ES2253123B2 - Articulos abrasivos con nuevas estructuras y metodos de rectificado. - Google Patents
Articulos abrasivos con nuevas estructuras y metodos de rectificado.Info
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Abstract
Artículos abrasivos con nuevas estructuras y
métodos de rectificado.
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.
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.
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
Nº-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
Nº-A-5.738.697 de Wu describe muelas de rectificado
de alta permeabilidad que tienen una cantidad significativa de
porosidad interconectada (40-80% en volumen). Estas
muelas están hechas de una matriz de partículas fibrosas que tienen
una relación de dimensiones de al menos 5:1. Las partículas
fibrosas pueden ser un grano abrasivo 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
Nº-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
Nº-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
Nº-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 Nº-A-5.039.311 de Bloecher y en
la Patente de Estados Unidos Nº-A-4.652.275 de
Bloecher, et al.
La Patente de Estados Unidos
Nº-A-5.129.189 de Wetshcer describe herramientas
abrasivas que tienen una matriz de ligante de resina que contiene
conglomerados, 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
Nº-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
Nº-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
Nº-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 900ºC (a una densidad de 70 libras/pie cúbico; 1.134
g/cc) y el ligante vitrificado usado para fabricar la muela se
cuece a 880ºC. Las muelas fabricadas con 16% en volumen de gránulos
se comportaron en cuanto al rectificado con 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 Nº-A-3.916.684 de
Howard, et al). La Patente de Estados unidos
Nº-A-3.048.482 de Hurst describe microsegmentos
abrasivos conformados de granos abrasivos aglomerados y materiales
ligantes orgánicos en forma de pirámides u otras formas ahusadas.
Los 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 Nº-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 Nº-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
Nº-A-5.851.247 de Stoetzel, et al; la
Patente de Estados Unidos Nº-A-5.714.259 de Holmes,
et al; y la Patente de Estados Unidos
Nº-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
Nº-A-5.078.753 de Broberg, et al; la Patente
de Estados Unidos Nº-A-5.578.098 de Gagliardi,
et al; la Patente de Estados Unidos
Nº-A-5.127.197 de Brukvoort, et al; la
Patente de Estados Unidos Nº-A-5.318:604 de
Gorsuch, et al; la Patente de Estados Unidos
Nº-A-5.910.471 de Christianson, et al; y la
Patente de Estados Unidos Nº-A-6.217.413 de
Christianson, et al.
La Patente de Estados Unidos
Nº-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
Nº-A-4.364.746 de Bitzer describe herramientas
abrasivas que comprenden diferentes aglomerados abrasivos que
tienen diferentes resistencias. Los aglomerados están hechos de
granos abrasivos y adhesivos de resina y pueden contener otros
materiales, tales como fibras cortadas, para añadir resistencia o
dureza. La Patente de Estados Unidos Nº-A-4.393.021
de Eisenberg, et al., describe un método para fabricar
aglomerados abrasivos a partir de granos abrasivos y un adhesivo de
resina utilizando un tamiz y laminando una pasta del grano y el
adhesivo a través del tamiz para realizar extrusiones de tipo
gusano. Las extrusiones se endurecen calentando y después se
prensan para formar aglomerados.
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.
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;
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.
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 Nº-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 Nº-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.
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 Nº 5.129.919. Los tamaños de grano
adecuados para uso en la presente invención varían de granos
abrasivos regulares (por ejemplo, mayores de 60 y de hasta 7.000
micrómetros) a granos microabrasivos (por ejemplo, de 0,5 a 60
micrómetros), y mezclas de estos tamaños. Para una operación de
rectificado abrasivo dada, puede ser deseable aglomerar un grano
abrasivo con un tamaño de grano menor que un tamaño de grano
abrasivo (no aglomerado) seleccionado normalmente para esta
operación de rectificado abrasivo. Por ejemplo, un abrasivo de grano
54 puede sustituirse por un abrasivo aglomerado de grano 80, un
abrasivo de grano 60 por un abrasivo aglomerado de grano 100 y un
abrasivo de grano 80 por un abrasivo aglomerado de grano 120. 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.
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 1400ºC y humedecen la superficie del grano
abrasivo para crear postes de unión tras la refrigeración,
manteniendo de esta manera el grano abrasivo dentro de una
estructura compuesta. En la Tabla 2 presentada más adelante se
proporcionan ejemplos de materiales aglutinantes adecuados para uso
en los aglomerados. Los materiales aglutinantes preferidos se
caracterizan por una viscosidad de aproximadamente 345 a 55.300
poise a 1180ºC, y por una temperatura de fusión de aproximadamente
800 a 1.300ºC. 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.
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
140-200ºC 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 Nº 6.217.413 B1.
En una segunda realización del proceso útil en
la presente invención para fabricar aglomerados, se suministra una
mezcla sencilla del grano y el material aglutinante 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 500ºC), puede usarse una
realización alternativa de este aparato de horno rotatorio. La
realización alternativa, un secador rotatorio, está equipada para
suministrar aire caliente al extremo de descarga del tubo para
calentar la mezcla de granos abrasivos 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.
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 Nº
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 150-250ºC, preferiblemente a
160-200ºC, 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 Nº
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).
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.
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.
Se preparó una serie de muestras de grano
abrasivo aglomerado que contenían materiales aglutinantes
inorgánicos en un aparato de calcinación rotatorio (horno eléctrico
modelo Nº
HOU-5D34-RT-28,
temperatura máxima 1.200ºC, corriente de entrada 30 kW, equipado
con un tubo de metal refractario de 72'' (183 cm) de longitud,
5,5'' (14 cm) de diámetro interno, fabricado por Harper
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 1.550ºC. El proceso de aglomeración se
realizó en condiciones atmosféricas, a un punto fijado de control
de temperatura de la zona caliente de 1.180ºC, con una velocidad de
rotación del tubo del aparato de 9 rpm, un ángulo de inclinación
del tubo de 2,5 a 3 grados, y una velocidad de alimentación de
material de 6-10 kg/hora. El rendimiento de
gránulos fluidos utilizables (definidos como malla -12 en el
recipiente) fue de 60 a 90% del peso total del material de partida
antes de la calcinación.
Las muestras de aglomerado se prepararon a
partir de una mezcla sencilla de grano abrasivo, material
aglutinante y mezclas de agua como se describe en la Tabla
1-1. Las composiciones de material aglutinante con
ligante vitrificado usadas para preparar las muestras se presentan
en la Tabla 2. Se prepararon muestras a partir de tres tipos de
granos abrasivos: alúmina fundida 38A, alúmina fundida 32A y
granos de alfa-alúmina sol gel sinterizada de Norton
SG, obtenidos en Saint-Gobain Ceramics &
Plastics, Inc., Worcester, MA, USA, con los tamaños de grano
indicados en la Tabla 1.
Después de la aglomeración en el aparato de
calcinación rotatorio, las muestras de grano abrasivo aglomerado se
tamizaron y se ensayó la densidad de empaquetamiento suelto (LPD),
la distribución de tamaños y la resistencia del aglomerado. Estos
resultados se muestran en la Tabla 1.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
^{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.
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} |
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 1250ºC, 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 1200ºC, con un ángulo del
tubo de 2,5-4º 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.
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} |
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 160ºC, 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.
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} |
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 pasa a página
siguiente)
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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.
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.
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 1250ºC, 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).
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 160ºC, 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.
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} |
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.
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.
\newpage
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.
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\newpage
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.
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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.
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 1150ºC 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.
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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.
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 900ºC, 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.
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.
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.
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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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.
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 1250ºC, 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
1250ºC, 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)
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} |
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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 1030ºC, 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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 160ºC, 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.
abrasivas.
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} |
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 170ºC,
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.
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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.
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.
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.
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.
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 pasa a página
siguiente)
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^{o} 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.
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.
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).
(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 pasa a página
siguiente)
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.
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.
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.
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.
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.
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^{o} 5.738.696 y 5.738.697.\end{minipage} |
\newpage
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.
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).
(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 pasa a página
siguiente)
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.
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).
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 160ºC 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 pasa a página
siguiente)
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} |
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)
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^{o} 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.
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).
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 pasa a página
siguiente)
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.
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 120ºC 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).
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 160ºC, 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.
^{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} |
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)
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^{o} 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 discontinua.
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.
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).
(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.
\vskip1.000000\baselineskip
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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