo elástico de las herramientas comparativas que típicamente varían de 16 a 38 GPa. De forma similar, para las muelas de talleres de herramientas {rectificado de superficies de herramientas de metales endurecidos), el módulo elástico de las herramientas de la invención varía de 12 a 30 GPa, a diferencia de los valores del módulo elástico de herramientas comparativas que típicamente varían de 16 a 35 GPa. En general, para una aplicación de rectificado seleccionada, cuanto mayor es el grado de la herramienta convencional comparable necesario para esa aplicación, mayor es el desplazamiento hacia abajo en el valor del módulo elástico de la herramienta ligada con ligante inorgánico de la invención que tiene un comportacon ligante inorgánico de la invención que tiene un comportamiento igual o mejor en esa aplicación. Se deduce que para una aplicación de rectificado seleccionada, cuanto mayor es el porcentaje en volumen de grano abrasivo en una herramienta convencional comparable necesaria para esa aplicación, mayor es el desplazamiento hacia abajo en el valor del módulo elástico de la herramienta ligada con ligante inorgánico de la invención que tiene un comportamiento igual o mejor en esa aplicación.
Las herramientas abrasivas ligadas de la invención tienen una estructura inusualmente porosa de porosidad interconectada, que hace que la herramienta sea permeable al flujo de fluidos, convirtiéndose en realidad la porosidad en una fase continua dentro del compuesto abrasivo. 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 N°-A-5.738.696. Como se usa en la presente invención, Q/P = la 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 útiles en 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, grano y volumen de ligante que las de la invención. En general, las herramientas abrasivas de la invención tienen valores de permeabilidad a fluidos de aproximadamente 25 a 100% superiores a los valores de herramientas abrasivas comparables de la técnica anterior. Las herramientas abrasivas preferiblemente se caracterizan por valores de permeabilidad a 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 una cantidad minoritaria 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, cáscaras de nuez 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 (es decir, menor de 50% en volumen, preferiblemente menor de 20% en volumen y aún más preferiblemente menor de 10% en volumen de la porosidad de la herramienta) de medio inductor de poros añadido. La cantidad y tipo de inductor de poros añadido debe ser 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 que tienen estas propiedades de materiales y características estructurales preferiblemente se fabrican por un proceso en el que la mayor parte del grano abrasivo se ha aglomerado con un material aglutinante antes de que los componentes de la herramienta se moldeen mezclados y se curen térmicamente para formar un compuesto abrasivo. Estos aglomerados de granos abrasivos pueden obtenerse con materiales aglutinantes inorgánicos o con materiales aglutinantes orgánicos.
Aglomerados Abrasivos Fabricados con Materiales Aglutinantes Orgánicos
Los aglomerados fabricados con materiales aglutinantes orgánicos que son útiles en la invención son estructuras tridimensionales o gránulos, incluyendo compuestos curados de grano abrasivo y material aglutinante. Se prefiere cualquiera de los materiales aglutinantes poliméricos termoendurecibles usados comúnmente en la industria de las herramientas abrasivas como ligantes para abrasivos ligados con ligante orgánico, abrasivos recubiertos y similares. Tales materiales incluyen materiales de resina fenólica, materiales de resina epoxídica, materiales de resina de fenol formaldehído, materiales de resina de urea formaldehido, materiales de resina de melamina formaldehido, materiales de resina acrílica, composiciones de resina modificadas con goma, composiciones con cargas y combinaciones de las mismas. Los aglomerados fabricados con material aglutinante orgánico tienen una densidad de empaquetamiento suelto (LPD) 1,5 g/cc, preferiblemente menor de 1,3 g/cc, una dimensión media de aproximadamente 2 a 10 veces el tamaño medio del grano abrasivo o aproximadamente 200 a 3000 micrómetros, y un contenido de porosidad 1 a 50%, preferiblemente 5 a 45% y aún más preferiblemente 10 a 40% en volumen.
Una parte principal (es decir, al menos 50% en volumen) de la porosidad presente dentro de los aglomerados está presente como porosidad que es permeable al flujo de material ligante orgánico en fase liquida en los aglomerados durante el curado térmico de las herramientas abrasivas ligadas moldeadas de la invención.
El grano abrasivo útil en los aglomerados fabricados con materiales aglutinantes orgánicos o inorgánicos 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, cena, 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 algunos granos alargados de alúmina sol gel sinterizada (por ejemplo, menos de 10% en volumen del grano abrasivo total en la herramienta) que tienen una alta relación de dimensiones del tipo descrito en la Patente de Estados Unidos N° 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. Como se usa en este documento, el tamaño de "grano" se refiere al tamaño de grano abrasivo en la escala de tamaños de grano de Norton Company.
Aglomerados Abrasivos Fabricados con Materiales Aglutinantes Inorgánicos
Los aglomerados fabricados con materiales aglutinantes inorgánicos que son útiles en la invención son estructuras tridimensionales o gránulos, incluyendo compuestos porosos sinterizados de granos abrasivos y material aglutinante cerámico o vitrificado. Los aglomerados tienen una densidad de empaquetamiento suelto (LPD) 1,6 g/cc, una dimensión media de aproximadamente 2 a 20 veces el tamaño medio de grano abrasivo, y una porosidad de aproximadamente 30 a 88%, preferiblemente de 30 a 60% en volumen. Los aglomerados de grano abrasivo preferiblemente tienen un valor de resistencia al aplastamiento mínimo de 0,2 MPa.
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 varia 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 liquida a temperaturas que varían de aproximadamente 500 a 1400°C 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 1180°C, y por una temperatura de fusión de aproximadamente 800 a 1.300°C. Sin embargo, dependiendo de los usos deseados de las herramientas y de las propiedades deseadas, los aglomerados pueden fabricarse con uno o más materiales inorgánicos seleccionados entre el grupo compuesto por materiales ligantes vitrificados, materiales ligantes cerámicos, materiales ligantes vítreos-cerámicos, materiales de sales inorgánicas y materiales ligantes metálicos, y combinaciones de los mismos.
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 3% en peso de óxidos alcalinos.
En otra realización preferida, el material aglutinante 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, calcio, 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.
Ciertos de estos materiales aglutinantes cerámicos (por ejemplo, el silicato sódico) no requieren procesamiento térmico para formar aglomerados de granos abrasivos. Al grano abrasivo se le puede añadir una solución de material aglutinante y la mezcla resultante puede secarse para adherir los granos entre sí como aglomerados.
El material aglutinante inorgánico 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 inorgánico 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.
El material aglutinante inorgánico 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.
La densidad de los aglomerados de material aglutinante inorgánico 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 inorgánicos 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 de los aglomerados sinterizados medido por desplazamiento de fluido y el volumen de los materiales usados para fabricar los aglomerados inorgánicos sinterizados. 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 inorgánicos de la invención, una densidad relativa máxima de los aglomerados preferiblemente es 0,7, siendo más preferida una densidad relativa máxima de 0,5.
Método de Fabricación de Aglomerados Abrasivos
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 preferida 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, puede denominarse en este documento curado, cocción, calcinado o sinterización. 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 con materiales aglutinantes orgánicos, la mezcla inicial de grano y material aglutinante se aglomera antes de curar la mezcla para crear una estructura mecánica relativamente débil denominada "aglomerado verde".
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 horno a 140-200°C para el curado térmico. Los aglomerados verdes pueden ponerse en una bandeja o soporte y curarse en un horno, con o sin volteo, en un proceso continuo o discontinuo. Puede realizarse un tratamiento térmico en un aparato de lecho fluidizado suministrando el grano aglomerado verde al lecho. Puede realizarse un curado por infrarrojos o UV en una mesa vibratoria. Pueden emplearse combinaciones de estos procesos.
El grano abrasivo puede transportarse a un recipiente de mezcla, mezclarse con los materiales aglutinantes orgánicos, después humedecerse con un disolvente para adherir el material aglutinante al grano, tamizarse para conseguir el tamaño del aglomerado y después curarse en un horno o en un aparato de secado rotatorio.
La granulación en recipiente puede realizarse añadiendo el grano a un recipiente mezclador, y suministrando un componente líquido que contiene el material aglutinante (por ejemplo, agua o un adhesivo orgánico y agua) al grano, con mezcla, para aglomerarlos conjuntamente.
Puede pulverizarse un disolvente sobre una mezcla del grano y el material aglutinante para recubrir el grano con material aglutinante mientras se mezcla, y después, el grano recubierto puede recuperarse 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 orgánico 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 N° 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 orgánico en un aparato de calcinación rotatorio. 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. En un método preferido, el proceso de aglomeración se realiza por los métodos descritos en la solicitud de patente de prioridad relacionada, documento de Estados Unidos con el número de serie 10/120.969, presentado el 11 de abril de 2002.
Cuando el grano abrasivo se aglomera con materiales aglutinantes de curado a menor temperatura (de aproximadamente 145 a aproximadamente 500°C), 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 aglomerados verdes, curar el material aglutinante y adherido al grano. Como se usa en la presente invención, la expresión "horno de calcinación rotatorio" incluye tales dispositivos secadores rotatorios.
Pueden realizarse aglomerados de granos abrasivos con materiales aglutinantes inorgánicos por los métodos descritos en la solicitud de patente de prioridad relacionada, documento de Estados Unidos con el número de serie 10/120.969, presentada el 11 de abril del 2002, y por los métodos descritos en los Ejemplos de este documento.
Herramientas Abrasivas Fabricadas con Aglomerados Abrasivos
Las herramientas abrasivas ligadas fabricadas con aglomerados incluyen muelas de rectificado abrasivas, muelas segmentadas, discos, piedras de amolar, piedras y otros compuestos abrasivos conformados rígidos, monolíticos o segmentados. Las herramientas abrasivas de la invención preferiblemente comprenden de aproximadamente 5 a 70% en volumen, más preferiblemente de 10 a 60% en volumen, y aún más preferiblemente de 20 a 52% en volumen de aglomerados de grano abrasivo con respecto al volumen total de compuesto abrasivo. De 10 a 100% en volumen, preferiblemente de 30 a 100% en volumen y al menos 50% en volumen del grano abrasivo en la herramienta está en forma de una pluralidad (por ejemplo, de 2 a 40 granos) de granos abrasivos aglomerados junto con material aglutinante.
Las herramientas de la invención opcionalmente pueden contener granos abrasivos secundarios añadidos, cargas, adyuvantes de rectificado, medios inductores de poros, y combinaciones de estos materiales. El porcentaje en volumen total de grano abrasivo en las herramientas (grano aglomerado y no aglomerado) puede variar de aproximadamente 22 a aproximadamente 48% en volumen, más preferiblemente de aproximadamente 26 a aproximadamente 44% en volumen y aún más preferiblemente de aproximadamente 30 a aproximadamente 40% en volumen de la herramienta.
La densidad y dureza de las herramientas abrasivas se determinan por la selección de los aglomerados, el tipo de ligante y otros componentes de la herramienta, el contenido de porosidad, junto con el tamaño y el tipo de molde y el proceso de prensado seleccionado. Las herramientas abrasivas ligadas preferiblemente tienen una densidad menor de 2,2 g/cc, más preferiblemente menor de 2,0 g/cc y aún más preferiblemente menor de 1,8 g/cc.
Cuando se usa un grano abrasivo secundario en combinación con los aglomerados abrasivos, los granos abrasivos secundarios preferiblemente proporcionan de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 90% en volumen del grano abrasivo total de la herramienta, más preferiblemente de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 70% en volumen, y aún más preferiblemente de 0,1 a 50% 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 de granate, y combinaciones de los mismos.
Las herramientas abrasivas preferidas de la presente invención se ligan con un ligante orgánico. Para uso en la presente invención puede seleccionarse cualquiera de los diversos ligantes conocidos en la técnica para fabricar herramientas abrasivas. Pueden encontrarse ejemplos de ligantes y materiales de carga de ligante adecuados en las Patentes de Estados Unidos N° A-6.015.338; A-5.912.216 y 5.611.827, cuyo contenido se incorpora en este documento como referencia. Los ligantes adecuados incluyen resinas fenólicas de diversos tipos, opcionalmente con un agente de reticulación tal como hexa-metilentetramina, materiales de resina epoxídica, materiales de resina de poliimida, fenol formaldehído, urea formaldehído y materiales de resina de melamina formaldehído, materiales de resina acrílica y combinaciones de los mismos. En la presente invención también pueden usarse otras composiciones de resina termoendurecibles.
A los componentes de ligante en polvo se les puede añadir adhesivos o disolventes orgánicos como adyuvantes de moldeo o del procesamiento. Estos adhesivos pueden incluir furfural, agua, modificadores de la viscosidad o del pH y adyuvantes de mezcla. El uso de adhesivos a menudo mejora la uniformidad de la muela y la calidad estructural de la muela prensada pre-cocida o verde y la muela curada. Como la mayor parte de los adhesivos se evaporan durante el curado, no forman parte de la herramienta abrasiva o ligada acabada.
Las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico de la invención pueden comprender de aproximadamente 10 a 50% en volumen, más preferiblemente de 12 a 40% en volumen, y aún más preferiblemente de 14 a 30% en volumen de ligante. El ligante se sitúa dentro del compuesto abrasivo tridimensional de tal forma que una primera fase granos abrasivos y ligante comprende menos de 10% en volumen de porosidad, y preferiblemente menos de 5% en volumen de porosidad. Esta primera fase aparece dentro de la matriz compuesta de las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico como una red reticulada de grano abrasivo anclado dentro del material ligante orgánico. En general, es deseable tener una primera fase dentro del compuesto tridimensional que sea completamente densa como puede conseguirse dentro de las limitaciones de los materiales y el proceso de fabricación.
Junto con los aglomerados de grano abrasivo y el ligante, estas herramientas comprende de aproximadamente 38 a 54% en volumen de porosidad, siendo esta porosidad una fase continua que incluye al menos 30% en volumen de porosidad interconectada. Las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico preferidas pueden comprender de 24 a 48% en volumen de grano abrasivo, de 10 a 38% en volumen de ligante orgánico y de 38 a 54% en volumen de porosidad.
Estas herramientas ligadas con ligante orgánico tienen una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s), preferiblemente 6000 sfpm (30,48 m/s).
En una realización preferida, las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico pueden comprender, como primera fase, 26-40% en volumen de granos abrasivos ligados con 10-22% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad, y una segunda fase que consta de 38-50% en volumen de porosidad.
Cuando se fabrican con aglomerados de grano y materiales aglutinantes inorgánicos, las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico pueden comprender, como primera fase, de 24 a 42% en volumen de granos abrasivos ligados con 18-38% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad, y una segunda fase que consta de 35-54% en volumen de porosidad.
Cuando se fabrican con aglomerados de grano y materiales aglutinantes inorgánicos, las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico pueden comprender, como primera fase, de 28 a 48% en volumen de grano ligado con 10 a 33% en volumen de ligante (la suma de ligante orgánico en la muela y material aglutinante inorgánico en los aglomerados) y una segunda fase que consta de 38 a 53% en volumen de porosidad. La herramienta preferiblemente comprende un mínimo de 1% en volumen de material adhesivo inorgánico, y más preferiblemente comprende de 2 a 12% en volumen de material adhesivo inorgánico. Tales herramientas preferiblemente tienen un valor de módulo elástico máximo de 10 GPa y una velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s). Cuando se evalúan en la escala de grados de la Norton Company, estas herramientas abrasivas tienen un grado de dureza entre A y H, y ese grado de dureza es al menos un grado más blando que el de una herramienta convencional por lo demás idéntica fabricada con granos abrasivos que no se han aglomerado junto con un material adhesivo inorgánico.
Opcionalmente, la herramienta abrasiva ligada con ligante orgánico incluye una mezcla de una pluralidad de granos aglomerados entre sí con un material adhesivo inorgánico y una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo orgánico.
Cuando se fabrican con un ligante inorgánico y aglomerados de grano y materiales aglutinantes inorgánicos, las herramientas abrasivas ligadas pueden comprender un compuesto tridimensional de (a) 22-46% en volumen de granos abrasivos ligados con 4-20% en volumen de material ligante inorgánico; (b) 40-68% en volumen de porosidad interconectada; donde la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupamientos separados irregularmente dentro del compuesto. Estas herramientas abrasivas ligadas tienen valores de módulo elástico que son al menos 10% menores que los valores del módulo elástico para otras herramientas convencionales por lo demás idénticas que tienen granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional y presentan una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s), preferiblemente de 6000 (30,48 m/s). Las herramientas abrasivas ligadas con ligante inorgánico preferidas comprenden 22-40% en volumen de granos abrasivos ligados con 8-20% en volumen de material ligante inorgánico, y 40-68% en volumen de porosidad interconectada.
En una realización preferida, las herramientas abrasivas ligadas con ligante inorgánico comprenden 34-42% en volumen de granos abrasivos ligados con 6-12% en volumen de material con ligante inorgánico, y 46-58% en volumen de porosidad interconectada. Estas herramientas se fabrican con un material ligante vitrificado, carecen sustancialmente de una alta relación de dimensiones entre granos abrasivos y cargas y las herramientas moldean y se cuecen sin añadir materiales inductores de la porosidad durante la fabricación. Las herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado preferidas son muelas que tienen un grado de dureza entre A y M en la escala de grados de la Norton Company, y el grado de dureza es al menos un grado más blando que el de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional. Las herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado preferidas se caracterizan por un valor de módulo elástico que es al menos 25% menor, preferiblemente al menos 40% menor que el valor del módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional y una velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).
Las herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado preferidas fabricadas con aglomerados de grano en materiales aglutinantes inorgánicos incluyen muelas de rectificado de diámetro interno que contienen de 40 a 52% en volumen de grano abrasivo y que tienen un valor de módulo elástico de 25 a 50 GPa. También se incluyen muelas de rectificado de superficie para aplicaciones de talleres de herramientas que contienen de 39 a 52% en volumen de grano abrasivo y que tienen un valor de módulo elástico de 15 a 36 GPa, y muelas de rectificado de alimentación progresiva que contienen de 30 a 40% en volumen de grano abrasivo y que tienen un valor de módulo elástico de 8 a 25 GPa.
Para producir una resistencia mecánica apropiada en la herramienta abrasiva ligada con ligante orgánico durante la fabricación de la herramienta y durante el uso de la herramienta en operaciones de rectificado, al menos 10% en volumen del componente del ligante total debe constar de ligante orgánico añadido y no debe ser un material aglutinante usado en los aglomerados.
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 los aglomerados o el aplastamiento de una cantidad excesiva de los aglomerados (es decir, 0,75% en peso de los aglomerados) y para conservar la estructura tridimensional de los aglomerados restantes. La presión 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 5000 a 10.000 libras/pulgada^{2} (35 a 704 kg/cm^{2}). El moldeo y el prensado preferiblemente se realizan a aproximadamente 53-442 kg/cm^{2}, más preferiblemente a 42-352 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 curarse por métodos conocidos por los especialistas en la técnica. Las condiciones de curado 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 orgánico puede cocerse a 150-250°C, preferiblemente a 160-200°C, para proporcionar las propiedades mecánicas necesarias para uso en operaciones de rectificado.
La selección del ligante orgánico adecuado dependerá del proceso de aglomeración que se use y de si es deseable evitar el flujo del ligante orgánico caliente en los poros intra-aglomerado.
Las herramientas ligadas con ligante orgánico pueden mezclarse, moldearse y curarse de acuerdo con diversos métodos de procesamiento, y con diversas proporciones de grano abrasivo o aglomerado, ligante y componentes de porosidad como es conocido en la técnica. En las Patentes de Estados Unidos N° A-6.015.338; A-5.912.216; y 5.611.827 se describen técnicas de fabricación adecuadas para fabricar herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico.
En la solicitud de patente de prioridad relacionada, documento de Estados Unidos número de serie 10/120.969, presentado el 11 de abril de 2002, en los Ejemplos de este documento y, por ejemplo, en los documentos US-A-738:696 y US-A-5.738.697 se describen técnicas de fabricación adecuadas para fabricar herramientas abrasivas ligadas con ligante vitrificado (u otro ligante inorgánico).
Aplicaciones de Rectificado
Las herramientas abrasivas de la invención son particularmente eficaces en aplicaciones de rectificado que tienen grandes áreas de superficie de contacto o un contacto continuo prolongado entre la herramienta abrasiva y la pieza de trabajo durante el rectificado. Tales operaciones de rectificado incluyen, pero sin limitación, rectificado de cilindro y disco, rectificado de alimentación progresiva, rectificado de diámetro interno, rectificado de talleres de herramientas y otras operaciones de rectificado de precisión.
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 dentro de la matriz tridimensional del cuerpo de la
herramienta.
Debido a la porosidad interconectada de las herramientas, en el rectificado de cilindro y disco, el suministro de refrigerante y la eliminación de los residuos se mejoran, dando como resultado operaciones de rectificado más frías, una restauración de la herramienta menos frecuente, menos lesiones térmicas en la pieza de trabajo y menos desgaste de la máquina de rectificado. Como los granos abrasivos de tamaño de grano más pequeños en forma aglomerada proporcionan la eficacia de rectificado de un grano de tamaño mayor, pero tienen un acabado de superficie más liso, la calidad de la pieza de trabajo rectificada a menudo mejora significativamente.
En un método preferido para el rectificado de disco, las herramientas abrasivas ligadas con ligante orgánico que comprenden aglomerados de grano ligado con materiales aglutinantes orgánicos se montan en una máquina de rectificado de superficies, se hacen girar, por ejemplo, a 4000-6500 sfpm (20,32 a 33,02 m/s), y se ponen en contacto con una pieza de trabajo durante un periodo de tiempo suficiente como para rectificar la pieza de trabajo. Con este método, la muela elimina material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz, la superficie de rectificado de la muela permanece sustancialmente sin residuos de rectificado y, después de haberse completado el rectificado, la pieza de trabajo carece sustancialmente de lesiones térmicas.
En un método preferido para el rectificado de alimentación progresiva, muelas abrasivas ligadas con ligante vitrificado que comprenden aglomerados de grano ligados con materiales aglutinantes inorgánicos, que tienen un valor de módulo elástico que es al menos 10% menor que el valor de módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional, y que tienen una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s), se montan en una máquina de rectificado de alimentación progresiva. La muela vitrificada se hace girar a una velocidad de 5500 a 8500 sfpm (27,94 a 43,18 m/s) y se pone en contacto con una pieza de trabajo durante un periodo de tiempo suficiente como para rectificar la pieza de trabajo. Por este método, la muela retira material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz y, después del rectificado, la pieza de trabajo carece sustancialmente de lesiones térmicas.
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 que contenían materiales aglutinantes inorgánicos en un aparato de calcinación rotatorio (horno eléctrico modelo N° HOU-5D34-RT-28, temperatura máxima 1.200°C, 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 International, 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 1.550°C. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a un punto fijado de control de temperatura de la zona caliente de 1.180°C, 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 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 1-1 Características de Gránulos Aglomerados
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^{a} \begin{minipage}[t]{145mm} El porcentaje en volumen de material aglutinante es un porcentaje del material sólido dentro del gránulo (es decir, material aglutinante y grano) después de la cocción, y no incluye el % en volumen de porosidad.\end{minipage}
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 libras (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 1-1 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 Vitrificados
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a. \begin{minipage}[t]{142mm} Para las muestras del Ejemplo 2 se usó la variación del material aglutinante A-1 presentada entre paréntesis.\end{minipage}
b. \begin{minipage}[t]{145mm}Están presentes impurezas (por ejemplo, Fe_{2}O_{3} y RiO_{2}) a un nivel aproximado de 0,1-2%.\end{minipage}
Ejemplo 2 Aglomerados de Grano Abrasivo/Material Aglutinante Inorgánico
Se usaron materiales aglutinantes vitrificados para fabricar muestras de granos abrasivos aglomerados AV2 y AV3. Los aglomerados se prepararon de acuerdo con el método de calcinación en horno rotatorio descrito en el Ejemplo 1, usando los materiales descritos más adelante. Los aglomerados AV2 se fabricaron con 3% en peso de material aglutinante A (Tabla 1-2). La temperatura del horno de calcinación se fijó a 1250°C, el ángulo del tubo era de 2,5 grados y la velocidad de rotación era de 5 rpm. Los aglomerados AV3 se fabricaron con 6% en peso de material aglutinante E (Tabla 1-2) a una temperatura del horno de calcinación de 1200°C, con un ángulo del tubo de 2,5-4° y una velocidad de rotación de 5 rpm. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina 38A fundida, con un tamaño de grano 80, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA.
Los aglomerados de grano vitrificados se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto, la densidad relativa y el tamaño. Los resultados se indican en la Tabla 2-1 presentada más adelante. Los aglomerados constaban de una pluralidad de granos abrasivos individuales (por ejemplo, tamaños de grano de 2 a 40) unidos entre sí por un material aglutinante vitrificado en puntos de contacto de grano a grano, junto con áreas vacías visibles. La mayoría de los aglomerados fueron suficientemente resistentes a la compactación como para retener un carácter tridimensional después de someterse a operaciones de mezcla y moldeo de muelas abrasivas.
TABLA 2-1 Aglomerados de Grano Abrasivo/Aglutinante Vitrificado
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a. \begin{minipage}[t]{142mm} Los porcentajes se basan en los sólidos totales, solo incluyen el material aglutinante vitrificado y el grano abrasivo y excluyen cualquier porosidad dentro de los aglomerados. Se usaron materiales aglutinantes orgánicos temporales para adherir el ligante vitrificado al grano abrasivo (en el caso de AV2 se usó 2,83% en peso de aglutinante de proteína líquido AR30, y en el caso de AV3, se usó 3,77% en peso de aglutinante de proteína líquido AR30). Los materiales aglutinantes orgánicos temporales se quemaron durante la sinterización de los aglomerados en el horno de calcinación rotatorio y el % en peso final del material aglutinante no los incluye.\end{minipage}
Muelas Abrasivas
Las muestras de aglomerados AV2 y AV3 se usaron para fabricar muelas de rectificado abrasivas experimentales (tipo 1) (tamaño de acabado 5,0 X 0,5 X 1,250 pulgadas (12,7 X 1,27 X 3,18 cm). Las muelas experimentales se fabricaron añadiendo los aglomerados a un mezclador de paletas rotatorio (un mezclador Foote-Jones, obtenido en Illinois Gear, Chicago, IL), y mezclando con los aglomerados una resina fenólica liquida (resina V-1181 de Honeywell International Inc., Friction Division, Troy NY) (22% en peso de mezcla de resina). Para humedecer los aglomerados se añadió una resina fenólica en polvo (resina Durez Varcurn® 29-717 obtenida en Durez Corporation, Dallas TX) (78% en peso de mezcla de resina). Las cantidades de porcentaje en peso de aglomerado abrasivo y ligante de resina usadas para fabricar estas muelas y la composición de las muelas acabadas (incluyendo % en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas curadas) se indican en la Tabla 2-2 presentada más adelante.
Los materiales se mezclaron durante un periodo de tiempo suficiente para conseguir una mezcla uniforme y minimizar la cantidad de ligante suelto. Después de la mezcla, los aglomerados se tamizaron a través de un tamiz de malla 24 para romper todos los cúmulos grandes de resina. La mezcla uniforme de aglomerado y ligante se puso en moldes y se aplicó presión para formar muelas en estado verde (no curadas). Estas muelas verdes se retiraron de los moldes, se enrollaron en papel estucado y se curaron por calentamiento a una temperatura máxima de 160°C, se clasificaron, se acabaron y se inspeccionaron de acuerdo con las técnicas de fabricación de muelas de rectificado comerciales conocidas en la técnica. Se midió el módulo elástico de las muelas acabadas y los resultados se muestran en la Tabla 2-2 presentada más adelante.
El módulo elástico se midió usando una máquina Grindosonic, por el método descrito en J. Peters, "Sonic Testing of Grinding Wheels" Advances in Marine Tnol Design and Research, Pergamon Press, 1968.
TABLA 2-2 Composiciones de Muela
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a. \begin{minipage}[t]{142mm} Las muelas C1, C-2 y C-3 se fabrican con ligantes de resina fenólica y las especificaciones de estas muelas están disponibles en el mercado en Saint-Gobain Abrasives, Inc. Las muelas C-4 y C-5 se fabrican a partir de una resina de goma laca mezclada con una cantidad minoritaria de ligante de resina fenólica. Las especificaciones de estas muelas están disponibles en el mercado en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA. Estas muestras C-4 y C-5 se prepararon en el laboratorio de acuerdo con estas especificaciones comerciales, y se curaron hasta un grado de dureza final de la muela de J y L, respectivamente.\end{minipage}
b. \begin{minipage}[t]{142mm} Las muelas C-6 y C-7 no se ensayaron en los ensayos de rectificado. Las especificaciones de estas muelas comparativas están disponibles en el mercado en National Grinding Wheel Company/Radiac, Salem, IL, y en Tyrolit N.A., Inc., Westboro, MA.\end{minipage}
c. \begin{minipage}[t]{142mm} El porcentaje en volumen "total" de ligante es la suma de la cantidad de material aglutinante vitrificado usado para aglomerar el grano y la cantidad de ligante de resina orgánica usado para fabricar la muela de rectificado. El porcentaje en volumen "(orgánico)" de ligante es la porción del porcentaje en volumen total de ligante que consta de la resina orgánica añadida a los aglomerados para fabricar la muela de rectificado.\end{minipage}
Ejemplo 3
Las muelas experimentales del Ejemplo 2 se ensayaron en un ensayo de rectificado de cilindros simulado en comparación con muelas disponibles en el mercado ligadas con resina fenólica (C-1-C-3, en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester MA). Como muelas comparativas también se ensayaron muelas ligadas con goma laca preparadas en el laboratorio (C-4 y C-5) a partir de una mezcla de resina de goma laca. Se seleccionaron muelas comparativas porque tenían composiciones, estructuras y propiedades físicas equivalentes a las muelas usadas en las operaciones de rectificado de cilindros comerciales.
Para simular el rectificado de cilindros en un laboratorio, se realizó una operación de rectificado de ranura de contacto continuo en una máquina de rectificado de superficies. En los ensayos se emplearon las siguientes condiciones de rectificado:
Máquina de rectificado: Máquina de rectificado de superficies Brown & Sharpe.
Modo: dos rectificados de ranura de contacto continuo, inversión al final de la carrera antes de la pérdida de contacto con la pieza de trabajo.
Refrigerante: Trim Clear, relación refrigerante:agua desionizada 1:40.
Pieza de trabajo: acero 4340 de 16 X 4 pulgadas, dureza Rc50.
Velocidad de pieza de trabajo: 25 pies/min.
Velocidad de muela: 5730 rpm.
Avance descendente: 0,100 pulgadas total.
Profundidad de corte: 0,0005 pulgadas en cada extremo.
Tiempo de contacto: 10,7 minutos.
Reavivación: Diamante de un solo punto, a una alimentación transversal de 10 pulgadas/min, comp. 0,001 pulgadas.
La vibración de la muela durante el rectificado se midió con un equipo IRD Mechanalysis (Analyzer Model 855 Analyzer/Balancer, obtenido en Entek Corporation, North Westerville, Ohio). En un ensayo de rectificado inicial, se registraron los niveles de vibración a diversas frecuencias (como velocidad en pulgadas/unidades de segundo), usando un procedimiento de transformada rápida de Fourier (FFT), a dos y ocho minutos después de la reavivación de la muela. Después del ciclo de rectificado inicial, se realizó un segundo ciclo de rectificado y se registró el aumento relacionado con el tiempo del nivel de vibración a una frecuencia diana seleccionada (57000 cpm, la frecuencia observada durante el ciclo inicial) durante el periodo entero de 10,7 minutos en el que la muela permaneció en contacto con la pieza de trabajo. Cuando se realizaron los ciclos de rectificado, se registraron las velocidades de desgaste de la muela (WWR), las velocidades de eliminación de material (MRR) y otras variables de rectificado. Estos datos, junto con la amplitud de vibración para cada muela después de 9-10 minutos de rectificado de contacto continuo, se muestran en la Tabla 3-1 presentada a continuación.
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TABLA 3-1 Resultados del Ensayo de Rectificado
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Puede verse que las muelas experimentales presentaron la menor velocidad de desgaste de la muela y los menores valores de amplitud de vibración. Las muelas comerciales comparativas fabricadas con ligantes de resina fenólica (38A80-G8 B24, -K8 B24 y -O8 B24) tuvieron bajas velocidades de desgaste de la muela, pero tuvieron unos valores de amplitud de vibración inaceptablemente elevados. Sería previsible que estas muelas crearan vibración en una operación de rectificado de cilindros real. Las muelas comparativas fabricadas con ligantes de resina de goma laca (53A80J7 Shellac Blend y 53A80L7 Shellac Blend), tuvieron altas velocidades de desgaste de la muela, pero tuvieron valores de amplitud de vibración aceptablemente bajos. Las muelas experimentales fueron superiores a todas las muelas comparativas en una serie de niveles de potencia (amplitud de vibración casi constante a 10-23 hp y WWR consistentemente menor) y las muelas experimentales presentaron relaciones-G superiores (velocidad de eliminación de material/velocidad de desgaste de la muela), demostrando una excelente eficacia y vida de la muela.
Se cree que el módulo elástico relativamente bajo y la porosidad relativamente alta de las muelas experimentales crea una muela resistente a la vibración sin sacrificar la vida de la muela y la eficacia de rectificado. Fue bastante inesperado que se observara que las muelas experimentales rectificaban con más eficacia que las muelas que contenían mayores porcentajes en volumen de grano y que tenían un grado de dureza de la muela mayor. Aunque las muelas experimentales se construyeron para producir un grado de dureza relativamente blando (es decir, grado A-E en la escala de dureza de muelas de rectificado de la Norton Company), rectificaban más agresivamente, con menos desgaste de la muela, produciendo una mayor relación-G que las muelas comparativas que tenían un valor de grado significativamente más duro (es decir, grados G-O en la escala de dureza de muelas de rectificado de la Norton Company). Estos resultados fueron significativos e inesperados.
Ejemplo 4
Se prepararon muelas experimentales que contenían granos aglomerados en una operación de fabricación comercial y se ensayaron en una operación de rectificado de cilindros comercial en la que en el pasado se han usado muelas ligadas con goma laca.
Aglomerados de Grano Abrasivo/Material Aglutinante Inorgánico
Se usaron materiales aglutinantes vitrificados (material aglutinante A de la Tabla 1-2) para fabricar la muestra de grano abrasivo aglomerado AV-4. La muestra AV-4 fue similar a la muestra AV-2, con la excepción de que en el caso de la muestra AV-4 se fabricó un tamaño de lote comercial. Los aglomerados se prepararon de acuerdo con el método de calcinación en horno rotatorio descrito en el Ejemplo 1. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina 38A fundida con un tamaño de grano 80, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA, y se usó 3% en peso de material aglutinante A (Tabla 1-2). La temperatura del horno de calcinación se fijó a 1250°C, el ángulo del tubo era de 2,5 grados y la velocidad de rotación era de 5 rpm. Los aglomerados se trataron con solución de silano al 2% (obtenida en Crompton Corporation, South Charleston, West Virginia).
Muelas Abrasivas
La muestra de aglomerado AV4 se usó para fabricar muelas de rectificado (tamaño acabado 36'' de diámetro X 4'' de anchura X 20'' de agujero central (tipo 1) (91,4 X 10,2 X 50,8 cm). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron con un equipo de fabricación comercial mezclando los aglomerados con resina fenólica líquida (resina V-1181 de Honeywell International Inc., Friction Division, Troy NY) (22% en peso de mezcla de resina) y resina fenólica en polvo (resina Durez Varcum® 29-717 obtenida en Durez Corporation, Dallas TX) (78% en peso de mezcla de resina). Las cantidades en % en peso de aglomerado abrasivo y ligante de resina usadas en estas muelas se indican en la Tabla 4-1, presentada más adelante. Los materiales se mezclaron durante un periodo de tiempo suficiente como para conseguir una mezcla uniforme. La mezcla uniforme de aglomerado y ligante se puso en moldes y se aplicó presión para formar muelas en fase verde (no curadas). Estas muelas verdes se retiraron de los moldes, se enrollaron en papel estucado y se curaron por calentamiento a una temperatura máxima de 160°C, se clasificaron, se acabaron y se inspeccionaron de acuerdo con las técnicas de fabricación de muelas de rectificado comerciales conocidas en la técnica. Se midieron el módulo elástico de la muela acabada y la densidad después de la cocción y los resultados se muestran en la Tabla 4-1, presentada más adelante. Se midió la velocidad de estallido de la muela y se determinó que la velocidad de operación máxima era de 9500 sfpm.
La composición de las muelas (incluyendo el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas curadas) se describe en la Tabla 4-1. Estas muelas tuvieron una estructura de porosidad visiblemente abierta, continua y relativamente uniforme desconocida en las muelas de rectificado ligadas con ligante orgánico fabricadas previamente en una operación comercial.
TABLA 4-1 Composición de las Muelas
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a. \begin{minipage}[t]{142mm} El porcentaje en volumen "total" de ligante es la suma de la cantidad de material aglutinante vitrificado usada para aglomerar el grano y la cantidad de ligante de resina orgánica usada para fabricar la muela de rectificado. El porcentaje en volumen "orgánico" de ligante es la porción del porcentaje en volumen total de ligante que consta de la resina orgánica añadida a los aglomerados para fabricar la muela de rectificado.\end{minipage}
Ensayos de Rectificado
Estas muelas abrasivas experimentales se ensayaron en dos operaciones de rectificado comerciales para el acabado de cilindros de laminadores en frío. Después del rectificado, estos cilindros de acero forjado se usarán para laminar y acabar la superficie de láminas de metales (por ejemplo, de acero). Las operaciones comerciales tradicionalmente usan muelas comerciales ligadas con goma laca (es común el grano abrasivo de alúmina de grano 80) y estas muelas se hacen funcionar normalmente a 6500 sfpm, con una velocidad máxima de aproximadamente 8000 sfpm. A continuación se indican las condiciones de rectificado y en las Tablas 4-2 y 4-3 se muestran los resultados del ensayo.
Condiciones de Rectificado A
Máquina de rectificado: Farrell Roll Grinder, 40 hp.
Refrigerante: Stuart Synthetic con agua.
Velocidad de la muela: 780 rpm.
Pieza de trabajo: Acero forjado, cilindros de trabajo de laminado en tándem, dureza 842 Equotip, 82 X 25 pulgadas (208 X 64 cm).
Velocidad de la pieza de trabajo (cilindro); 32 rpm.
Avance longitudinal: 100 pulgadas/min.
Alimentación continua: 0,0009 pulgadas/min.
Alimentación final: 0,0008 pulgadas/min.
Acabado de superficie requerido: rugosidad 18-30 Ra, 160 picos máximo.
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Condiciones de Rectificado B
Máquina de rectificado: Pomini Roll Grinder, 150 hp
Refrigerante: Stuart Synthetic con agua
Velocidad de la muela: 880 rpm.
Pieza de trabajo: Acero forjado, cilindros de trabajo de laminado en tándem, dureza 842 Equotip, 82 X 25 pulgadas (208 X 64 cm).
Velocidad de la pieza de trabajo (cilindro): 32 rpm.
Avance longitudinal: 100 pulgadas/min.
Alimentación continua: 0,00011 pulgadas/min.
Alimentación final: 0,002 pulgadas/min.
Acabado de superficie requerido: rugosidad 18-30 Ra, 160-180 picos aprox.
TABLA 4-2 Resultados del Ensayo de Rectificado/Condiciones de Rectificado A 
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En las condiciones de rectificado A, las muelas de rectificado experimentales presentaron un excelente rendimiento de rectificado, consiguiendo relaciones-G significativamente mayores que las observadas en las operaciones comerciales pasadas en estas condiciones de rectificado con muelas ligadas con goma laca. Basándose en la experiencia pasada en el rectificado de cilindros en condiciones de rectificado A, las muelas experimentales 2-1, 2-2 y 2-3 se habrían considerado demasiado blandas (con valores de grado de dureza de la Norton Company de B-D) como para producir una eficacia de rectificado comercialmente aceptable, de esta manera, estos resultados que muestran excelentes relaciones-G eran muy poco habituales. Además, el acabado de la superficie de los cilindros carecía de marcas de vibración y estaba dentro de las especificaciones para la rugosidad superficial (18-30 Ra) y del número de picos en la superficie (aproximadamente 160). Las muelas experimentales suministraron una calidad de acabado de superficie observada previamente sólo con las muelas ligadas con goma laca.
Un segundo ensayo de rectificado de la muela experimental 3-3, en las condiciones de rectificado B, confirmó los sorprendentes efectos beneficiosos del uso de las muelas de la invención en una operación de rectificado de cilindros en frío de acabado comercial durante un periodo de ensayo prolongado. Los resultados se muestran a continuación en la Tabla 4-3.
TABLA 4-3 Resultados del Ensayo de Rectificado/Condiciones de Rectificado B 
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a. Medición del Desgaste de la Muela
b. Medición del Material Retirado.
La relación-G acumulativa para la muela experimental 2-4 fue de 2,093 después de rectificar 19 cilindros y de experimentar un desgaste de aproximadamente 3 pulgadas del diámetro de la muela. Esta relación-G representa una mejora de 2 a 3 veces las relaciones-G observadas para las muelas de rectificado comerciales (por ejemplo, las muelas ligadas con goma laca, C-6 y C-7, descritas en el Ejemplo 2) usadas para rectificar cilindros en las condiciones de rectificado A o B. La velocidad rotacional de la muela y la velocidad de eliminación de material excedieron las de muelas comerciales comparativas usadas en esta operación de rectificado de cilindros, demostrando de esta manera adicionalmente la eficacia de rectificado inesperada posible con el método de rectificado de la invención. El acabado de la superficie del cilindro conseguido por la muela experimental fue aceptable según los patrones de producción comerciales. Los resultados acumulativos observados después del rectificado de 19 cilindros confirma la operación en estado estacionario de la muela experimental y la resistencia beneficiosa de la muela al desarrollo de salientes de muela y vibración cuando la muela se consume por la operación de rectificado.
Ejemplo 5 Aglomerados de Grano Abrasivo/Aglutinante Inorgánico
Se fabricaron muestras de aglomerado a partir de una mezcla sencilla de grano abrasivo, material aglutinante y mezclas de agua descritas en la Tabla 5-1. La composición de material aglutinante vitrificado usada para preparar las muestras era el material aglutinante C indicado en la Tabla 1-2. El grano abrasivo era un grano abrasivo 38A de alúmina fundida, con un tamaño de grano 80, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA.
Se formaron muestras de grano abrasivo aglomerado a 1150°C utilizando un aparato de calcinación rotatorio (modelo número HOU-6D60-RTA-28, Harper International, Buffalo, New York), equipado con un tubo metálico (Hastelloy) de 120 pulgadas (305 cm) de longitud, 5,75 pulgadas (15,6 cm) de diámetro interno, 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. Se usó una unidad de alimentación Brabender® con una velocidad de alimentación volumétrica de control ajustable para introducir la mezcla de grano abrasivo y material aglutinante en el tubo de calentamiento del aparato de calcinación rotatorio. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 3,5 a 4 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 a 3 grados, y una velocidad de alimentación del material de 6-10 kg/hora.
Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, se seleccionaron muestras de grano abrasivo aglomerado y se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD) y distribución de tamaños. Estos resultados se muestran en la Tabla 5-1.
TABLA 5-1 Características del Gránulo Aglomerado VI 
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a. \begin{minipage}[t]{142mm} El % en volumen de material aglutinante es un porcentaje del material sólido dentro del gránulo (es decir, material aglutinante y grano) después de la cocción y no incluye el % en volumen de porosidad.\end{minipage}
La muestra de grano aglomerado V1 se usó para fabricar muelas de rectificado (tipo 1) (tamaño de acabado: 20 X 1 X 8 pulgadas) (50,8 X 2,54 X 20,3 cm). La composición de las muelas (incluyendo % en volumen de abrasivo, ligante y porosidad de las muelas cocidas), la densidad y las propiedades mecánicas de las muelas se describen en la Tabla 5-2. Se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 1 a 4 para producir muelas de grado de dureza F y se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 5 a 8 para producir muelas con un grado de
dureza G.
Para fabricar las muelas abrasivas, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con un adhesivo líquido y una composición ligante vitrificada en polvo correspondiente al material aglutinante C de la Tabla 1-2. Las estructuras de los aglomerados fueron suficientemente resistentes a la compactación como para retener una cantidad eficaz de aglomerados que tenían un carácter tridimensional después de someterse a las operaciones de mezcla y moldeo de muelas abrasivas. Las muelas después se moldearon, se secaron, se cocieron a una temperatura máxima de 900°C, se clasificaron, se acabaron, se equilibraron y se inspeccionaron de acuerdo con las técnicas de fabricación de muelas de rectificado comerciales conocidas en la técnica.
Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para asegurar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para un movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron al ensayo de velocidad máxima para el equipo de ensayo (85,1 metros/segundo) y, de esta manera, tuvieron suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de alimentación progresiva.
La composición de las muelas (incluyendo % en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas cocidas), densidad y propiedades mecánicas de las muelas se describen en la Tabla 5-2.
TABLA 5-2 Características de Muelas Abrasivas
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a. \begin{minipage}[t]{142mm} Las muestras de muelas comparativas fueron productos comerciales obtenidos en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA, y comercializadas con las designaciones de muelas comerciales indicadas para cada una en la Tabla 5-2. \end{minipage}
b. \begin{minipage}[t]{142mm} Los valores para % en volumen de ligante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen de materiales aglutinantes vitrificados usados en los granos para fabricar los aglomerados.\end{minipage}
c. \begin{minipage}[t]{142mm} Las muelas se ensayaron con respecto al módulo de ruptura en una máquina de ensayo mecánico Instron Modelo 1125 con una plantilla de curvar de 4 puntos con un tramo de soporte de 3'', un tramo de carga de 1'' y a una velocidad de carga de 0,050'' por minuto de la velocidad del cabezal.\end{minipage}
d. \begin{minipage}[t]{142mm} Las muelas no se rompieron cuando se hicieron girar a la velocidad máxima conseguida con la máquina de ensayo de estallido.\end{minipage}
Los valores del módulo elástico de las muelas experimentales 1-4 fueron menores en 34 a 43% que el valor para la muela comparativa de grado F, y los valores del módulo elástico de las muelas experimentales 5-8 fueron menores en 45 a 54% que el valor para la muela comparativa de grado G. Las muelas que tenían composiciones de % en volumen idénticas de grano, ligante y porosidad, de una manera bastante inesperada, tuvieron valores de módulo elástico significativamente diferentes. La muela experimental 1 tenía un valor de módulo elástico 34% menor que el valor para la muela comparativa de grado F, y la muela experimental 5 tenía un valor de módulo elástico 51% menor que el valor para la muela comparativa de grado G. En un experimento separado, las muelas comparativas fabricadas con grados más blandos como para caracterizarse por valores de módulo elástico relativamente bajos equivalentes, carecían de suficiente resistencia mecánica para pasar el ensayo de velocidad de
85,1 m/s.
Los valores del ensayo de velocidad para las muelas experimentales fueron totalmente aceptables. Además, a composiciones idénticas de % en volumen de grano, ligante y porosidad, la muela experimental 1 presentó un módulo de ruptura sólo 7% menor que el de la muela comparativa de grado F, mientras que la muela experimental 5 presentó un módulo de ruptura sólo 3% menor que el de la muela comparativa de grado G. Esta ligera reducción en el módulo de ruptura era esperada, dada la ligera reducción de densidad de las muelas experimentales con respecto a las muelas comparativas. La reducción de la densidad también sugiere que las muelas experimentales han resistido a la contracción durante el procesamiento térmico, con respecto a las muelas comparativas que tenían una composición en % en volumen idéntica, y esto representa ahorros potenciales significativos en los costes de fabricación, tanto en los costes de material como en las operaciones de acabado.
Las muelas se ensayaron en una operación de rectificado de alimentación progresiva, frente a muelas comerciales comparativas recomendadas para uso en operaciones de rectificado de alimentación progresiva. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, composiciones en % en volumen idénticas o similares, grados de dureza equivalentes (el grado se determinó basándose en el contenido en % en volumen de grano, ligante y porosidad) y químicas de unión funcionalmente equivalentes, y por lo demás fueron muelas comparativas adecuadas para un estudio de rectificado de alimentación progresiva. Pero las muestras comparativas se realizaron sin grano aglomerado y fueron necesarios inductores de poros sacrificatorios para conseguir el porcentaje en volumen deseado de porosidad y la densidad de la muela. Las designaciones de muelas comerciales y las composiciones de las muelas comparativas se describen en la Tabla 5-2 (muelas comerciales 38A80F19VCF2 y 38A80G19VCF2).
Se realizó un ensayo de rectificado de "cuña", estando inclinada la pieza de trabajo con un ángulo pequeño con respecto a la placa de la máquina sobre la que se monta. Esta geometría da como resultado una mayor profundidad de corte, aumentando la velocidad de eliminación de material y aumentando el espesor de las virutas según progresa el rectificado desde el principio al final. De esta manera, los datos de rectificado se recopilan sobre una serie de condiciones en un solo ciclo de trabajo. La evaluación del comportamiento de la muela en el ensayo de cuña se ayuda adicionalmente por medio de la medición y registro de la potencia del eje y las fuerzas de rectificado. La determinación precisa de las condiciones (MRR, espesor de las virutas, etc.) que producen resultados inaceptables, tales como quemado de rectificado o rotura de la muela, facilita la caracterización del comportamiento de la muela y la clasificación de rendimientos relativos del producto.
Condiciones de Rectificada
Máquina: Hauni-Blohm Profimat 410.
Modo: Rectificado de alimentación progresiva en cuña.
Velocidad de la muela: 5500 pies de superficie por minuto (28 m/seg).
Velocidad de la Mesa: Variada de 5 a 17,5 pulgadas/minuto (12,7-44,4 cm/minuto).
Refrigerante: Master Chemical Trim E210 200, a una concentración de 10% con agua desionizada, 72 gal/min (272 l/min).
Material de pieza de trabajo: Inconel 718 (42 HRc).
Modo de reavivación: Diamante rotatorio, continuo.
Compensación de reavivación: 20 micropulgadas/rev (0,5 micrómetros/rev).
Relación de velocidad: +0,8.
En estos ensayos de rectificado, el aumento continuo de la profundidad de corte proporcionó un aumento continuo en la velocidad de eliminación de material sobre la longitud del bloque (8 pulgadas (20,3 cm)). El fallo se indicó por quemado de la pieza de trabajo, rotura de la muela, acabado de superficie rugoso y/o perdida de la forma de esquina. El desgaste de la muela por el rectificado fue menor que la pérdida debido a la compensación de reavivación continua realizada durante el ensayo de rectificado. En la Tabla 5-3 se indican la energía de rectificado específica y la velocidad de eliminación de material a la que se produjo el fallo (MRR máxima).
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TABLA 5-3 Resultados del Ensayo de Rectificado
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a. \begin{minipage}[t]{146mm} Para calcular los valores de mejora en porcentaje, las muelas experimentales se compararon con el grado equivalente más próximo en una muela comparativa. Las muelas experimentales 1-4 se compararon con la muela de grado F; y las muelas experimentales 5-8 se compararon con la muela de grado G.\end{minipage}
Como puede verse por los resultados del ensayo de rectificado en la Tabla 5-3, antes de producirse el fallo, las muelas experimentales presentan valores de MRR de 20 a 58% mayores que los de las muelas comparativas que tienen composiciones de % en volumen idénticas. A composiciones idénticas, las muelas experimentales presentaron al menos una reducción de 17% en la energía necesaria para el rectificado (energía de rectificado específica). Estas deficiencias de operación de rectificado se consiguieron sin ninguna pérdida significativa de calidad superficial de la pieza de trabajo que se estaba rectificando. El resultado sugiere que las muelas experimentales podían hacerse funcionar en operaciones de rectificado de alimentación progresiva comerciales a una menor velocidad de reavivación con una MRR constante, consiguiendo de esta manera al menos una duplicación de la vida de la
muela.
Ejemplo 6 Aglomerados de Grano Abrasivo/Aglutinante Inorgánico
Se fabricaron muestras de grano aglomerado a partir de una mezcla sencilla de grano abrasivo, material aglutinante y agua como se describe en la Tabla 6-1. Las composiciones de material aglutinante ligado con ligante vitrificado usadas para preparar las muestras constaban del material aglutinante C indicando en la Tabla 1-2. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina 38A fundida, con un tamaño de grano 60, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA.
Se prepararon muestras de granos abrasivos aglomerados en un aparato de calcinación rotatorio industrial (fabricado por Bartlett Inc. Stow, Ohio; modelo de gas de cocción directa) a una temperatura máxima de 1250°C, equipado con un tubo refractario de 35 pies (10,7 m) de longitud, 31 pulgadas (0,78 metros) de diámetro interno y 23 pulgadas (0,58 m) de espesor. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a un punto fijado de control de la temperatura de la zona caliente de 1250°C, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 2,5 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 3 grados y una velocidad de alimentación de material de 450
kg/hora.
Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, las muestras de grano abrasivo aglomerado se tamizaron y se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD) y distribución de tamaños. Estos resultados se muestran en la Tabla 6-1.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 6-1 Característiras de Gránulos Aglomerados V2
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a. \begin{minipage}[t]{140mm} El porcentaje en volumen de material aglutinante es un porcentaje del material sólido dentro del gránulo (es decir, material aglutinante y grano) después de la cocción, y no incluye el porcentaje en volumen de porosidad.\end{minipage}
Se usaron muestras de aglomerado para fabricar muelas de rectificado (tipo 1) (tamaño de acabado: 20 X 1 X 8 pulgadas) (50,8 X 2,54 X 20,3 cm). Para fabricar las muelas abrasivas, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con un aglutinante líquido y una composición de ligante vitrificado en polvo correspondiente al material aglutinante C de la Tabla 1-2. Las estructuras de los aglomerados fueron suficientemente resistentes a la compactación para retener una cantidad eficaz de aglomerados con un carácter tridimensional después de someterse a las operaciones de mezcla y moldeo de la muela abrasiva. Las composiciones para las muelas experimentales 9 a 11 se seleccionaron para producir muelas con dureza de grado I, las composiciones para las muelas experimentales 12 a 16 se seleccionaron para producir muelas con grado de dureza K y las composiciones para las muelas experimentales 17 a 19 se seleccionaron para producir muelas de dureza de grado J. Las muelas después se moldearon, se secaron, se cocieron a una temperatura máxima de 1030°C, se clasificaron, se acabaron, se equilibraron y se inspeccionaron de acuerdo con técnicas de fabricación de muelas de rectificado comerciales conocidas en la
técnica.
Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para asegurar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para el movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Los resultados del ensayo de estallido se proporcionan en la Tabla 6-2. Todas las muelas experimentales tuvieron suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de alimentación progresiva. Las operaciones de rectificado de alimentación progresiva comerciales tradicionalmente hacen funcionar estas muelas de rectificado a 6500 sfpm (33 m/s) con una velocidad de operación máxima de aproximadamente 8500 sfpm
(43,2 m/s).
La composición de las muelas (incluyendo % en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas cocidas), la densidad y las propiedades del material de las muelas se describen en la Tabla 6-2.
TABLA 6-2 Características de las Muelas Abrasivas
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a. \begin{minipage}[t]{143mm} Las muestras de muelas comparativas eran productos comerciales obtenidos en Saint-Gobain Abrasives, Ltd., Stadfford, UK, y estaban marcadas con las designaciones de muelas indicadas para cada una en la Tabla 6-2.\end{minipage}
b. \begin{minipage}[t]{143mm} Los valores para % en volumen de ligante de las muelas experimentales incluye el porcentaje en volumen de material aglutinante vitrificado usado sobre los granos para fabricar los aglomerados.\end{minipage}
c. \begin{minipage}[t]{143mm} Esta muela se parece a la muela comparativa 38A60-K75 LCNN en la composición en % en volumen, pero se ha fabricado con un grano abrasivo de alfa-alúmina sol gel sinterizada alargado que tiene una relación de dimensiones mayor de 4:1, de acuerdo con los documentos US-A-5.738.696 y US-A-5.738.697 de Wu. Debe tenerse en cuenta que tiene menor densidad, pero presenta un valor de módulo elástico muy similar al de 38A60K75 LCNN.\end{minipage}
De manera bastante inesperada, unas muelas que tenían composiciones de % en volumen idénticas de grano, ligante y porosidad, tuvieron valores de módulo elástico significativamente diferentes. De forma destacable, el valor del módulo elástico de una muela comparativa (TG2-80 E13 VCF5) fabricada con el porcentaje en volumen de porosidad relativamente alto deseado y la densidad relativamente baja por medio de la adición de partículas alargadas (grano abrasivo) en lugar de inductores de poros sacrificatorios, no presentó una reducción en el valor del módulo elástico. De hecho, el valor del módulo elástico fue mayor que en la muela comparativa equivalente más parecida y mucho mayor que en las muelas experimentales que tenían composiciones de % en volumen
equivalentes.
A pesar de las menores propiedades del módulo elástico, los valores del ensayo de velocidad para las muelas experimentales fueron totalmente aceptables. A composiciones de % en volumen idénticas de grano, ligante y porosidad, la muela experimental 1 presentó un módulo de rotura y valores de velocidad de estallido sólo ligeramente menores. Las densidades de las muelas experimentales fueron ligeramente menores que las de muelas comparativas que se habían formulado a una composición de porcentajes en volumen idéntica. De esta manera, era de esperar una pequeña reducción en el módulo de ruptura. La reducción en la densidad también sugiere que las muelas experimentales habían resistido a la contracción durante el procesamiento térmico con respecto a las muelas comparativas que tenían una composición en % en volumen idéntica, y esto representa ahorros potenciales significativos en los costes de fabricación, tanto en los costes del material como en las operaciones de
acabado.
Las muelas se ensayaron en una operación de rectificado de alimentación progresiva usando las condiciones de rectificado del ensayo de cuña descrito en el Ejemplo 5. Las muelas se ensayaron frente a muelas comerciales comparativas recomendadas para uso en operaciones de rectificado de alimentación progresiva. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, composiciones de porcentaje en volumen idénticas o similares, grados de dureza equivalentes (el grado se determinó basándose en el contenido de % en volumen de grano (ligante y porosidad) y químicas de unión funcionalmente equivalentes, y por lo demás eran muelas comparativas adecuadas para un estudio de rectificado de alimentación progresiva. Pero las muelas comparativas se fabricaron sin grano aglomerado y se usaron inductores de poros sacrificatorios para conseguir el porcentaje en volumen de porosidad y la densidad de la muela deseados. En la Tabla 6-2 se describen las designaciones de las muelas comerciales y las composiciones de las muelas comparativas (muelas comerciales 38A60-I96 LCNN, 38A60-K75 LCNN y 38A60-J64 LCNN). Los resultados se proporcionan a continuación en la Tabla 6-3.
TABLA 6-3 Resultados del Ensayo de Rectificado
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a. \begin{minipage}[t]{145mm} Para calcular los valores de mejora en porcentaje, se compararon muelas experimentales con el grado equivalente más próximo en una muela comparativa. Las muelas experimentales 9-11 se compararon con la muela de grado I; las muelas experimentales 12-16 se compararon con la muela de grado K; y las muelas experimentales 17-19 se compararon con la muela de grado J.\end{minipage}
Como puede verse por los resultados del ensayo de rectificado de la Tabla 6-3, las muelas experimentales mostraron mayor MRR (10 a 68%) antes de que se produjera el fallo, con respecto a las muestras comparativas que tenían composiciones de % en volumen idénticas. A composiciones idénticas, las muelas experimentales presentaron una reducción en energía (3 a 31%) necesaria para rectificar (energía de rectificado específica). Estas eficacias de operación de rectificado se consiguieron sin ninguna pérdida significativa de calidad de la superficie de la pieza de trabajo que se estaba rectificando. Los resultados sugieren que las muelas experimentales podrían hacerse funcionar en operaciones de rectificado de alimentación progresiva comerciales a una menor velocidad de reavivación con una MRR constante, consiguiendo de esta manera al menos una duplicación de la vida de la muela.
Ejemplo 7 Aglomerados de Grano Abrasivo/Aglutinante Orgánico
Se preparó una serie de muestras de grano abrasivo aglomerado (A1-A8) a partir de una mezcla de grano abrasivo y material aglutinante de resina fenólica (resina Durez Varcum® 29-717, gravedad específica 1,28 g/cc, obtenida en Durez Corporation, Dallas TX) en las cantidades descritas en la Tabla 7-1. Todas las muestras se prepararon con grano abrasivo de alúmina 38A fundida, tratada con silano, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA, en los tamaños de grano (grano 80 ó 46) indicados en la Tabla 7-1.
El grano y el material aglutinante de resina se pusieron en el recipiente de un mezclador (muestras A5-A8 en un mezclador Erich de alto cizallamiento modelo número RV-02 fabricado por Erich Company, Gurnee, IL; la muestra A1 en un mezclador de recipiente fabricado por Foote-Jones/Illinois Gear en Chicago, IL; y las muestras A2, A3 y A4 en un mezclador de recipiente hecho de encargo por Boniface Tool and Die en Southbridge MA). La mezcla se inició a una velocidad del recipiente fijada a 64 rpm y a una velocidad de paletas fijada a 720 rmp (muestras A5-A8 en el mezclador Eirich); o una velocidad del recipiente de 35 rpm y con las paletas estacionarias (muestra A1 en el mezclador Foote/Jones); o una velocidad del recipiente de 35 rpm y una velocidad de las paletas de 75 rmp (muestras A2-A4 en el mezclador Boniface). Mientras se mezclaba, se pulverizó suficiente disolvente (furfural) en una niebla sobre la mezcla de grano y el material aglutinante para hacer que los granos y el material aglutinante se aglomeraran conjuntamente. La pulverización del disolvente sobre la mezcla se continuó sólo hasta que los granos y el material aglutinante habían formado aglomerados. En la preparación de la muestra A1, el disolvente se pulverizó manualmente sobre los componentes secos con un frasco de plástico. En la preparación de las muestras A2-A8, el disolvente se pulverizó sobre los componentes secos como una niebla continua en cantidades medidas usando un Tool Mist Coolant Generator, obtenido en Wesco Company, Chatsworth, CA. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a temperatura ambiente.
Después de la aglomeración en el mezclador, las muestras de grano abrasivo aglomerado se tamizaron a través de un tamiz US de malla 3,5 y se secaron durante una noche en condiciones ambientales. Las muestras se volvieron a tamizar en un tamiz grueso (tamiz convencional U.S. número 8 para aglomerados de grano 46, y tamiz número 20 para aglomerados de grano 80) y se extendieron en una sola capa en una bandeja de cocción revestida con fluoropolímero (aproximadamente 45 X 30 cm). Los aglomerados después se curaron en un horno de laboratorio (Despatch modelo número VRD-1-90-1E de Despatch Industries, Minneapolis MN) en condiciones atmosféricas, se calentaron a una temperatura máxima de 160°C, y se mantuvieron a esa temperatura durante 30 minutos. Los aglomerados curados se laminaron bajo una barra de acero de 1,5 pulgadas que se hizo funcionar manualmente para triturar parcialmente y separar los aglomerados mayores en aglomerados más pequeños.
Los aglomerados curados se tamizaron con tamices de ensayo convencionales U.S montados en un aparato de tamizado vibratorio (Ro-Tap; Modelo RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH). Los tamaños de malla del tamiz variaban de 10 a 45 para los aglomerados fabricados con grano 46 y de 20 a 45 para los aglomerados fabricados con un grano abrasivo de tamaño de grano 80.
El rendimiento de los aglomerados fluidos útiles de las muestras A1-A8 definidos como aglomerados que tenían una distribución de tamaños del tamaño de malla indicado (tamaño de tamiz convencional US) como % en peso del peso total de la mezcla de grano antes de la aglomeración se muestra más adelante en la Tabla 7-1.
Los aglomerados se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD), con respecto a la densidad y la distribución de tamaños y se caracterizaron visualmente antes y después de usarse para fabricar herramientas de rectificado abrasivo. La densidad de empaquetamiento suelto de los aglomerados curados (LPD) se midió por el procedimiento de la Norma Nacional Americana para la Densidad Aparente de Granos Abrasivos. La densidad relativa media inicial, expresada como un porcentaje, se calculó dividiendo la LPD (\rho) por una densidad teórica de los aglomerados (\rho_{0}), asumiendo una porosidad 0. La densidad teórica se calculó de acuerdo con la regla volumétrica del método de mezclas a partir del porcentaje en peso y la gravedad específica del material aglutinante y del grano abrasivo contenido en los aglomerados.
Estos aglomerados tenían características de LPD, densidad relativa y distribución de tamaños adecuadas para uso en la fabricación comercial de muelas de rectificado abrasivas. Los resultados de los ensayos de los aglomerados se muestran en la Tabla 7-1.
Los aglomerados curados acabados tenían formas tridimensionales que variaban entre formas triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares, cilíndricas y otras formas geométricas. Los aglomerados constaban de una pluralidad de granos abrasivos individuales (por ejemplo, 2 a 40 granos) unidos entre sí por un material aglutinante de resina en los puntos de contacto de grano a grano. Basándose en los cálculos de densidad del material y volumétricos, la porosidad de los aglomerados era de aproximadamente 18% en volumen. Las estructuras de los aglomerados fueron suficientemente resistentes a la compactación como para retener una cantidad eficaz de aglomerados que retenían un carácter tridimensional inicial después de someterse a operaciones de mezcla y moldeo de muelas
abrasivas.
TABLA 7-1 Características de gránulos aglomerados
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a. \begin{minipage}[t]{145mm} El porcentaje en volumen del material aglutinante es un porcentaje del material sólido dentro del gránulo (es decir, material aglutinante y grano) después del curado, y no incluye el % en volumen de porosidad. El porcentaje en volumen de material aglutinante de los aglomerados curados se calculó asumiendo que no había porosidad interna ni pérdidas de mezcla.\end{minipage}
Muelas Abrasivas
Las muelas aglomeradas A1, A2 y A3 se usaron para fabricar muelas de rectificado abrasivas de copa de Tipo 6 (tamaño de acabado: 3,5 X 3,75 X 0,88-0,50 pulgadas de borde) (8,9 X 9,5 X 2,2-1,3 cm de borde). Para fabricar las muelas abrasivas experimentales, los aglomerados se mezclaron manualmente en lotes de 250 gramos con una composición ligante de resina fenólica hasta que se obtuvo una mezcla uniforme. La composición de ligante de resina era una mezcla de 22% en peso de resina fenólica líquida (V-1181 de Honeywell International Inc., Friction Division, Troy NY) y 78% en peso de resina fenólica en polvo (resina Durez Varcum® 29-717 de Durez Corporation, Dallas TX). La mezcla uniforme de aglomerado y ligante se puso en moldes y se aplicó presión para formar muelas de fase verde (no curadas). Estas muelas verdes se retiraron de los moldes, se enrollaron en papel estucado y se curaron por calentamiento a una temperatura máxima de 170°C, se clasificaron, se acabaron y se inspeccionaron de acuerdo con técnicas de fabricación de muelas de rectificado comerciales conocidas en la
técnica.
Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para asegurar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para un movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales soportaron un ensayo de velocidad de 7200 rmp y, de esta manera, tuvieron suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies.
Las composiciones de las muelas (incluyendo el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante, porosidad de las muelas curadas) se describen en la Tabla 7-2.
TABLA 7-2 Características de Muelas Abrasivas 
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a) \begin{minipage}[t]{143mm} A 46% en volumen de grano abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (es decir, 12-16% en volumen más) que las muelas experimentales fabricadas con 30 o 34% en volumen de grano abrasivo. \end{minipage}
b) \begin{minipage}[t]{143mm} Los valores para el porcentaje en volumen de ligante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen de material aglutinante de resina usado en los granos para fabricar los aglomerados y el ligante usado para fabricar las muelas. Basándose en observaciones de ensayo preliminares, las muelas experimentales se formularon (componentes en porcentaje en volumen) a un grado de dureza D en la escala de grados de dureza de la Norton Company para muelas comerciales. \end{minipage}
c) \begin{minipage}[t]{143mm} Las muestras de muelas comparativas fueron formulaciones de producto comerciales obtenidas en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA, y vendidas con las designaciones de muelas alfa-numéricas indicadas para cada una en la Tabla 7-2. Las muelas contienen ligante de resina fenólica, CaF_{2}, y esferas de mullita huecas, granos abrasivos de alúmina 38A y tienen un grado de dureza (escala de grados de dureza de la Norton Company) de L o P, según se indica. \end{minipage}
Estas muelas experimentales se ensayaron en una operación de rectificado de superficies y se descubrió que eran adecuadas para el uso comercial. Las muelas experimentales se ensayaron frente a las muelas comparativas descritas en la Tabla 7-2 que se recomiendan para uso comercial en operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, el mismo grano abrasivo y los tipos de ligante y por lo demás eran muelas comparativas adecuadas para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero se fabricaron sin grano aglomerado. Los resultados de estos ensayos de rectificados se muestran en la Tabla 7-3.
Ensayo de Rectificado
Las muelas de la invención y las muelas comparativas se ensayaron en un ensayo de rectificado de superficies de alto área de contacto diseñado para imitar las operaciones de rectificado con disco comerciales. Se usaron las siguientes condiciones.
Condiciones de Rectificado
Máquina: Máquina de Rectificado de diámetro externo/diámetro interno Okuma GI-20 N.
Modo de Rectificado: rectificado de superficie (cara); ensayo de simulación de disco.
Velocidad de Muela: 6.000 rpm; 5498 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg).
Velocidad de trabajo: 10 rpm; 20,9 sfpm/0,106 m/seg.
Velocidad de alimentación: 0,015 pulgadas/min (0,0044 mm/s)/0,0210 pulgadas (0,0089 mm/s).
Refrigerante: Trim VHPE210, relación 5% con agua de pozo desionizada.
Material de pieza de trabajo: acero 52100 de 8 pulgadas de diámetro externo (20,3 cm) X 7 pulgadas de diámetro interno (17,8 cm) x 0,50 pulgadas de borde (1,27 cm), dureza Rc-60.
Reavivación: Diamante agrupado; comp. 0,001 pulgada, avance 0,01 pulgadas.
TABLA 7-3 Resultados del ensayo de rectificado
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a. \begin{minipage}[t]{143mm} La relación-G/fracción de % en volumen de abrasivo es una medida del rendimiento de rectificado del grano en la muela. El cálculo normaliza el rendimiento de rectificado para responder de las diferencias significativas en el porcentaje en volumen de grano abrasivo entre las muelas experimentas y comparativas. Puede verse fácilmente que el grano abrasivo en las muelas experimentales proporciona una eficacia de rectificado significativamente mejor en una base de fracción de volumen (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado).\end{minipage}
Los resultados demuestran que las muelas de rectificado fabricadas de acuerdo con la invención eran resistentes al desgaste de la muela, aunque capaces de hacerse funcionar a velocidades de alimentación y velocidades de eliminación de material (MRR) equivalentes a las muelas de rectificado comparativas más parecidas, con duraciones de la vida de la muela (VWVR) mayores a energías específicas de rectificado equivalentes o menores energías específicas de rectificado a una vida de la muela equivalente. La muela experimental (W4) que tenia un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (34%), inesperadamente mostró una mayor velocidad de desgaste de la muela que las otras muelas experimentales que contenían menos granos abrasivos (30%). A una alimentación de 0,0267, todas las muelas experimentales presentaron menos energía específica a una MRR dada que las muelas comparativas. Como la menor energía de rectificado específica se correlaciona con un menor potencial de quemado, se prevé que las muelas de la invención presentan menos quemado de la pieza de trabajo que las muelas comparativas. Además, con respecto a las muelas comparativas, las muelas experimentales presentaron una eficacia de rectificado significativamente mejor en una base de fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado). Este resultado desafía la creencia convencional en la tecnología de abrasivos ligados de que una muela de mayor grado que contiene más grano, resistirá al desgaste y proporcionará una mejor vida de la muela y eficacia de rectificado que una muela de menor grado (más blanda). De esta manera, el comportamiento superior de las muelas de la invención fue significativo e
inesperado.
Ejemplo 8 Muelas Abrasivas
Las muestras de aglomerado A4 y A5 se usaron para fabricar muelas de copa de rectificado de Tipo 6 (tamaño de acabado de 5,0 x 2,0 x 0,625 - 1,5 pulgadas de borde (12,7 x 5,08 x 1,59 - 3,81 cm de borde). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron con el método descrito en el Ejemplo 7, indicado anteriormente.
Durante el moldeo y el prensado de las muelas verdes usando los aglomerados, se observó que era necesaria alguna compresión de la mezcla para conseguir una muela curada que tuviera suficiente resistencia mecánica para uso en rectificado de superficies. Si el molde se llenaba con la mezcla de ligante y aglomerados y, esencialmente no se producía compresión durante el moldeo, de forma que los aglomerados retenían su LPD original, entonces las muelas experimentales curadas resultantes no presentaban ninguna ventaja en el rectificado frente a las muelas comparativas. Sin embargo, si se aplicaba suficiente presión a la mezcla moldeada de aglomerados y ligante para comprimir el volumen de la mezcla en al menos 8% en volumen, entonces las muelas presentaban un mejor rendimiento de rectificado en los ensayos de rectificado de superficies. Se observó que los valores de compresión de volumen en el intervalo de 8-35% en volumen (con respecto a la LPD original del aglomerado y el volumen de mezcla puesto en el molde) producían muelas operativas que presentaban las ventajas de la invención. También se observó que el aplastamiento de 8 a 15% en volumen de los aglomerados no cambiaba el rendimiento de rectificado de la muela fabricada con tales aglomerados.
Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para garantizar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para el movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado, y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales soportaron un ensayo de velocidad de 6308 rpm y, de esta manera, tenían suficiente resistencia mecánica para operaciones de rectificado de superficies.
La composición de las muelas (incluyendo el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas curadas) se describe en la Tabla 8-1.
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TABLA 8-1 Características de Muelas Abrasivas
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a) \begin{minipage}[t]{143mm} Con 46% en volumen de grano abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (es decir, 12-16% más en volumen) que las muelas experimentales fabricadas con 30 o 34% en volumen de grano abrasivo.\end{minipage}
b) \begin{minipage}[t]{143mm} Los valores para el porcentaje en volumen de ligante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen de material de resina aglutinante usado en los granos para fabricar los aglomerados y el porcentaje en volumen de ligante usado para fabricar las muelas. Las muelas W5, W6 y W8 se realizaron para un grado D de la escala de Grados de Norton. La muela W7 se realizó para un grado A y la muela W9 se realizó para un grado G de dureza de la escala de grados de dureza de la Compañía Norton para muelas comerciales.\end{minipage}
c) \begin{minipage}[t]{143mm} Las muestras de muelas comparativas eran formulaciones comerciales de productos obtenidos en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA y vendidas con las designaciones alfanuméricas de muelas indicadas para cada una en la Tabla 8-1. Las muelas contenían ligante de resina fenólica, CaF_{2}, esferas huecas de mullita, grano abrasivo de alúmina 38A y tenían un grado de dureza (escala comercial de la Norton Company) de I, L, P o T, según se indica.\end{minipage}
d) \begin{minipage}[t]{143mm} La permeabilidad a los fluidos (aire) se proporciona en unidades de cc/seg/pulgada de agua y se mide con una boquilla de 1,1 cm por el método descrito en las Patentes de Estados Unidos N° 5.738.696 y 5.738.697.\end{minipage}
En el examen visual de vistas de sección transversal de las muelas experimentales curadas, la resina fenólica usada para ligar los aglomerados entre sí en las muelas parecía haberse extraído hacia las áreas vacías alrededor de las superficies de los aglomerados, llenando algunas áreas vacías o todas ellas. Esto no se observaba en muelas verdes ni en muelas fabricadas con una resina de muela de alta viscosidad. Estas observaciones sugieren que el ligante se introducía en las áreas vacías de los aglomerados durante la operación térmica de curado. Se cree que esta migración de ligante durante la etapa de curado disminuye eficazmente la porosidad intra-aglomerado y aumenta eficazmente la porosidad interaglomerado, relativas a una distribución teórica de porosidad dentro y entre aglomerados. El resultado neto fue la creación de una estructura compuesta que contenía una matriz de grano abrasivo/ligante dentro de una fase continua que comprendía porosidad de una naturaleza interconectada.
Estas muelas experimentales se ensayaron en una operación de rectificado de superficies y se observó que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se ensayaron frente a las muelas comparativas descritas en la Tabla 8-1, que se usan comercialmente en las operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, los mismos tipos de grano abrasivo y de ligante y por lo demás eran muelas comparables para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero se habían fabricado sin grano aglomerado. Las condiciones y resultados del ensayo de rectificado se proporcionan más adelante en la Tabla 8-2.
Ensayo de Rectificada
Las muelas de la invención y las muelas comparativas se ensayaron en un ensayo de rectificado de superficies de gran área de contacto, diseñado para operaciones simuladas de rectificado con disco comercial. Se usaron las siguientes condiciones.
Condiciones de Rectificado
Máquina: Rail Grinder; potencia máxima: 45 HP.
Modo de Rectificado: Rectificado de superficies (ensayo de simulación de disco).
Velocidad de muela: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg).
Velocidad de trabajo: 3 rpm; 37,7 sfpm/0,192 m/seg.
Velocidad de alimentación: 0,027 pulgadas/revolución (0,0686 mm/revolución) y 0,004 pulgadas/revolución
(0,1016 mm/revolución).
Tiempo de rectificado: 15 minutos.
Pasadas sin chispas: 10 segundos.
Refrigerante: Trim Clear, relación 2% con agua de pozo desionizada.
Material de la pieza de trabajo: Acero 1070 de 48 pulgadas (1,22 m) de diámetro exterior x 46,5 pulgadas (1,18 m) de diámetro interno x 0,75 pulgadas (1,91 cm) de borde, dureza Brinnell HB 300-331; ninguna reavivación.
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TABLA 8-2 Resultados del Ensayo de Rectificado
34
a. \begin{minipage}[t]{143mm} La relación-G/fracción de porcentaje en volumen de abrasivo es una medida del rendimiento de rectificado del grano de la muela. El cálculo normaliza el rendimiento de rectificado para responder de las diferencias significativas de porcentaje en volumen de grano abrasivo entre las muelas experimentales y comparativas. Se puede observar fácilmente que el grano abrasivo de las muelas experimentales proporciona una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción de volumen (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado). \end{minipage}
Los resultados demuestran que las muelas de rectificado fabricadas de acuerdo con la invención tenían vidas (WWR) de muela mayores a energías especificas de rectificado equivalentes o tenían menores energías especificas de rectificado a una vida equivalente de la muela. Como la menor energía específica de rectificado se relaciona con un menor potencial de quemado, se puede anticipar que las muelas de la invención presentan menos quemado de la pieza de trabajo que las muelas comparativas.
Además, en relación con las muelas comparativas, las muelas experimentales proporcionaban una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción en volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado). Este resultado desafía a la creencia convencional de la tecnología de abrasivos ligados según la cual una muela de grado más alto que tiene más grano resistirá al desgaste y proporcionará una mejor vida de la muela y una mejor eficacia de rectificado que una muela de grado más bajo (más blanda).
De esta manera, de acuerdo con la invención se pueden fabricar y hacer funcionar muelas de rectificado experimentales que tienen suficiente resistencia mecánica para la aceptación comercial, pero que tienen grados medibles de dureza comparativamente bajos y cantidades de porosidad interconectada comparativamente altas, que existen como una fase continua dentro de la matriz abrasiva de la muela.
Ejemplo 9 Muelas Abrasivas
Se usó la muestra A6 de aglomerado para fabricar muelas de rectificado de copa de Tipo 6 (tamaño de acabado 5,0 x 2,0 x 0,625 - 1,5 pulgadas de borde (12,7 x 5,08 x 1,59 - 3,81 cm de borde). Las muelas abrasivas experimentales se realizaron de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 7, indicado anteriormente. Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para garantizar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para el movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales soportaron un ensayo de velocidad de 6308 rpm y, de esta manera, tenían suficiente resistencia mecánica para operaciones de rectificado de superficies.
Las composiciones de las muelas (incluyendo el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad de las muelas curadas) se describen en la Tabla 9-1.
TABLA 9-1 Características de las Muelas Abrasivas
35
a) \begin{minipage}[t]{143mm} Los valores para el porcentaje en volumen de ligante de las muelas experimentales incluye el porcentaje en volumen de material aglutinante de resina usado en los granos para fabricar los aglomerados y el porcentaje en volumen de ligante usado para fabricar las muelas.\end{minipage}
Como en el anterior Ejemplo 8, la observación visual de las muelas experimentales curadas demostró migración del ligante al interior de las áreas vacías de la superficie o dentro de los aglomerados. De nuevo, el resultado neto fue la creación de una estructura compuesta que contenía una matriz de grano abrasivo/ligante dentro de una fase continua que comprendía porosidad de una naturaleza interconectada.
Se ensayaron estas muelas experimentales en la operación de rectificado de superficies del Ejemplo 8 y se descubrió que eran adecuadas para uso comercial. Los resultados del rectificado de las muelas experimentales se compararon con los resultados de las cuatro muelas comparativas descritas en la Tabla 8-1. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, el mismo tipo de grano abrasivo y, por lo demás, eran adecuadas para evaluar las muelas experimentales en este estudio de rectificado de superficies, pero estaban fabricadas sin grano aglomerado. Los resultados de estos ensayos de rectificado se muestran en la Tabla 9-2.
TABLA 9-2 Resultados del Ensayo de Rectificado n° 3.924
36
a. \begin{minipage}[t]{143mm} La relación-G/fracción en porcentaje en volumen de abrasivo es una medida del rendimiento de rectificado del grano de la muela. El cálculo normaliza el rendimiento de rectificado para tener en cuenta las diferencias significativas de porcentaje en volumen de grano abrasivo entre las muelas experimentales y comparativas (muestra C2L de la Tabla 8-1). Se puede observar fácilmente que el grano abrasivo de las muelas experimentales proporciona una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción de volumen (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado).\end{minipage}
Las muelas experimentales (A y D) de relativamente bajo grado de dureza presentaban mayor WWR pero menor consumo de energía que las muelas comparables que funcionan en la misma operación de rectificado (por ejemplo, muestra C2 L, una muela de grado L, en la Tabla 8-1). Las muelas comparables de la Tabla 8-1 (grado L a grado P) eran más de 8 grados más duras (según la escala de la Norton Company) que las muelas experimentales W10 y W11. Inesperadamente, el rendimiento de las muelas experimentales (relación-G, MRR y menor consumo de energía) era mayor que el rendimiento de las muelas comparables en la mayor parte de los ciclos de ensayo de rectificado.
Además, en relación con las muelas comparativas, las muelas experimentales proporcionaban una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto al volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado). Este resultado desafía la creencia convencional de la tecnología de abrasivos ligados según la cual una muela de grado más alto que tiene más grano resistirá al desgaste y proporcionará una mayor vida de la muela y mejor eficacia de rectificado que una muela de grado más blando.
De esta manera, de acuerdo con la invención se pueden fabricar y hacer funcionar muelas de rectificado experimentales que tienen suficiente resistencia mecánica para aceptación comercial, pero que tienen grados medibles de dureza comparativamente bajos y cantidades de porosidad interconectada comparativamente altas.
Ejemplo 10 Muelas Abrasivas
Se usaron muestras A7 y A8 de aglomerado para fabricar muelas de rectificado (tamaño de acabado 5,0 x 2,0 x 0,625 - 1,5 pulgadas de borde (12,7 x 5,08 x 1,59 - 3,81 cm de borde). Para las muelas W12 y W13, se usó una muestra de aglomerado tamizada para un intervalo de distribución de tamaños de malla -10/+20. Para la muela W14 se usó una muestra de aglomerado tamizada para un intervalo de distribución de tamaños de malla -14/+20. Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 7, indicado anteriormente. Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para garantizar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para el movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado, y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales soportaron un ensayo de velocidad de 6308 rpm y, de esta manera, tenían suficiente resistencia mecánica para operaciones de rectificado de superficies. La composición de las muelas (incluyendo el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas curadas) se describe en la
Tabla 10-1.
TABLA 10-1 Características de Muelas Abrasivas
37
a) \begin{minipage}[t]{143mm} Con 46% en volumen de grano abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (es decir, 16% más en volumen) que las muelas experimentales fabricadas con 30% en volumen de grano abrasivo.\end{minipage}
b) \begin{minipage}[t]{143mm}Los valores para el porcentaje en volumen de ligante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen de material de resina aglutinante usado en los granos para fabricar los aglomerados y el porcentaje en volumen de ligante usado para fabricar las muelas.\end{minipage}
c) \begin{minipage}[t]{143mm} Las muestras de muelas comparativas eran formulaciones de productos comerciales obtenidos en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA y vendidas con las designaciones alfanuméricas de muelas indicadas para cada una en la Tabla 10-2. Las muelas contenían ligante de resina fenólica, CaF_{2}, esferas huecas de mullita, grano abrasivo de alúmina 38A y tenían un grado de dureza (escala comercial de la Norton Company) de L, según se indica.\end{minipage}
d) \begin{minipage}[t]{143mm} La permeabilidad a los fluidos (aire) se proporciona en unidades de cc/seg/pulgada de agua y se mide con una boquilla de 1,1 cm por el método descrito en las Patentes de Estados Unidos N° 5.738.696 y 5.738.697.\end{minipage} 
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La observación visual de las muelas experimentales curadas, como en los Ejemplos 8 y 9 anteriores, demostró una migración del ligante al interior de áreas vacías en la superficie o dentro de los aglomerados. El resultado neto fue la creación de una estructura compuesta que contenía una matriz de grano abrasivo/ligante dentro de una fase continua que contenía porosidad de una naturaleza interconectada.
Estas muelas experimentales se ensayaron en una operación de rectificado de superficies y se observó que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se ensayaron frente a las muelas comparativas descritas en la Tabla 10-1, que se usan comercialmente en las operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, los mismos tipos de grano abrasivo y de ligante, y por lo demás eran adecuadas para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero estaban realizadas sin aglomerados.
Las condiciones y resultados del ensayo de rectificado se proporcionan más adelante en la Tabla 10-2.
Condiciones de Rectificado
Máquina: Rail Grinder; potencia máxima: 45 HP.
Modo de Rectificado: Rectificado de superficies (ensayo de simulación de disco).
Velocidad de muela: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg).
Velocidad de trabajo: 6 RPM (75,4 sfpm/0,383 m/seg).
Velocidad de alimentación: 0,0010 pulgadas/revolución (0,0254 mm/revolución), 0,0014 pulgadas/revolución
(0,0356 mm/revolución), 0,0020 pulgadas/revolución (0,0508 mm/s) y 0,0027 pulgadas/revolución (0,0686 mm/revo-
lución).
Tiempo de rectificado: 15 minutos a cada velocidad de alimentación; 45 hp.
Pasadas sin chispas: 10 segundos.
Refrigerante: Trim Clear, relación 2% con agua de pozo desionizada.
Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 1070 de 48 pulgadas (1,22 m) de diámetro externo x 46,5 pulgadas (1,18 m) de diámetro interno x 0,75 pulgadas (1,91 cm) de borde, dureza Brinnell HB 302.
Reavivación: ninguna.
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TABLA 10-2 Resultados del Ensayo de Rectificado
38
a. \begin{minipage}[t]{143mm} La relación-G/fracción de porcentaje en volumen de abrasivo es una medida del rendimiento de rectificado del grano de la muela. El cálculo normaliza el rendimiento de rectificado para responder de las diferencias significativas de porcentaje en volumen de grano abrasivo entre las muelas experimentales y comparativas. Se puede observar fácilmente que el grano abrasivo de las muelas experimentales proporciona una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción de volumen (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado).\end{minipage}
Para las muelas experimentales, la energía consumida era ligeramente mayor, pero el WWR era significativamente menor que para las muelas comparativas. Se cree que si las muelas experimentales se hubieran hecho funcionar al menor MRR usado para las muelas comparativas, las muelas experimentales habrían consumido menos ener-
gía.
Una vez más, en relación con las muelas comparativas, las muelas experimentales proporcionaron una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado). Este resultado desafía la creencia convencional de la tecnología de abrasivos ligados según la cual una muela de grado más alto resistirá al desgaste y proporcionará cual una muela de grado más alto resistirá al desgaste y proporcionará una mejor vida útil de muela y mejor eficacia de rectificado que una muela de grado más bajo (más blanda).
Ejemplo 11 Aglomerados de Grano Abrasivo/Adhesivo Orgánico
Para fabricar muestras A9-A13 (Tabla 7-1) de grano abrasivo aglomerado se usaron diversos materiales aglutinantes (como se describe en la Tabla 11-1, indicada más adelante). Como en el Ejemplo 7 anterior, estos aglomerados se prepararon a partir de una mezcla de grano abrasivo, material aglutinante que contenía resina fenólica (resina Durez Varcum® 29-717, de 1,28 g/cc de gravedad especifica, obtenida en Durez Corporation, Dallas, TX), junto con el relleno indicado en la Tabla 11-1. El grano y los materiales aglutinantes se usaron en las cantidades descritas en la Tabla 11-1. Todas las muestras se prepararon con grano abrasivo de alúmina 38A, tratada con silano, fundida, de tamaño de grano 80, obtenida en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA.
El grano y el material aglutinante de resina se pusieron en el recipiente de un mezclador Eirich de alto cizallamiento (modelo número RV-02 fabricado por la Eirich Company, Gurnee, IL). La mezcla se inició con una velocidad del recipiente fijada a 64 rpm y con una velocidad de paletas fijada a 720 rpm. Durante la mezcla, se pulverizó suficiente disolvente (furfural) como una niebla, a una velocidad controlada, sobre la mezcla del grano y el material aglutinante, para hacer que los granos y el material aglutinante se aglomeraran entre sí. La pulverización de disolvente sobre la mezcla únicamente se continuó hasta que los granos y el material aglutinante habían formado aglomerados (es decir, pulverizando a una velocidad de 15-20 g/min durante 7 minutos, sobre un lote que incluía 2,25 kg de grano junto con la cantidad de material aglutinante indicada en la Tabla 11-1). La pulverización se realizó con un Tool Mist Coolant Generator, obtenido en Wesco Company, Chatsworth, CA. El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas a temperatura ambiente.
Después de la aglomeración en el mezclador, las muestras de grano abrasivo aglomerado húmedo se tamizaron a través de un tamiz convencional U.S. 3,5 y se secaron durante una noche en condiciones ambientales. A continuación, las muestras se volvieron a tamizar para producir una distribución de gránulos de -20/+45 y se extendió en una sola capa sobre una bandeja de cocción revestida con fluoropolímero (de aproximadamente 45 x 30 cm). A continuación, los aglomerados se pusieron en un hormo en condiciones atmosféricas, la temperatura se aumentó hasta un máximo de 160°C y los aglomerados se mantuvieron a la temperatura máxima durante 30 minutos para curar el material de resina aglutinante. Los aglomerados curados se laminaron bajo una barra de acero de 1,5 pulgadas, manejada manualmente, para aplastar parcialmente y separar los aglomerados más grandes de los aglomerados más pequeños y, posteriormente se tamizaron para conseguir la distribución deseada de tamaños.
La producción de aglomerados fluidos utilizables, definidos como gránulos que tienen una distribución de tamaños de malla -20 a malla +45 (tamaño de Tamiz Convencional U.S.) fue mayor de 90% en peso del peso total de la mezcla de grano antes de la aglomeración.
Los aglomerados se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD), la densidad relativa, la distribución de tamaños y se caracterizaron visualmente, antes y después de usarse para fabricar muelas abrasivas de rectificado. Los resultados se muestran en la Tabla 7-1.
Estos aglomerados tenían características de LPD, densidad relativa y distribución de tamaños adecuadas para uso en la fabricación comercial de muelas abrasivas de rectificado. Los aglomerados curados, acabados, tenían formas tridimensionales que variaban entre triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares, cilíndricas y otras formas geométricas. Los aglomerados estaban compuestos por una pluralidad de granos abrasivos individuales (por ejemplo, de grano 2 a 40) unidos entre sí por material de resina aglutinante en puntos de contacto de grano a grano. Las estructuras de los aglomerados eran suficientemente resistentes a la compactación para retener un carácter tridimensional después de someterse a las operaciones de mezclado y moldeo de muelas abrasivas (es decir, una porción insignificante (por ejemplo, menos de 20% en peso) de los aglomerados se reducía a estructuras de granos abrasivos individuales durante el procesamiento de la muela). Se observó que los aglomerados fabricados con una combinación de resina y materiales de carga eran menos pegajosos y más fáciles de separar que los aglomerados fabricados con resina y sin carga. Además, se necesitaban cantidades ligeramente más pequeñas de disolvente cuando se añadía carga a la
resina.
De esta manera, con pequeñas modificaciones, también se podían usar los mismos métodos utilizados para fabricar aglomerados con materiales aglutinantes de resina fenólica para fabricar aglomerados de grano abrasivo con materiales ligantes orgánicos, cuando a los materiales ligantes orgánicos se les habían añadido materiales de carga inorgánicos (deseados para incorporación en la muela de rectificado).
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TABLA 11-1 Material Aglutinante usado en los Aglomerados A9-A13
39
a) \begin{minipage}[t]{143mm} La resina fenólica era resina Durez Varcum\registrado 29-717 de Durez Corporation, Dallas, TX.\end{minipage}
b) \begin{minipage}[t]{143mm} La carga se obtuvo en Min-Chem Canada, Inc., Oakville Ontario, Canadá, con un tamaño de partículas < 45 micrómetros (malla -325) y se mezcló con el componente de resina en polvo antes de la adición del grano y del material líquido.\end{minipage}
Muelas Abrasivas
Se usaron muestras A9 a A13 de aglomerado para fabricar muelas de rectificado (tamaño de acabado 5,0 x 2,0 x 0,625 - 1,5 pulgadas de borde (12,7 x 5,08 x 1,59 - 3,81 cm de borde). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 7, indicado anteriormente. Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para garantizar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para el movimiento rotacional, cuando se montaban en una máquina de rectificado, y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales soportaron un ensayo de velocidad de 6308 rpm y, de esta manera, tenían suficiente resistencia mecánica para operaciones de rectificado de superficies. La composición de las muelas (incluyendo el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas curadas) se describe en la Tabla 11-2.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 11-2 Características de Muelas Abrasivas
40
a) \begin{minipage}[t]{143mm} Con 46% en volumen de grano abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (es decir, 16% más en volumen) que las muelas experimentales fabricadas con 30% en volumen de grano abrasivo.\end{minipage}
b) \begin{minipage}[t]{143mm} Los valores para el porcentaje en volumen de ligante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen de material de resina aglutinante usado en los granos para fabricar los aglomerados y el porcentaje en volumen de ligante usado para fabricar las muelas.\end{minipage}
c) \begin{minipage}[t]{143mm} Las muestras de muelas comparativas C5L, C5P y C5T eran formulaciones de productos comerciales obtenidos en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA y vendidas con las designaciones alfanuméricas de muelas indicadas para cada una en la Tabla 11-2. Las muelas contenían ligante de resina fenólica, CaF_{2}, esferas huecas de mullita, grano abrasivo de alúmina 38A y tenían un grado de dureza (escala comercial de la Norton Company) de L, P o T, según se indica.\end{minipage}
d) \begin{minipage}[t]{143mm} La permeabilidad a los fluidos (aire) se proporciona en unidades de cclseg/pulgada de agua y se mide con una boquilla de 1,1 cm por el método descrito en las Patentes de Estados Unidos N° 5.738.696 y 5.738.697.\end{minipage}
e) \begin{minipage}[t]{143mm} La muestra de muela C5D carecía de resistencia mecánica suficiente para pasar los ensayos comerciales de seguridad.\end{minipage}
Estas muelas experimentales se ensayaron en una operación de rectificado de superficies y se descubrió que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se ensayaron frente a las muelas comparativas C5L, C5P y C5T, descritas en la Tabla 11-2, que son productos comerciales vendidos para uso en operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, los mismos tipos de grano abrasivo y de ligante y, por lo demás, eran muelas adecuadas para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero estaban realizadas sin aglomerados. También se incluyeron en este ensayo de rectificado la muela experimental W5 y la muela comparativa CLP de la Tabla 8-1.
En un ensayo posterior, en idénticas condiciones de rectificado, se ensayaron dos muelas comparativas adicionales (C5D y C5J). Las muelas comparativas C5D y C5J se fabricaron de acuerdo con el método descrito para las muelas experimentales del Ejemplo 7, con la excepción de que se usó la composición mostrada en la Tabla 11-2 en lugar de las especificadas en el Ejemplo 7. Estas muelas se fabricaron con grados más blandos de muela (D y J) y se ensayaron para comparar el rendimiento de la muela experimental frente a una muela convencional que tenía un grado correspondiente (es decir, el mismo porcentaje o un porcentaje similar en volumen de grano, ligante y porosidad). Las asignaciones de grado se realizaron basándose en la composición del ligante seleccionado para la muela, junto con los porcentajes en volumen de grano abrasivo, ligante y porosidad en la muela acabada. Las condiciones y los resultados del ensayo de rectificado se proporcionan a continuación y en la Tabla 11-3.
Condiciones de Rectificado
Máquina: Rail Grinder; potencia máxima: 45 HP.
Modo de Rectificado: Rectificado de superficies (ensayo de simulación de disco).
Velocidad de muela: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg).
Velocidad de trabajo: 3 rpm; 37,7 sfpm/0,192 m/seg.
Velocidad de alimentación: 0,0020 pulgadas/revolución (0,0508 mm/s), 0,0027 pulgadas/revolución (0,0686 mm/
revolución) y 0,004 pulgadas/revolución (0,1016 mm/revolución).
Tiempo de rectificado: 15 minutos en cada velocidad de alimentación.
Pasadas sin chispas: 10 segundos.
Refrigerante: Trim Clear, relación 2% con agua de pozo desionizada.
Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 1070 de 48 pulgadas (1,22 m) de diámetro externo x 46,5 pulgadas (1,18 m) de diámetro interno x 0,75 pulgadas (1,91 cm) de borde, dureza Brinnell HB 302.
Reavivación: ninguna.
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TABLA 11-3 Resultados del Ensayo de Rectificado
41
42
a. \begin{minipage}[t]{143mm} La relación-G/fracción de porcentaje en volumen de abrasivo es una medida del rendimiento de rectificado del grano de la muela. El cálculo normaliza el rendimiento de rectificado para responder de las diferencias significativas de porcentaje en volumen de grano abrasivo entre las muelas experimentales y comparativas. Se puede observar fácilmente que el grano abrasivo de las muelas experimentales proporciona una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a una fracción de volumen (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado).\end{minipage}
b. \begin{minipage}[t]{143mm} Las muelas C5D y C5J se ensayaron en una fecha posterior a la de las muestras restantes, pero en idénticas condiciones del ensayo de rectificado.\end{minipage} 
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Las muelas experimentales demostraron una potencia ligeramente menor, pero WWR comparable al de las muelas comparativas. Esto es una sorpresa dada la diferencia de grado (D frente a L-T).
Una vez más, en relación con las muelas comparativas, las muelas experimentales en general proporcionaron una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado). La muestra C5J se hizo funcionar a mayores velocidades de MRR, de forma que los datos para esta muela son consistentes con la tendencia general. Las muestras C2P y W5D, ensayadas en un ensayo de rectificado separado, presentaron mejor rendimiento que las muelas restantes, pero las diferencias entre las muelas experimentales y las muelas comparativas son consistentes con la tendencia general. Estos resultados desafían a la creencia convencional de la tecnología de abrasivos ligados según la cual una muela de grado más alto que tiene más grano resistirá al desgaste y proporcionará una mejor vida útil de muela y una mejor eficacia de rectificado que una muela de grado más blando.
De esta manera, mediante la invención se podrían fabricar muelas de rectificado experimentales con resistencia mecánica suficiente para la aceptación comercial, pero con grados medibles de dureza comparativamente bajos, y que proporcionaran un rendimiento efectivo de rectificado para fines comerciales.
Ejemplo 12 Aglomerados de Grano Abrasivo/Ligante Vitrificado
Para fabricar la mezcla AV1 de grano abrasivo aglomerado se usó un material aglutinante vitrificado (material aglutinante A de la Tabla 1-2). Los aglomerados se prepararon partiendo de una mezcla de grano abrasivo y material aglutinante vitrificado por el método de calcinación rotatoria descrito en el Ejemplo 1, con la excepción de que se usó 2,6% en peso de material aglutinante A para fabricar los aglomerados AV1 y el grano era un grano abrasivo de alúmina 38A fundida, de tamaño de grano 80, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA. Los aglomerados sinterizados se humedecieron con una solución acuosa al 2% en peso de gamma-amino propil trietoxi silano (Witco Corporation, Friendly, West Virginia) (9,2 ml/lb sobre aglomerados de grano de tamaño de grano 80) para cubrir los aglomerados con silano, posteriormente se secaron a 120°C y se tamizaron para retirar cualquier cúmulo generado durante el tratamiento con silano.
La producción de aglomerados fluidos utilizables, definidos como gránulos que tienen una distribución de tamaños de malla -20/+45 (tamaño de Tamiz Convencional U.S.), era de 86% en peso del peso total de la mezcla de grano antes de la aglomeración. Los aglomerados de granos vitrificados se ensayaron con respecto a la densidad de empaquetamiento suelto (LPD = 1,04), con respecto a la densidad relativa (0,268), y con respecto a la distribución de tamaños (malla -20/+45) y se caracterizaron visualmente, antes y después de usarse para fabricar herramientas abrasivas de rectificado.
Estos aglomerados tenían características de LPD, densidad relativa y distribución de tamaños adecuadas para uso en la fabricación comercial de muelas abrasivas de rectificado. Los aglomerados curados, acabados, tenían formas tridimensionales que variaban entre triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares, cilíndricas y otras formas geométricas. Los aglomerados estaban compuestos por una pluralidad de granos abrasivos individuales (por ejemplo, de grano 2 a 40) unidos entre sí por material aglutinante vitrificado en puntos de contacto de grano a grano, junto con áreas vacías visibles. Las estructuras de los aglomerados eran suficientemente resistentes a la compactación como para retener un carácter tridimensional después de someterse a las operaciones de mezclado y moldeo de muelas abrasivas (es decir, una porción no significativa (por ejemplo, menos de 20% en peso) de los aglomerados se reducía a granos abrasivos individuales, durante el procesamiento de la muela).
Aglomerados de Grano Abrasivo/Adhesivo Orgánico
El grano abrasivo (grano 38A, tamaño de grano 80, obtenido en Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA) y el material aglutinante de resina (material aglutinante E, de la Tabla 11-1) se pusieron en el recipiente de un mezclador Eirich de alto cizallamiento (modelo número R07 fabricado por la Eirich Company, Gurnee, IL). La mezcla se inició con una velocidad del recipiente fijada a 460 rpm (en el sentido de las agujas del reloj) y con una velocidad de paletas fijada a 890 rpm (en sentido contrario al de las agujas del reloj). Durante la mezcla, se pulverizó suficiente disolvente (furfural) como una niebla, a una velocidad controlada, sobre la mezcla del grano y el material aglutinante, para hacer que los granos y el material aglutinante se aglomeraran entre sí. La pulverización de disolvente sobre la mezcla únicamente se continuó hasta que los granos y el material aglutinante habían formado aglomerados (es decir, pulverizando a una velocidad de 380-390 cc/min durante un total de 2,5 minutos, sobre un lote que incluía 49,5 k/g de grano junto con la cantidad de material aglutinante indicada en la Tabla 12-1). La pulverización se efectuó en un aparato de Spraying Systems (modelo AutoJet 38660 obtenido de Spraying Systems, Wheaton, IL). El proceso de aglomeración se efectuó en condiciones atmosféricas a temperatura ambiente.
El aglomerado A14 se pasó dos veces a través de un transportador vibratorio de 6 pies (Eriez Magnetics, modelo número HS/115, Erie PA) para evaporar el disolvente. A continuación, el aglomerado se asentó con un grano abrasivo suelto (grano 80, 38A) con 1 parte de aglomerado y 2 partes de abrasivo suelto y, posteriormente se puso en un horno (modelo número VRD-1-90-1E de Despatch Industries, Minneapolis, MN) en condiciones atmosféricas. La temperatura se aumentó hasta un máximo de 160°C, y los aglomerados se mantuvieron a la temperatura máxima durante 30 minutos para curar el material aglutinante de resina. Después del curado, el abrasivo suelto se separó de los aglomerados mediante el procedimiento final de clasificado.
TABLA 12-1 Características del Gránulo Aglomerado
43
^{a} \begin{minipage}[t]{143mm} El porcentaje en volumen de material aglutinante es un porcentaje del material sólido dentro del gránulo (es decir, material aglutinante y grano) después del curado y no incluye el porcentaje en volumen de porosidad.\end{minipage}
\begin{minipage}[t]{143mm} El porcentaje en volumen de material aglutinante de los aglomerados curados se calculó suponiendo que no había porosidad interna ni pérdida de mezcla. \end{minipage}
Muelas Abrasivas
Se usaron muestras AV1 y A14 de aglomerado para fabricar muelas de rectificado (tamaño de acabado 5,0 x 2,0 x 0,625 - 1,5 pulgadas de borde (12,7 x 5,08 x 1,59 - 3,81 cm de borde). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 7. Las muelas acabadas se sometieron a ensayos de seguridad de acuerdo con un ensayo de velocidad puesto en práctica en el mercado para garantizar que las muelas tenían suficiente resistencia mecánica para el movimiento rotacional cuando se montaban en una máquina de rectificado, y suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales soportaron un ensayo de velocidad de 6308 rpm y, de esta manera, tenían suficiente resistencia mecánica para operaciones de rectificado de superficies. La composición de las muelas (incluyendo el tipo y relación de aglomerados, el porcentaje en volumen de abrasivo, ligante y porosidad en las muelas curadas) se describe en la Tabla 12-2.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 12-2 Características de Muelas Abrasivas
44
a) \begin{minipage}[t]{143mm} Con 46% en volumen de grano abrasivo, las muelas comparativas contenían un mayor porcentaje en volumen de grano abrasivo (es decir, 16% más en volumen) que las muelas experimentales fabricadas con 30% en volumen de grano abrasivo.\end{minipage}
b) \begin{minipage}[t]{143mm} Los valores para el porcentaje en volumen de ligante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen de material de resina aglutinante usado en los granos para fabricar los aglomerados y el porcentaje en volumen de ligante usado en las muelas.\end{minipage}
c) \begin{minipage}[t]{143mm} Las muestras de muelas comparativas eran formulaciones de productos comerciales obtenidos en Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA y vendidas con las designaciones alfanuméricas de muelas indicadas para cada una en la Tabla 12-2. Las muelas contenían ligante de resina fenólica, CaF_{2}, esferas huecas de mullita, grano abrasivo de alúmina 38A y tenían un grado de dureza (escala comercial de la Norton Company) de I, L, P o T, según se indica.\end{minipage}
d) \begin{minipage}[t]{143mm} La permeabilidad a los fluidos (aire) se proporciona en unidades de cc/seg/pulgada de agua y se mide con una boquilla de 1,1 cm por el método descrito en las Patentes de Estados Unidos N° 5.738.696 y 5.738.697.\end{minipage}
La observación visual de las muelas experimentales curadas, como en el Ejemplo 7 anterior, demostró migración del ligante al interior de las áreas vacías intra-aglomerado. Se tomaron fotomicrografías (ampliación de 46X) de las superficies de rectificado de la muela C6L comparativa y de la muela W20D experimental (Tabla 12-2). Estas imágenes aparecen como Figuras 4 y 5. En las Figuras 4 (muela comparativa) y 5 (muela experimental) se puede observar que la porosidad (áreas más oscuras) del compuesto abrasivo de la invención existe como una fase continua de canales interconectados. El grano abrasivo y el ligante aparecen como una red reticulada en la que el grano abrasivo está anclado en los materiales ligantes orgánicos. Por el contrario la muela comparativa tiene una estructura sustancialmente uniforme en la que apenas es visible la porosidad y aparece como una fase discon-
tinua.
Estas muelas experimentales se ensayaron en una operación de rectificado de superficies y se observó que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se ensayaron frente a muelas comparativas descritas en la Tabla 12-2, que se usan comercialmente en operaciones de rectificado de superficies. Para las muelas comparativas se seleccionó un intervalo de grados de dureza de I a T de Grados Norton, para confirmar un cambio de grado observado en las muelas experimentales (es decir, un menor grado de dureza en las muelas experimentales podía funcionar tan bien como un mayor grado de dureza en las muelas convencionales). Las muelas comparativas tenían las mismas dimensiones de tamaño, el mismo tipo de grano abrasivo y, por lo demás, eran adecuadas para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero estaban fabricadas sin aglomerados. Las condiciones y resultados del ensayo de rectificado se proporcionan a continuación en la
Tabla 12-3.
Condiciones de Rectificado
Máquina: Rail Grinder; potencia máxima: 45 HP.
Modo de Rectificado: Rectificado de superficies (ensayo de simulación de disco).
Velocidad de muela: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg).
Velocidad de trabajo: 3 rpm; 37,7 sfpm/0,192 m/seg.
Velocidad de alimentación: 0,0027 pulgadas/revolución (0,0686 mm/revolución) y 0,004 pulgadas/revolución
(0,1016 mm/revolución).
Tiempo de rectificado: 15 minutos en cada velocidad de alimentación.
Pasadas sin chispas: 10 segundos.
Refrigerante: Trim Clear, relación 2% con agua desionizada.
Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 1070 de 48 pulgadas (1,22 m) de diámetro externo x 46,5 pulgadas (1,18 m) de diámetro interno x 0,75 pulgadas (1,91 cm) de borde, dureza Brinnell HB 302.
Reavivación: ninguna.
TABLA 12-3 Resultados del Ensayo de Rectificado
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47
a. \begin{minipage}[t]{143mm} La relación-G/fracción de porcentaje en volumen de abrasivo es una medida del rendimiento de rectificado del grano de la muela. El cálculo normaliza el rendimiento de rectificado para tener en cuenta las diferencias significativas de porcentaje en volumen de grano abrasivo entre las muelas experimentales y comparativas. Se puede observar fácilmente que el grano abrasivo de las muelas experimentales proporciona una eficacia de rectificado significativamente mejor con respecto a la fracción de volumen (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficacia de rectificado).\end{minipage}
Los resultados del ensayo demostraron que las muelas experimentales que tenían un grado D o G de la escala de Grados de Dureza de Norton funcionaban de una manera equivalente a las muelas comparativas que tenían un grado más duro, de P a T. El rendimiento de las muelas experimentales fue particularmente sorprendente, porque estas muelas únicamente contenían 30% en volumen de grano abrasivo, mientras que las muelas comparativas contenían 46% en volumen de grano abrasivo. De esta manera, las muelas de la invención maximizan el rendimiento de rectificado de los granos individuales, elevando el rendimiento del grano en una cantidad significativa.

Claims (35)

1. Una herramienta abrasiva ligada, que comprende un compuesto tridimensional de
(a)
una primera fase que comprende 24-48% en volumen de granos abrasivos ligados con 10-38% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad; y
(b)
una segunda fase que consta de 38-54% en volumen de porosidad;
donde la segunda fase es una fase continua dentro del compuesto, y la herramienta abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s).
2. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la primera fase del compuesto comprende 26-40% en volumen de granos abrasivos ligados con 10-22% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad, y la segunda fase consta de 38-50% en volumen de porosidad.
3. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la primera fase del compuesto comprende 24-42% en volumen de granos abrasivos ligados con 18-38% en volumen de material ligante orgánico, y la segunda fase consta de 38-54% en volumen de porosidad.
4. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde de 10 a 100% en volumen de los granos abrasivos en la primera fase del compuesto están en forma de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo orgánico.
5. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde de 10 a 100% en volumen de los granos abrasivos en la primera fase del compuesto están en forma de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material ligante inorgánico.
6. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 5, donde el compuesto comprende un mínimo de 1% en volumen de material ligante inorgánico.
7. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 5, donde el compuesto comprende de 2 a 12% en volumen de material adhesivo inorgánico.
8. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 5, donde la herramienta abrasiva ligada tiene un valor de módulo elástico máximo de 10 GPa y un velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).
9. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 5, donde la herramienta abrasiva ligada tiene un grado de dureza entre A y H en la escala de grados de la Norton Company, y el grado de dureza de la herramienta abrasiva ligada es al menos un grado más blando que el de una herramienta convencional por lo demás idéntica fabricada con granos abrasivos que no se han aglomerado junto con un material adhesivo inorgánico.
10. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 5, donde el material ligante inorgánico se selecciona entre el grupo compuesto por materiales ligantes vitrificados, materiales ligante cerámicos, materiales ligantes de vidrio-cerámicos, materiales de sales inorgánicas y materiales ligantes metálicos, y combinaciones de los mismos.
11. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde de 10 a 100% en volumen de los granos abrasivos en la primera fase del compuesto están en forma de una mezcla de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo inorgánico y una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo orgánico.
12. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde la primera fase del compuesto es una red reticulada de granos abrasivos anclados dentro del material ligante orgánico.
13. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde el material ligante orgánico se selecciona entre el grupo compuesto por materiales de resina fenólica, materiales de resina epoxídica, materiales de resina de poliimida, materiales de resina de fenol formaldehído, materiales de resina de urea formaldehído, materiales de resina de melamina formaldehído, materiales <de resina acrílica y combinaciones de los mismos.
14. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 1, donde al menos 50% en volumen de los granos abrasivos en la primera fase del compuesto están en forma de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo orgánico.
15. Una herramienta abrasiva ligada que comprende un compuesto tridimensional de
(a)
22-46% en volumen de granos abrasivos ligados con 4-20% en volumen de material ligante inorgánico; y
(b)
40-68% en volumen de porosidad interconectada;
donde la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupamientos separados irregularmente dentro del compuesto tridimensional; la herramienta abrasiva ligada tiene un valor de módulo elástico que es al menos 10% menor que el valor de módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional; y la herramienta abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s).
16. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde el compuesto tridimensional comprende 22-40% en volumen de granos abrasivos ligados con 8-14% en volumen de material ligante inorgánico, y 40-64% en volumen de porosidad interconectada.
17. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde el compuesta tridimensional comprende 34-42% en volumen de granos abrasivos ligados con 6-12% en volumen de material ligante inorgánico, y 46-58% en volumen de porosidad interconectada.
18. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la porosidad interconectada se ha formado sin añadir materiales inductores de porosidad durante la fabricación y el compuesto carece sustancialmente de partículas con una alta relación de dimensiones de granos abrasivos y cargas.
19. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde de 10 a 100% en volumen de los granos abrasivos del compuesto están en forma de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo inorgánico.
20. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde al menos 50% en volumen de los granos abrasivos del compuesto están en forma de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material adhesivo inorgánico.
21. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde el material ligante inorgánico se selecciona entre el grupo compuesto por materiales ligantes vitrificados, materiales ligantes cerámicos, materiales ligantes de vidrio-cerámicos, materiales de sales inorgánicas y materiales ligantes metálicos, y combinaciones de los mismos.
22. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la herramienta abrasiva ligada tiene un grado de dureza entre A y M en la escala de grados de la Norton Company, y el grado de dureza de la herramienta abrasiva ligada es al menos un grado más blando que el de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional.
23. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la herramienta abrasiva ligada tiene un valor de módulo elástico que es al menos 25% menor que el valor del módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional, y la herramienta abrasiva ligada tiene un velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).
24. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la herramienta abrasiva ligada tiene un valor de módulo elástico que es al menos 40% menor que el valor del módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional, y la herramienta abrasiva ligada tiene un velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).
25. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la herramienta abrasiva ligada es una muela de rectificado de diámetro interno y la muela contiene de 40 a 52% en volumen de grano abrasivo y tiene un valor de módulo elástico de 25 a 50 GPa.
26. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la herramienta abrasiva ligada es un muela de rectificado de taller de herramientas y la muela contiene de 39 a 52% en volumen de grano abrasivo y tiene un valor del módulo elástico de 15 a 36 GPa.
27. La herramienta abrasiva ligada de la reivindicación 15, donde la herramienta abrasiva ligada es una muela de rectificado de alimentación progresiva y la muela contiene de 30 a 40% en volumen de grano abrasivo tiene un valor del módulo elástico de 8 a 25 GPa.
28. Un método para rectificado con disco, que comprende las etapas de:
(a)
proporcionar una muela abrasiva ligada, que comprende un compuesto tridimensional de:
(i)
una primera fase que comprende 24-48% en volumen de granos abrasivos ligados con 10-38% en volumen de material ligante orgánico y menos de 10% en volumen de porosidad; y
(ii)
una segunda fase que consta de 38-54% en volumen de porosidad;
\newpage
donde la segunda fase es una fase continua dentro del compuesto, y la herramienta abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s);
(b)
montar la muela abrasiva ligada en una máquina de rectificado de superficies;
(c)
hacer girar la muela; y
(d)
poner una superficie de rectificado de la muela en contacto con una pieza de trabajo durante un periodo de tiempo suficiente para rectificar la pieza de trabajo;
con lo que la muela retira material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz, la superficie de rectificado de la muela permanece sustancialmente sin de residuos de rectificado y, después de haberse completado el rectificado, la pieza de trabajo carece sustancialmente de lesiones térmicas.
29. El método de rectificado con disco de la reivindicación 28, donde la muela abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).
30. El método de rectificado con disco de la reivindicación 28, donde la muela abrasiva ligada se hace girar a una velocidad de 4000 a 6500 sfpm (de 20,32 a 33,02 m/s).
31. El método de rectificado con disco de la reivindicación 28, donde la muela abrasiva ligada es un disco plano, que tiene al menos una cara circular y un perímetro radial, y la superficie de rectificado de la muela es la cara circular del disco.
32. Un método de rectificado de alimentación progresiva, que comprende las etapas de:
(a)
proporcionar una muela abrasiva ligada que comprende un compuesto tridimensional de
(i)
22-46% en volumen de granos abrasivos ligados con 4-20% en volumen de material ligante inorgánico; y
(ii)
40-68% en volumen de porosidad interconectada;
donde la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupamientos separados irregularmente dentro del compuesto tridimensional; la herramienta abrasiva ligada tiene un valor de módulo elástico que es al menos 10% menor que el valor del módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos separados regularmente dentro de un compuesto tridimensional; y la herramienta abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s).
(b)
montar la muela abrasiva ligada en una máquina de rectificado de alimentación progresiva;
(c)
hacer girar la muela; y
(d)
poner una superficie de rectificado de la muela en contacto con una pieza de trabajo durante un periodo de tiempo suficiente como para rectificar la pieza de trabajo;
con lo que la muela retira material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz y, después del rectificado, la pieza de trabajo carece sustancialmente de lesiones térmicas.
33. El método de la reivindicación 32 para rectificado de alimentación progresiva, donde la muela abrasiva ligada tiene una velocidad de estallido mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).
34. El método de la reivindicación 32 para rectificado de alimentación progresiva, donde la muela abrasiva ligada se hace girar a una velocidad de 5500 a 8500 sfpm (27,94 a 43,18 m/s).
35. El método de la reivindicación 32, para rectificado de alimentación progresiva, donde la muela abrasiva ligada tiene dos caras circulares y un perímetro radial y la superficie de rectificado de la muela es el perímetro radial.
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