ES2882324T3 - Artículos abrasivos con estructuras novedosas y métodos de rectificado - Google Patents

Abstract

Una herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) que es una herramienta abrasiva compuesta que comprende una primera parte (601) y una segunda parte (603) unidas entre sí, la primera parte (601) que comprende un compuesto tridimensional de (a) un 22-46 % en volumen de granos abrasivos aglomerados con un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico; y (b) un 40-68 % en volumen de porosidad interconectada; en el que la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupaciones espaciales irregulares dentro del material compuesto tridimensional; comprendiendo la segunda parte (603) un abrasivo aglomerado que comprende un material aglutinante inorgánico; en el que la herramienta a base de abrasivos aglomerados tiene un valor de módulo elástico de 12-36 GPa y una velocidad de rotura mínima de 20,32 m/s (4000 sfpm).

Description

DESCRIPCIÓN

Artículos abrasivos con estructuras novedosas y métodos de rectificado

Antecedentes de la invención

La invención se refiere a herramientas o artículos abrasivos aglomerados, tales como muelas abrasivas, segmentos abrasivos, discos y afiladores abrasivos, que tienen estructuras de composiciones novedosas, a métodos de fabricación de tales herramientas para crear estas estructuras de herramientas novedosas, y a métodos de rectificado, pulido o acabado de superficies usando dichas herramientas.

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados consisten en compuestos abrasivos tridimensionales rígidos y típicamente monolíticos en forma de muelas abrasivas, discos, segmentos, cabezales de rectificado, afiladores y otras formas para herramientas, que tienen un orificio central u otros medios para permitir montarlos en un tipo particular de aparatos o máquinas de rectificado, pulido o afilado. Estos compuestos comprenden tres elementos o fases estructurales: grano abrasivo, aglutinante y porosidad.

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados se han fabricado en una variedad de «grados» y «estructuras», que se han definido en la técnica de acuerdo con la práctica según la dureza y densidad relativa del compuesto abrasivo (grado) y por el porcentaje en volumen de grano abrasivo, aglutinante y porosidad dentro del material compuesto (estructura).

Durante casi 70 años, el grado y la estructura de las herramientas se han considerado los indicadores más fiables de la dureza de la herramienta a base de abrasivos aglomerados, su tasa de desgaste, las demandas de potencia de rectificado y la consistencia en la fabricación. El grado y la estructura se establecieron por primera vez como directrices de fabricación fiables en la patente estadounidense n.° A 1.983.082, de Howe, et al. Howe describe un método de fabricación volumétrico útil para superar las dificultades persistentes en ese momento que daban lugar a una calidad de compuesto abrasivo y un rendimiento de rectificado inconsistentes. En este método, se seleccionan los porcentajes volumétricos relativos de los tres componentes estructurales para producir una herramienta con un grado de dureza específico y otras características físicas deseadas. Conociendo el volumen deseado de la herramienta terminada, los pesos de los lotes de los componentes de grano abrasivo y de aglutinante necesarios para hacer la herramienta se calculan a partir del volumen de la herramienta, los porcentajes volumétricos relativos y las densidades de material de los componentes de grano abrasivo y de aglutinante. De esta manera, fue posible crear una tabla de estructura estándar para una composición de aglutinante definida y, en las ejecuciones de fabricación posteriores, leer los porcentajes volumétricos relativos de la tabla de estructura estándar para fabricar herramientas a base de abrasivos aglomerados con un grado de dureza constante para un porcentaje de volumen dado de grano abrasivo, aglutinante y porosidad. Se observó que el rendimiento del rectificado era constante de un lote de fabricación a otro cuando se habían mantenido constantes el grado y la estructura.

Para muchas operaciones de rectificado, se ha demostrado que el control de la cantidad y el tipo de porosidad en el material compuesto, en particular la porosidad de naturaleza permeable o interconectada, mejora la eficiencia del rectificado y protege la calidad de la pieza de trabajo a rectificar de daños térmicos o mecánicos.

Cualquier compuesto abrasivo tridimensional consiste en la suma de los porcentajes de volumen relativos de sus tres componentes: grano abrasivo, aglutinante y porosidad. La suma de los porcentajes en volumen de estos componentes debe ser igual al 100 % en volumen; por lo tanto, las herramientas que tienen un alto porcentaje de porosidad deben tener proporcionalmente menores porcentajes de aglutinante y/o grano abrasivo. En la fabricación de herramientas a base de abrasivos aglomerados, se pueden lograr con mayor facilidad porcentajes de porosidad en volúmenes relativamente altos (p. ej., un 40-70 % en volumen) en herramientas de rectificado de precisión, fabricadas con materiales aglutinantes rígidos e inorgánicos (p. ej., aglutinantes vitrificados o cerámicos) y tamaños de grano relativamente pequeños (p. ej., tamaños de grano Norton 46-220), que en herramientas de esmerilado en bruto fabricadas con materiales aglutinantes orgánicos y tamaños de grano relativamente grandes (p. ej., tamaños de grano Norton 12-120). Los compuestos abrasivos muy porosos fabricados con tamaños de grano más grandes, porcentajes de volumen de grano mayores y materiales aglutinantes orgánicos más blandos tienen tendencia a asentarse o estratificarse durante las etapas intermedias de moldeo y curado de la fabricación de la herramienta de rectificado. Por estas razones, las herramientas a base de abrasivos aglomerados disponibles comercialmente fabricadas con materiales aglutinantes orgánicos a menudo se moldean para no contener porosidad y, por lo general, no contienen más del 30 % en volumen de porosidad. Rara vez superan el 50 % en volumen de porosidad.

La porosidad natural que surge de la compactación de los granos abrasivos y las partículas de aglutinante durante el moldeo a presión generalmente es insuficiente para lograr una alta porosidad en herramientas a base de abrasivos aglomerados. Pueden añadirse inductores de porosidad, tales como alúmina de burbujas y naftaleno, a mezclas de compuestos abrasivos y aglutinantes para permitir el moldeo a presión y la manipulación de un artículo abrasivo poroso sin curar y para producir un porcentaje en volumen de porosidad adecuado en la herramienta final.

Algunos inductores de poros (p. ej., alúmina de burbujas y esferas de vidrio) crearán una porosidad de celda cerrada dentro de la herramienta. Los inductores de poros de celda cerrada añadidos para lograr altos porcentajes de porosidad evitan la formación de canales abiertos o porosidad interconectada, evitando o reduciendo el flujo de fluido a través del cuerpo de la herramienta, lo que tiende a aumentar las fuerzas de rectificado y el riesgo de daño térmico. Los inductores de poros de células abiertas (p. ej., cáscaras de nuez y naftaleno) deben quemarse fuera de la matriz abrasiva, dando lugar a diversas dificultades de fabricación.

Además, las densidades de los inductores de poros, los materiales aglutinantes y los granos abrasivos varían significativamente, lo que dificulta el control de la estratificación de la mezcla abrasiva durante la manipulación y el moldeo, y que a menudo resulta en una pérdida de homogeneidad en la estructura tridimensional del artículo abrasivo terminado. Una distribución uniforme y homogénea de los tres componentes del compuesto abrasivo se ha considerado un aspecto clave para una calidad constante de la herramienta y, para las muelas abrasivas, un aspecto importante en el funcionamiento seguro de las muelas a las altas velocidades de rotación necesarias para el rectificado (p. ej., más de 4000 pies de superficie por minuto [sfpm]).

Se ha descubierto que el porcentaje en volumen de porosidad interconectada, o permeabilidad del fluido, es un determinante más significativo del rendimiento del rectificado de artículos abrasivos que el mero porcentaje en volumen de porosidad (véase la patente estadounidense n.° A 5.738.696 de Wu). La porosidad interconectada permite la eliminación de residuos de rectificado (virutas) y el paso del fluido refrigerante dentro de la muela durante el rectificado. La existencia de porosidad interconectada puede confirmarse midiendo la permeabilidad de la muela abrasiva a un flujo de aire en condiciones controladas. La patente estadounidense n.° A 5.738.697 de Wu divulga muelas abrasivas de alta permeabilidad que tienen una cantidad significativa de porosidad interconectada (40-80 % en volumen). Estas muelas abrasivas están hechas de una matriz de partículas fibrosas que tienen una relación de aspecto de al menos 5:1. Las partículas fibrosas pueden ser granos abrasivos filamentosos o granos abrasivos ordinarios no fibrosos mezclados con diversos materiales de relleno fibroso tales como fibra cerámica, fibra de poliéster y fibra de vidrio, y esteras y aglomerados construidos con las partículas fibrosas.

Ahora se ha descubierto que las herramientas a base de abrasivos aglomerados se pueden fabricar con un porcentaje relativamente alto de porosidad y un porcentaje relativamente bajo de grano abrasivo sin sacrificar la resistencia mecánica o la resistencia al desgaste de la herramienta, aunque el grado de dureza de la herramienta indicaría una resistencia mecánica relativamente pobre. Para las herramientas abrasivas con aglomerado orgánico, ahora es posible fabricar herramientas con porcentajes relativos de grano abrasivo, aglutinante y porosidad que forman estructuras desconocidas entre las herramientas a base de abrasivos aglomerados comerciales. Estas nuevas estructuras incluyen herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos en las que la fase continua del material compuesto abrasivo consiste en el constituyente poroso. En un método preferido para crear estas nuevas estructuras, la mayor parte del grano abrasivo se ha aglomerado con un material aglutinante antes de mezclar, moldear y procesar térmicamente la herramienta a base de abrasivos aglomerados.

Se ha notificado que los granos abrasivos aglomerados mejoran la eficiencia del rectificado mediante mecanismos que no están relacionados con la cantidad o el carácter de la porosidad de la herramienta a base de abrasivos aglomerados. El grano abrasivo se ha aglomerado para varios propósitos, el principal de ellos es permitir el uso de un tamaño de partícula de grano abrasivo («grano») más pequeño para lograr la misma eficiencia de rectificado que un tamaño de grano abrasivo más grande, o para producir un acabado superficial más suave en la pieza de trabajo que se está rectificando. En muchos casos, el grano abrasivo se ha aglomerado para lograr una estructura menos porosa y una herramienta de pulido más densa, que tiene granos abrasivos más fuertemente adheridos.

Se han fabricado muelas abrasivas de bruñido de engranajes de muy baja porosidad (p. ej., menos de aproximadamente el 5 % en volumen de porosidad) a partir de materiales compuestos de abrasivos aglomerados vitrificados triturados recuperados aglutinando los materiales compuestos en una resina epoxi. Estas muelas de bruñido de engranajes «compuestas» han estado disponibles comercialmente durante varios años (de Saint-Gobain Abrasives, GmbH, anteriormente Efesis Schleiftechnik GmbH, Gerolzhofen, Alemania).

La patente estadounidense n.° A 2.216.728 de Benner divulga agregados de grano abrasivo/aglutinante fabricados a partir de cualquier tipo de aglutinante. La razón para usar agregados es lograr estructuras de muelas muy densas para retener el grano de diamante o CBN durante las operaciones de rectificado. Si los agregados están fabricados con una estructura porosa, entonces es con el propósito de permitir que los materiales aglutinantes entre agregados fluyan hacia los poros de los agregados y densifiquen completamente la estructura durante la cocción. Los agregados permiten el uso de granos abrasivos finos que de otro modo se perderían en la producción.

La patente estadounidense n.° A 3.982.359 de Elbel divulga la formación de agregados de granos abrasivos y aglutinantes de resina que tienen valores de dureza mayores que los del aglutinante de resina utilizado para aglutinar los agregados dentro de una herramienta abrasiva. Se logran tasas de rectificado más rápidas y una vida útil más prolongada en las muelas aglomeradas con caucho que contienen los agregados.

La patente estadounidense n.° A 4.799.939 de Bloecher divulga aglomerados erosionables de grano abrasivo, cuerpos huecos y aglutinante orgánico y el uso de estos aglomerados en abrasivos revestidos y abrasivos aglomerados. Se divulgan aglomerados similares en la patente estadounidense n.° A 5.039.311 de Bloecher y en la patente estadounidense n.° A 4.652.275 de Bloecher et al.

La patente estadounidense n.° A 5.129.189 de Wetshcer divulga herramientas abrasivas que tienen una matriz de aglutinante de resina que contiene conglomerados, que tienen 5-90 % de volumen de porosidad, de grano abrasivo, resina y material de relleno tal como la criolita.

La patente estadounidense n.° A 5.651.729 de Benguerel divulga una muela abrasiva que tiene un núcleo y un borde abrasivo discreto hecho de un aglutinante de resina y aglomerados triturados de grano abrasivo de diamante o CBN con un aglutinante de metal o cerámica. Los beneficios expresados para las muelas abrasivas fabricadas con aglomerados incluyen un alto espacio libre de viruta, alta resistencia al desgaste, características de autoafilado, alta resistencia mecánica de la muela abrasiva y la capacidad de unir directamente el borde abrasivo al núcleo de la muela abrasiva. En un modo de realización, llantas abrasivas usadas aglutinadas con diamante o CBN se trituran hasta un tamaño de 0,2 a 3 mm para formar los aglomerados.

La patente británica n.° A 1.228.219 de Lippert divulga conglomerados de grano y aglutinante añadidos a una matriz aglutinante elástica de caucho. El aglutinante que mantiene el grano dentro del conglomerado puede ser de materiales cerámicos o de resina, pero debe ser más rígido que la matriz aglutinante elástica.

La patente estadounidense n.° A 4.541.842 de Rostoker divulga abrasivos revestidos y muelas abrasivas fabricadas con agregados de grano abrasivo y una mezcla espumada de materiales aglutinantes vitrificados con otras materias primas, tales como negro de humo o carbonatos, adecuados para la formación de espuma durante la cocción de los agregados. Los «gránulos» agregados contienen un mayor porcentaje de aglutinante que de grano en porcentaje de volumen. Los gránulos utilizados para hacer muelas abrasivas se sinterizan a 900 °C (a una densidad de 70 lbs/pie3; 1.134 g/cc) y el aglomerante vitrificado utilizado para fabricar las muelas se cuece a 880 °C. Las muelas fabricadas con un 16 % en volumen de gránulos tenían un rendimiento de rectificado de un nivel de eficiencia similar al de las muelas comparables fabricadas con un 46 % en volumen de grano abrasivo. Los gránulos contienen células abiertas dentro de la matriz de aglutinantes vitrificados, con los granos abrasivos relativamente más pequeños agrupados alrededor del perímetro de las células abiertas. Se menciona un horno rotatorio para la cocción de áridos verdes pre-aglomerados que luego son espumados y sinterizados para hacer los gránulos.

El documento US-A-6.086.467 de Imai et al. divulga muelas abrasivas que contienen granos abrasivos y racimos de granos de relleno que tienen un tamaño más pequeño que el grano abrasivo. Se puede usar un aglutinante vitrificado y el grano de relleno puede ser óxido de cromo. El tamaño de los racimos de granos es de 1/3 o más del tamaño del grano abrasivo. Los beneficios incluyen la erosión controlada del aglutinante y la retención del grano abrasivo en aplicaciones de rectificado de baja fuerza que utilizan grano superabrasivo y en el que el grano superabrasivo debe diluirse para minimizar las fuerzas de rectificado. Se pueden formar racimos de grano de relleno con cera. No se divulga la sinterización de los racimos.

El documento WO 01/85393 A1 de Adefris divulga un artículo abrasivo tridimensional fabricado a partir de materiales compuestos abrasivos, ya sean conformados o con forma irregular, dispuestos para tener más de una monocapa de materiales compuestos abrasivos. El artículo puede contener porosidad inter-compuestos y porosidad intra-compuestos. Los compuestos incluyen granos abrasivos aglutinados en una primera matriz inorgánica u orgánica y el artículo abrasivo se aglutina con un segundo material aglutinante orgánico o inorgánico (metálico o vitrificado o cerámico), para formar un artículo abrasivo que tiene aproximadamente un 20 a 80 % en volumen de porosidad. El artículo preferido contiene grano abrasivo de diamante fino mantenido en un primer y un segundo aglutinante de vidrio y el artículo se usa para pulir vidrio hasta obtener un acabado de espejo.

Varias publicaciones han divulgado herramientas abrasivas revestidas fabricadas con grano abrasivo aglomerado. Estas incluyen el documento US-A-2.194.472 de Jackson que divulga herramientas abrasivas revestidas fabricadas con aglomerados de una pluralidad de granos abrasivos relativamente finos y cualquiera de los aglutinantes normalmente utilizados en herramientas abrasivas revestidas o aglomeradas. Se ha informado que los compuestos inorgánicos de diamante de grano fino, CBN y otros granos abrasivos térmicamente degradables en una matriz de óxido metálico son útiles en herramientas abrasivas revestidas (patente estadounidense n.° A 3.916.584 de Howard, et al.). La patente estadounidense n.° A 3.048.482 de Hurst divulga microsegmentos abrasivos conformados de granos abrasivos aglomerados y materiales aglutinantes orgánicos en forma de pirámides u otras formas ahusadas. Los microsegmentos abrasivos conformados se adhieren a un soporte fibroso y se utilizan para hacer abrasivos revestidos y para revestir la superficie de muelas abrasivas delgadas. La patente estadounidense n.° A 4.311.489 de Kressner divulga aglomerados de grano abrasivo fino (< 200 micrómetros) y criolita, opcionalmente con un aglutinante de silicato, y su uso en la fabricación de herramientas abrasivas revestidas. La patente estadounidense n.° A 5.500.273 de Holmes divulga partículas o compuestos conformados de manera precisa de granos abrasivos y un aglutinante polimérico formado por la polimerización de radicales libres. Se divulgan compuestos de formas similares en la patente estadounidense n.° A 5.851.247 de Stoetzel, et al.; la patente estadounidense n.° A 5.714.259 de Holmes, et al.; y la patente estadounidense n.° A 5.342.419 de Hibbard, et al. Los documentos US 5.975.988, US 6.217.413 B1 y w O 96/10471, todos de Christianson, divulgan artículos abrasivos revestidos que incluyen un soporte y una capa abrasiva aglomerada orgánica donde el abrasivo está presente como aglomerados conformados en forma de pirámide o de cubo truncado de cuatro lados.

El documento US-A-6.056.794 de Stoetzel, et al., divulga artículos abrasivos revestidos que tienen un soporte, un aglutinante orgánico que contiene partículas inorgánicas duras dispersas en su interior y aglomerados de partículas abrasivas unidos al soporte. Las partículas abrasivas en los aglomerados y las partículas inorgánicas duras en el aglutinante orgánico son esencialmente del mismo tamaño. Los aglomerados pueden tener una forma aleatoria o precisa y están hechos con un aglutinante orgánico. Las partículas inorgánicas duras pueden ser cualquiera de varias partículas de grano abrasivo.

El documento US 6.319.108 B1 de Adefris et al. divulga un artículo abrasivo que comprende un soporte rígido y compuestos abrasivos cerámicos hechos de partículas abrasivas en una matriz cerámica porosa. Los compuestos se sujetan al soporte con un revestimiento metálico, tal como un metal galvanizado. El documento WO 01/83166 A1 de Mujumdar et al. divulga herramientas abrasivas para pulir vidrio que comprenden compuestos de diamante adheridos a un soporte con aglutinante de resina.

Varias patentes divulgan herramientas abrasivas que comprenden resina u otros compuestos orgánicos aglutinantes de grano abrasivo. La mayoría de estas herramientas son herramientas abrasivas revestidas en las que se emplea un aglutinante de resina para adherir los compuestos de grano abrasivo a un soporte flexible. Ocasionalmente, se utilizan aglutinantes metálicos o partículas erosionables junto con los compuestos abrasivos. Las patentes representativas de este grupo incluyen la patente estadounidense n.° A 5.078.753 de Broberg, et al.; la patente estadounidense n.° A 5.578.098 de Gagliardi, et al.; la patente estadounidense n.° A 5.127.197 de Brukvoort, et al.; la patente estadounidense n.° A 5, 318.604 de Gorsuch, et al.; la patente estadounidense n.° A 5.910.471 de Christianson, et al.; y la patente estadounidense n.° A 6.217.413 de Christianson, et al.

La patente estadounidense n.° A 4.355.489 de Heyer divulga un artículo abrasivo (muela abrasiva, disco, correa, hoja, bloque y similares) hecho de una matriz de filamentos ondulados aglutinados entre sí en puntos de contacto manual y aglomerados abrasivos, que tiene un volumen vacío de aproximadamente un 70-97 %. Los aglomerados se pueden preparar con aglutinantes vitrificados o resinosos y cualquier grano abrasivo. La patente estadounidense n.° A 4.364.746 de Bitzer divulga herramientas abrasivas que comprenden diferentes aglomerados abrasivos que tienen diferentes resistencias. Los aglomerados están hechos de aglutinantes de resina y granos abrasivos, y pueden contener otros materiales, tales como fibras cortadas, para una mayor resistencia o dureza. La patente estadounidense n.° A 4.393.021 de Eisenberg et al. divulga un método para preparar aglomerados abrasivos a partir de grano abrasivo y un aglutinante de resina utilizando una red de tamiz y enrollando una pasta del grano y el aglutinante a través de la red para realizar extrusiones en forma de gusano. Las extrusiones se endurecen por calentamiento y luego se trituran para formar aglomerados.

El documento WO 03/086703 A se refiere a herramientas o artículos abrasivos aglomerados que comprenden un material compuesto tridimensional de (a) un 22-46 % en volumen de granos abrasivos adheridos con un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico; y (b) un 40-68 % en volumen de porosidad interconectada. En estos artículos, la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupaciones espaciadas de manera irregular dentro del material compuesto tridimensional.

A pesar de este extenso conocimiento sobre cómo fabricar artículos abrasivos con grano aglomerado y cómo eliminar o crear porosidad en la herramienta, hasta ahora nadie ha alterado con éxito la estructura básica compuesta de una herramienta abrasiva tridimensional, monolítica aglomerada con grano aglomerado de manera que el grado y la estructura de la herramienta ya no indiquen el rendimiento del rectificado. Nadie ha utilizado grano aglomerado para fabricar herramientas de estructura porcentual en volumen que eran difíciles o imposibles de fabricar con grano abrasivo ordinario en aglutinantes orgánicos. En particular, sin sacrificar la resistencia mecánica, la vida útil de la herramienta o el rendimiento de la herramienta, se ha encontrado que se pueden lograr porcentajes de porosidad en volumen relativamente altos (p. ej., por encima del 30 % en volumen) en herramientas a base de abrasivos aglomerados fabricadas con aglutinantes orgánicos. En las herramientas de la invención se pueden conseguir ahora alteraciones significativas en el módulo de elasticidad y otras propiedades físicas de las herramientas aglomeradas tanto orgánicas como inorgánicas.

En los abrasivos aglomerados fabricados con materiales aglutinantes orgánicos, se ha considerado que los materiales aglutinantes son el factor más importante para alterar el grado y la estructura para lograr una resistencia mecánica o rigidez adecuada o suficiente. Sorprendentemente, la invención permite fabricar herramientas con menor contenido de grano abrasivo en una variedad de contenidos de aglutinante y utilizarlas en aplicaciones de rectificado que exigen herramientas de alta resistencia mecánica con resistencia al desgaste prematuro (definido como un desgaste de la estructura de la herramienta que es más rápido que el desgaste del grano abrasivo). En aplicaciones de rectificado de superficies con una gran área de contacto, las herramientas de la invención se comportan realmente de una manera superior a las herramientas convencionales fabricadas con contenidos mayores de aglutinante y de grano abrasivo.

Ninguno de los desarrollos de la técnica anterior en grano abrasivo aglomerado sugiere los beneficios de las herramientas a base de abrasivos aglomerados de usar ciertos granos abrasivos aglomerados dentro de una matriz de aglutinante orgánica o inorgánica para controlar la estructura tridimensional de la herramienta a base de abrasivos aglomerados. En particular, es inesperado que estos aglomerados pudieran adaptarse para ajustar y controlar la ubicación y el tipo de porosidad y de matriz aglutinante dentro de la estructura de las herramientas de la invención.

Sumario de la invención

La invención es una herramienta a base de abrasivos aglomerados como se define en la reivindicación 1.

La invención incluye además un método para el rectificado profundo como se define en la reivindicación 7.

Descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama ternario que contrasta las estructuras de composición porcentual relativa en volumen de las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos estándar con las de las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos de la invención.

La figura 2 es un diagrama ternario que contrasta las estructuras de composición porcentual relativa en volumen de las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos estándar con las de las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos de la invención fabricadas con aglomerados de granos abrasivos que contienen materiales aglutinantes inorgánicos.

La figura 3 es un diagrama ternario que ilustra el rango de estructuras de composición porcentual en volumen de herramientas a base de abrasivos aglomerados inorgánicos estándar en las que los de herramientas a base de abrasivos aglomerados inorgánicos de la invención fabricadas con aglomerados de granos abrasivos que contienen materiales aglutinantes inorgánicos y un aglutinante inorgánico se caracterizan por tener valores del módulo elástico significativamente menores, pero valores equivalentes de velocidad de rotura de la muela abrasiva en relación con las herramientas estándar.

La figura 4 es una microfotografía de la superficie de una herramienta a base de abrasivos aglomerados estándar hecha con un aglutinante orgánico, que ilustra una distribución uniforme de los tres constituyentes del compuesto abrasivo.

La figura 5 es una microfotografía de la superficie de una herramienta a base de abrasivos aglomerados de la invención hecha con un aglutinante orgánico, que ilustra la 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 aglutinante orgánico.

La figura 6 es un diagrama en sección transversal de una parte de una herramienta abrasiva de material compuesto que tiene una primera parte y una segunda parte según un modo de realización.

La figura 7 es un diagrama en sección transversal de una parte de una herramienta abrasiva de material compuesto que tiene una primera parte y una segunda parte según un modo de realización.

La figura 8 es una ilustración de una operación de rectificado utilizando una herramienta abrasiva compuesta según un modo de realización.

Descripción del/de los modo(s) de realización preferente(s)

Herramientas a base de abrasivos aglomerados

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados de la invención (muelas abrasivas, segmentos abrasivos, discos abrasivos, piedras de amolar y rectificadoras, denominadas colectivamente herramientas o muelas) se caracterizan por una combinación previamente desconocida de estructura de herramienta o muela y propiedades físicas. Tal y como se usa en este documento, el término «estructura de la muela» se refiere al porcentaje en volumen de grano abrasivo, aglutinante y porosidad contenido en la muela abrasiva. El «grado» de dureza de la muela abrasiva se refiere a la designación de letras que se le da al comportamiento de la muela abrasiva en una operación de rectificado. Para un tipo de aglutinante dado, el grado es una función de la porosidad de la muela abrasiva, el contenido de grano y ciertas propiedades físicas, como la densidad de curado, el módulo elástico y la penetración por chorro de arena (esta última es más típica de las muelas abrasivas aglomeradas vitrificadas). El «grado» de la muela predice la resistencia al desgaste de la muela abrasiva durante el rectificado y la dureza de rectificado de la muela, es decir, cuánta potencia se necesitará para utilizar la muela en una operación de rectificado determinada. La designación de letra para el grado de la muela abrasiva se asigna de acuerdo con una escala de grados de Norton Company conocida en la técnica, en la que los grados más suaves se designan A y los grados más duros se designan Z. Véase por ejemplo la patente estadounidense n.° A 1.983.082 de Howe et al. Al hacer coincidir los grados de las muelas abrasivas, un experto en la técnica normalmente puede sustituir una nueva especificación de muela abrasiva por una muela abrasiva conocida y predecir que la nueva muela abrasiva funcionará de manera similar a la muela abrasiva conocida.

En una desviación 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 modo que el grado y la estructura de la herramienta ya no indican el rendimiento del rectificado.

Cuando se fabrican con un aglutinante orgánico, las herramientas de la invención se pueden formular para producir estructuras porcentuales en volumen (p. ej., porosidad por encima del 30 % en volumen) que eran difíciles o imposibles de fabricar mediante métodos de la técnica anterior. Estas nuevas estructuras se pueden fabricar sin sacrificar la resistencia mecánica, la vida útil o el rendimiento de la herramienta. En un método preferido, estas estructuras se fabrican con una mezcla de granos abrasivos en la que la mayoría del grano abrasivo está en forma de aglomerados de granos abrasivos con un material aglutinante orgánico, un material aglutinante inorgánico o una mezcla de ambos.

Cuando se fabrican con un aglutinante inorgánico, las herramientas de la invención se pueden formular de modo que produzcan estructuras con porcentajes de volumen idénticos (ver figura 3) a las herramientas convencionales, pero con un valor de módulo elástico significativamente menor, es decir, al menos un 10 % menor y, a menudo, tanto como un 50 % más bajo, sin ninguna pérdida efectiva de resistencia mecánica. A pesar de esta menor rigidez, las herramientas de la invención exhiben valores de velocidad de rotura comercialmente aceptables y tasas 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 en la que la mayoría del grano abrasivo está en forma de aglomerados de granos abrasivos con un material aglutinante inorgánico.

Las figuras 1 a 5 ilustran estructuras de herramientas. La figura 1 es un diagrama ternario en el que se marcan dos zonas que definen dos juegos de muelas abrasivas (muelas abrasivas de la técnica anterior y muelas abrasivas experimentales de referencia) fabricadas con material aglutinante 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 de superficies, de precisión o de alto contacto, tales como rectificado de discos o rodillos. Las muelas abrasivas convencionales tienen estructuras de porcentaje en volumen dentro de una zona delimitada por un 38 a 52 % en volumen de grano, un 12 a 38 % en volumen de aglutinante y un 15 a 37 % en volumen de porosidad. Por el contrario, las muelas abrasivas experimentales de referencia tienen estructuras dentro de una zona delimitada por un 24 a 48 % en volumen de grano, un 10 a 38 % en volumen de aglutinante y un 38 a 54 % en volumen de porosidad. Se puede ver que las muelas experimentales de referencia están hechas con un grano significativamente menos abrasivo que las muelas convencionales y que contienen cantidades relativamente pequeñas de aglutinante y cantidades relativamente grandes de porosidad. Lo que no se puede ver en el diagrama es que las muelas experimentales de referencia se encuentran en una región en el diagrama ternario donde los métodos de fabricación de la técnica anterior no pueden usarse para hacer muelas abrasivas. Los métodos de la técnica anterior fallaron porque la estructura compuesta tridimensional se asentó durante el procesamiento térmico, colapsando las áreas de porosidad, o porque las muelas de la técnica anterior carecían de resistencia mecánica suficiente para un uso seguro en operaciones de rectificado.

La figura 2 es un diagrama ternario que ilustra dos juegos de muelas abrasivas (muelas de la técnica anterior y muelas experimentales) diseñadas para uso comercial en operaciones de rectificado de áreas de contacto de línea continua, tales como el rectificado de rodillos. Las muelas de la técnica anterior se fabrican con material aglutinante orgánico y las muelas experimentales de referencia se fabrican con material aglutinante orgánico y aglomerados de grano abrasivo que contienen materiales aglutinantes inorgánicos. Las muelas experimentales de referencia son muy superiores a las muelas convencionales en todos los parámetros operativos de las operaciones de rectificado de rodillos. De nuevo, las muelas abrasivas convencionales tienen estructuras dentro de una zona delimitada por un 38 a 53 % en volumen de grano, un 12 a 38 % en volumen de aglutinante y un 15 a 37 % en volumen de porosidad. Por el contrario, las muelas abrasivas experimentales de referencia tienen estructuras dentro de una zona delimitada por un 28 a 48 % en volumen de grano, un 10 a 33 % en volumen de aglutinante (la suma de aglutinante orgánico en la muela abrasiva y material aglutinante inorgánico en los aglomerados) y un 38 a 53 % en volumen de porosidad. Se puede ver que las muelas experimentales de referencia se pueden fabricar con un grano significativamente menos abrasivo y una porosidad significativamente mayor que las muelas convencionales. Lo que no se puede ver en el diagrama es que las muelas experimentales de referencia se caracterizan por grados mucho más suaves que las muelas convencionales y por valores de módulo elástico más bajos que las muelas convencionales (en comparación con el porcentaje en volumen equivalente de material aglutinante), pero muestran una eficiencia de rectificado significativamente mejor en términos de la vida útil de la muela abrasiva, la tasa de eliminación de material y la resistencia a la vibración o al traqueteo de la muela abrasiva.

La figura 3 es un diagrama ternario que ilustra dos juegos de muelas (muelas de la técnica anterior y muelas experimentales de referencia) fabricadas con material aglutinante inorgánico, ambas apropiadas para uso comercial en operaciones de rectificado de superficies con gran área de contacto, como el rectificado profundo.

Las muelas abrasivas de la técnica anterior y las muelas abrasivas experimentales de referencia ambas tienen estructuras dentro de una zona delimitada por un 22 a 46 % en volumen de grano, un 4 a 21 % en volumen de aglutinante y un 35 a 77 % en volumen de porosidad. Lo que no se puede ver en el diagrama es que, con una estructura de porcentaje en volumen idéntica, las muelas de la invención tienen un grado más blando y un valor de módulo elástico más bajo que las muelas convencionales, sin embargo, las muelas experimentales de referencia exhiben un rendimiento de rectificado significativamente mejor en términos de tasa de eliminación de material y calidad de la pieza de trabajo.

Las figuras 4 a 5 ilustran el cambio en la cantidad y el carácter de la porosidad de las herramientas de la invención con respecto a las herramientas convencionales. Puede verse en las figuras 4 (técnica anterior) y 5 (de la invención) que la porosidad (áreas más oscuras) en el material compuesto abrasivo de la muela abrasiva de la invención es una fase continua de canales interconectados. El grano abrasivo y el aglutinante aparecen como una red reticulada en la que el grano abrasivo está anclado en los materiales aglutinantes orgánicos. Por el contrario, las muelas abrasivas convencionales tienen una estructura sustancialmente uniforme en la que la porosidad es apenas visible y está claramente presente como una fase discontinua.

De manera similar, se ha observado para las herramientas aglomeradas inorgánicas de la invención que la porosidad en el material compuesto abrasivo comprende una porosidad interconectada. Los granos abrasivos de las muelas de la invención están agrupados y espaciados de manera irregular, en contraste con la separación regular y uniforme de las vetas en muelas comparables de la técnica anterior fabricadas con el mismo tipo de aglutinantes inorgánicos y materiales de grano. Todos los componentes de las muelas abrasivas de la técnica anterior parecen estar espaciados de manera uniforme y homogénea a través de la superficie de la muela abrasiva, mientras que todos los componentes de la muela abrasiva de la invención están espaciados irregularmente y la estructura no es homogénea. Como se esperaría de una herramienta con aglutinante inorgánico (p. ej., aglutinante vitrificado) y los tamaños de grano abrasivo relativamente pequeños que se usan típicamente en dicha herramienta, en comparación con el aglutinante orgánico y los tamaños de grano más grandes ilustrados en la figura 5, los canales de porosidad y la red de grano abrasivo y aglutinante son visualmente menos distintos en las herramientas de aglutinante inorgánico que en las herramientas de aglutinante orgánico.

Se ha identificado que varias propiedades del material de las herramientas a base de abrasivos aglomerados están relacionadas con las nuevas estructuras compuestas descritas en este documento, que incluyen resistencia mecánica, módulo elástico y densidad.

Las propiedades de resistencia mecánica determinan si un compuesto se puede utilizar como herramienta a base de abrasivos aglomerados en una operación de rectificado comercial. Debido a que la mayoría de las herramientas a base de abrasivos aglomerados se utilizan en forma de muelas abrasivas, la resistencia mecánica se predice mediante la prueba de velocidad de rotura de la muela abrasiva en la que la muela abrasiva se monta en un eje dentro de una cámara protectora y luego se gira a velocidades crecientes hasta que el compuesto falla y la muela abrasiva estalla en pedazos. La velocidad de rotura se puede convertir en un punto de falla por esfuerzo de tracción mediante ecuaciones conocidas (p. ej., Formulas for Stress and Strain [Fórmulas de esfuerzo y deformación], Raymond J. Roark, McGraw-Hill, 1965). Por ejemplo, si se supone un disco giratorio con un orificio central, se produce una falla en el orificio donde la tensión de tracción es máxima.

a = esfuerzo de tracción o resistencia a la rotura (psi)

R = radio de la muela abrasiva (pulg)

p = densidad de la muela abrasiva (lbs/pulg3 )

r = radio del agujero (pulg)

u> = velocidad angular (radianes/seg)

k = constante (386,4)

u = coeficiente de Poisson (0.2)

Aplicando estas relaciones a un ejemplo de muela abrasiva, para una muela abrasiva de rodillo de 36 x 4 x 12 pulgadas (91,4 x 10,2 x 30,5 cm) con una densidad de 0,053 lbs/in3 (1,46 g/cc) (que contiene un 30 % de abrasivo un 22 % de aglutinante un 48 % de poros en volumen), si esta muela abrasiva tenía una velocidad de rotura medida de 4,000 sfpm (20,32 m/s), entonces:

velocidad angular = 4000 pies = 44,4 radianes

min seg

Si la velocidad de rotura fuera dos veces mayor (8,000 sfpm (40,64 m/s) o 88,8 radianes/seg), entonces el esfuerzo de tracción a = 1153 psi en el punto donde el material compuesto sufre una falla mecánica.

Por lo tanto, la «resistencia mecánica» se define aquí como la velocidad de rotura de la muela abrasiva en pies por minuto (o metros por segundo) para muelas abrasivas y, si la herramienta a base de abrasivos aglomerados no es una muela, como la tensión de tracción medida en el punto donde el compuesto sufre una falla mecánica completa.

Otra propiedad del material que es relevante para las herramientas a base de abrasivos aglomerados de la invención es la densidad de la herramienta. Las herramientas con aglutinante orgánico de la invención, como cabría esperar a partir de las composiciones porcentuales en volumen de sus nuevas estructuras, son menos densas que las herramientas convencionales comparables normalmente utilizadas en operaciones de rectificado. Las herramientas con aglutinante orgánico se caracterizan por una densidad de menos de 2,2 g/cc, más preferiblemente menos de 2,0 g/cc y lo más preferiblemente menos de 1,8 g/cc. Como tales, para una aplicación de rectificado dada (p. ej., cilindros de acero para rectificado de discos) son aproximadamente un 20 a 35 % menos densas y, en promedio, aproximadamente un 30 % menos densas que las herramientas convencionales comparables utilizadas en la misma aplicación.

Las herramientas aglomeradas inorgánicas de la invención se caracterizan por densidades comparables o ligeramente inferiores con respecto a las densidades de herramientas convencionales comparables. Por ejemplo, las muelas abrasivas de diámetro interior de 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 abrasivas de rectificado profundo de la invención y las muelas convencionales comparables varían ambas de aproximadamente 1,63 a 1,99 g/cc.

Sin embargo, para las herramientas aglomeradas inorgánicas de la invención, los valores del módulo elástico son significativamente más bajos, al menos un 10 %, preferiblemente al menos un 25 % y lo más preferiblemente un 50 % más bajos que los valores para herramientas convencionales comparables. Para muelas abrasivas de diámetro interior, el módulo elástico de las herramientas varía de 25 a 50 GPa (los valores se determinaron con una máquina Grindosonic™, mediante el método descrito en J. Peters, Sonic Testing o f Grinding Wheels [Pruebas sónicas de muelas abrasivas] Advances in Machine Tool Design and Research, Pergamon Press, 1968) en contraste con los valores de módulo elástico de herramientas comparables que normalmente oscilan entre 28 y 55 GPa. Para muelas abrasivas de rectificado profundo como se usan particularmente en la presente invención, los valores de módulo elástico para las herramientas de la invención varían de 12 a 36 GPa, en contraste con los valores de módulo elástico de herramientas comparables que típicamente varían de 16 a 38 GPa. Asimismo, para las muelas abrasivas de la sala de herramientas (rectificado superficial de herramientas de metal endurecido), el módulo elástico de las herramientas de la invención varía de 12 a 30 GPa, en contraste con los valores de módulo elástico de la herramienta comparables que típicamente varían de 16 a 35 GPa. En general, para una aplicación de rectificado seleccionada, cuanto mayor sea el grado de la herramienta convencional comparable necesaria para esa aplicación, mayor será el desplazamiento hacia abajo en el valor del módulo elástico de la herramienta con aglutinante inorgánico de la invención que ofrezca un rendimiento igual o mejor en esa aplicación. De ello se deduce que para una aplicación de rectificado seleccionada, cuanto mayor sea el porcentaje en volumen de grano abrasivo en una herramienta convencional comparable necesaria para esa aplicación, mayor será el desplazamiento hacia abajo en el valor del módulo elástico de la herramienta con aglutinante inorgánico de la invención que ofrezca un rendimiento igual o mejor en esa aplicación.

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados de la invención tienen una estructura inusualmente porosa de porosidad interconectada, lo que hace que la herramienta sea permeable al flujo de fluido y la porosidad, en efecto, se convierte en una fase continua dentro del compuesto abrasivo. La cantidad de porosidad interconectada se determina midiendo la permeabilidad al fluido de la herramienta según el método de la patente estadounidense n.° A 5,738,696. Tal como se usa en el presente documento, Q/P = la permeabilidad a los fluidos de una herramienta abrasiva, donde Q significa el caudal expresado como cc de flujo de aire y P significa el diferencial de presión. El término Q/P representa el diferencial de presión medido entre la estructura de la herramienta abrasiva y la atmósfera a un caudal determinado de un fluido (p. ej., el aire). Esta permeabilidad relativa Q/P es proporcional al producto del volumen de los poros por el cuadrado del tamaño de los poros. Se prefieren tamaños de poros más grandes. La geometría de los poros y el tamaño de grano abrasivo son otros factores que afectan a Q/P, donde un tamaño de grano mayor produce una mayor permeabilidad relativa.

Las herramientas abrasivas útiles en la invención se caracterizan por tener valores de permeabilidad a los fluidos más altos que las herramientas comparables de la técnica anterior. Tal como se usa en este documento, «herramientas comparables de la técnica anterior» son aquellas herramientas fabricadas con el mismo grano abrasivo y con materiales aglutinantes con la misma porosidad, granos y porcentajes en volumen de aglutinante que los de la invención. En general, las herramientas abrasivas de la invención tienen valores de permeabilidad a los fluidos de aproximadamente un 25 a un 100 % más altos que los valores de las herramientas abrasivas comparables de la técnica anterior. Las herramientas abrasivas se caracterizan preferiblemente por tener valores de permeabilidad a los fluidos al menos un 10 % más altos, más preferiblemente al menos un 30 % más altos que los de las herramientas comparables de la técnica anterior.

Un experto en la técnica puede determinar los parámetros exactos de permeabilidad relativa del fluido para tamaños y formas de aglomerado particulares, tipos de aglutinante y niveles de porosidad aplicando la Ley de D'Arcy a los datos empíricos para un tipo determinado de herramienta abrasiva.

La porosidad dentro de la muela abrasiva surge del espacio abierto proporcionado por la densidad de compactación natural de los componentes de la herramienta, particularmente los aglomerados abrasivos y, opcionalmente, al agregar una cantidad menor de medio inductor de poros convencional. Los medios inductores de poros adecuados incluyen, pero no se limitan a, esferas de vidrio huecas, esferas huecas o perlas de material plástico o compuestos orgánicos, partículas de vidrio espumado, mullita de burbujas y alúmina de burbujas y combinaciones de los mismos. Las herramientas pueden fabricarse con inductores de porosidad de celda abierta, tales como perlas de naftaleno, cáscaras de nuez u otros gránulos orgánicos que se queman durante la cocción de la herramienta para dejar espacios vacíos dentro de la matriz de la herramienta, o pueden fabricarse con medios inductores de poros huecos de celdas cerradas (p. ej., esferas de vidrio huecas). Las herramientas abrasivas preferidas no contienen medios inductores de poros añadidos o contienen una cantidad menor (es decir, menos del 50 % en volumen, preferiblemente menos del 20 % en volumen y más preferiblemente menos del 10 % en volumen de la porosidad de la herramienta) de medios inductores de poros añadidos. La cantidad y el tipo de inductor de poros añadido deben ser eficaces para producir una herramienta abrasiva con un contenido de porosidad del cual al menos el 30 % en volumen es porosidad interconectada.

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados de la invención que tienen estas propiedades de material y características estructurales se fabrican preferiblemente mediante 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 sean sometidos a mezclado, moldeado y curado térmico para formar un compuesto abrasivo. Estos aglomerados de granos abrasivos se pueden preparar con materiales aglutinantes inorgánicos o con materiales aglutinantes orgánicos.

Aglomerados abrasivos fabricados con materiales aglutinantes orgánicos

Los aglomerados fabricados con materiales aglutinantes orgánicos que son útiles en la invención son estructuras o gránulos tridimensionales que incluyen materiales compuestos curados de grano abrasivo y material aglutinante. Se prefiere cualquiera de los materiales aglutinantes poliméricos termoendurecibles comúnmente utilizados en la industria de las herramientas abrasivas como aglutinantes para abrasivos aglomerados orgánicos, abrasivos revestidos y similares. Dichos materiales incluyen materiales de resina fenólica, materiales de resina epoxi, materiales de resina de fenol-formaldehído, materiales de resina de urea-formaldehído, materiales de resina de melamina-formaldehído, materiales de resina acrílica, composiciones de resina modificada con caucho, composiciones cargadas y combinaciones de las mismas. Los aglomerados fabricados con material aglutinante orgánico tienen una densidad aparente suelta (LPD) de < 1,5 g/cc, preferiblemente de menos de 1,3 g/cc, una dimensión promedio de aproximadamente 2 a 10 veces el tamaño promedio del grano abrasivo o aproximadamente 200 a 3000 micrómetros, y un contenido de porosidad de aproximadamente el 1 al 50 %, preferiblemente del 5 al 45 % y lo más preferiblemente del 10 al 40 % en volumen.

Una parte importante (es decir, al menos el 50 % en volumen) de la porosidad dentro de los aglomerados está presente como porosidad que es permeable al flujo de material aglutinante orgánico en fase líquida en los aglomerados durante el curado térmico de las herramientas a base de abrasivos aglomerados moldeadas de la invención.

El grano abrasivo útil en aglomerados hechos con materiales aglutinantes orgánicos o inorgánicos puede incluir uno o más de los granos abrasivos conocidos para su uso en herramientas abrasivas, tales como los granos de alúmina, que incluyen alúmina fundida, alúmina sinterizada y sol gel de alúmina sinterizada, bauxita sinterizada y similares, carburo de silicio, alúmina-zirconia, aluminoxinitruro, ceria (óxido de cerio), subóxido de boro, granate, sílex, diamante, incluyendo el 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 (p. ej., menos del 10 % en volumen del grano abrasivo total en la herramienta) de sol gel de alúmina sinterizada alargados que tienen una relación de aspecto alta del tipo descrito en la patente estadounidense n.° 5.129.919. Los tamaños de grano adecuados para su uso aquí varían desde granos abrasivos regulares (p. ej., más de 60 y hasta 7.000 micrómetros) hasta granos microabrasivos (p. ej., de 0,5 a 60 micrómetros) y mezclas de estos tamaños. Para una operación dada de rectificado con un abrasivo, puede ser deseable aglomerar un grano abrasivo con un tamaño de grano menor que un tamaño de grano de grano abrasivo (no aglomerado) normalmente seleccionado para esta operación de rectificado abrasivo. Por ejemplo, el abrasivo aglomerado de tamaño de grano 80 se puede sustituir por el abrasivo de grano 54, el abrasivo aglomerado de grano 100 por el abrasivo de grano 60 y el grano aglomerado 120 por el abrasivo de grano 80. Como se usa en este documento, el tamaño de «grano» se refiere al tamaño de grano abrasivo en la escala de grano de Norton Company.

Aglomerados abrasivos fabricados con materiales aglutinantes inorgánicos

Los aglomerados fabricados con materiales aglutinantes inorgánicos que son útiles en la invención son estructuras o gránulos tridimensionales que incluyen materiales compuestos porosos sinterizados de grano abrasivo y material aglutinante cerámico o vitrificado. Los aglomerados tienen una densidad aparente suelta (LPD) de < 1,6 g/cc, una dimensión promedio de aproximadamente 2 a 20 veces el tamaño promedio de grano abrasivo y una porosidad de aproximadamente un 30 a 88 %, preferiblemente un 30 a 60 % en volumen. Los aglomerados de granos abrasivos tienen preferiblemente un valor mínimo de resistencia a la compresión de 0,2 MPa.

El tamaño de aglomerado sinterizado preferido para granos abrasivos típicos varía de aproximadamente 200 a 3.000, más preferiblemente de 350 a 2.000, lo más preferiblemente de 425 a 1.000 micrómetros de diámetro medio. Para el grano microabrasivo, el tamaño de aglomerado sinterizado preferido varía de 5 a 180, más preferiblemente de 20 a 150, lo más preferiblemente de 70 a 120 micrómetros de diámetro medio.

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

Los materiales aglutinantes útiles para la fabricación de los aglomerados incluyen preferiblemente materiales cerámicos y vitrificados, preferiblemente del tipo utilizado como sistemas de aglutinante para herramientas a base de abrasivos aglomerados vitrificados. Estos materiales aglutinantes vitrificados pueden ser un vidrio precocido que se ha molido para dar un polvo (una frita) o una mezcla de diversas materias primas tales como arcilla, feldespato, cal, bórax y sosa, o una combinación de materias primas y fritas. Dichos materiales se fusionan y forman una fase de vidrio líquido a temperaturas que varían de aproximadamente 500 a 1400 °C y que humedece la superficie del grano abrasivo para crear puestos de aglomeración al enfriarse, manteniendo así el grano abrasivo dentro de una estructura compuesta. En la tabla 2, a continuación, se dan ejemplos de materiales aglutinantes adecuados para su uso en los aglomerados. Los materiales aglutinantes preferidos se caracterizan por una viscosidad de aproximadamente 345 a 55,300 poise a 1180 °C, y por una temperatura de fusión de aproximadamente 800 a 1300 °C. Sin embargo, dependiendo de los usos previstos de las herramientas y las propiedades deseadas, los aglomerados se pueden hacer con uno o más materiales inorgánicos seleccionados del grupo que consiste en materiales aglutinantes vitrificados, materiales aglutinantes cerámicos, materiales aglutinantes vitrocerámicos, materiales de sales inorgánicas y materiales aglutinantes metálicos, y combinaciones de los mismos.

En un modo de realización preferido, el material aglutinante es una composición de aglutinante vitrificada que comprende una composición de óxido cocido de un 71 % en peso de SO 2 y B2O3, un 14 % en peso de AhO3, menos del 0,5 % en peso de óxidos alcalinotérreos y un 13 % en peso de óxidos alcalinos.

En otro modo de realización preferido, el material aglutinante puede ser un material cerámico, que incluye, entre otros, sílice, silicatos alcalinos, alcalinotérreos, una mezcla de 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 se diferencian de los materiales vítreos o vitrificados en que los materiales cerámicos comprenden estructuras cristalinas. Algunas fases vítreas pueden estar presentes en combinación con las estructuras cristalinas, particularmente en materiales cerámicos en un estado sin refinar. Se pueden usar aquí los materiales cerámicos en estado bruto, tales como arcillas, cementos y minerales. Ejemplos de materiales cerámicos específicos adecuados para su uso en la presente invención incluyen, entre otros, sílice, silicatos de sodio, mullita y otros aluminosilicatos, zirconia-mullita, aluminato de magnesio, silicato de magnesio, silicatos de zirconio, feldespato y otros aluminosilicatos alcalinos, espinelas, aluminato de calcio, aluminato de magnesio y otros aluminatos alcalinos, circonia, circonia estabilizada con itria, magnesia, calcia, óxido de cerio, titania u otros aditivos de tierras raras, talco, óxido de hierro, óxido de aluminio, bohemita, óxido de boro, óxido de cerio, oxinitruro de alúmina, nitruro de boro, nitruro de silicio, grafito y combinaciones de estos materiales cerámicos.

Algunos de estos materiales aglutinantes cerámicos (p. ej., el silicato de sodio) no requieren tratamiento térmico para formar aglomerados de granos abrasivos. Puede añadirse una solución del material aglutinante al grano abrasivo y secar la mezcla resultante para unir los granos como aglomerados.

El material aglutinante inorgánico se usa en forma de polvo y se puede añadir a un vehículo líquido para asegurar una mezcla uniforme y homogénea de material aglutinante con grano abrasivo durante la fabricación de los aglomerados.

Preferiblemente, se añade una dispersión de aglutinantes orgánicos a los componentes del material aglutinante inorgánico en polvo como coadyuvantes de moldeo o de procesamiento. Estos aglutinantes pueden incluir dextrinas, almidón, pegamento de proteína animal y otros tipos de pegamento; un componente líquido, tal como agua, un disolvente, modificadores de la viscosidad o del pH; y coadyuvantes de mezclado. El uso de aglomerantes orgánicos mejora la uniformidad del aglomerado, particularmente la uniformidad de la dispersión del material aglutinante en el grano, y la calidad estructural de los aglomerados precocidos o verdes, así como la de la herramienta abrasiva cocida que contiene los aglomerados. Debido a que los aglomerantes se queman durante la cocción de los aglomerados, no se convierten en parte del aglomerado terminado ni de la herramienta abrasiva terminada.

Puede añadirse un promotor de adhesión inorgánico a la mezcla para mejorar la adhesión de los materiales aglutinantes al grano abrasivo según sea necesario para mejorar la calidad de la mezcla. El promotor de adhesión inorgánico puede usarse con o sin un aglutinante orgánico para preparar los aglomerados.

El material aglutinante inorgánico está presente en aproximadamente un 0,5 a 15 % en volumen, más preferiblemente un 1 a 10 % en volumen y lo más preferiblemente un 2 a 8 % en volumen del aglomerado.

La densidad de los aglomerados de material aglutinante inorgánico se puede expresar de varias formas. La densidad aparente de los aglomerados puede expresarse como 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 utilizados para fabricar los aglomerados, teniendo en cuenta el volumen de porosidad interconectada en los aglomerados.

La densidad relativa media inicial, expresada como un porcentaje, puede calcularse dividiendo el LPD (p) por una densidad teórica de los aglomerados (po), asumiendo una porosidad cero. La densidad teórica puede calcularse según el método de la regla volumétrica de las mezclas a partir del porcentaje en peso y el peso específico 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 un 50 % en volumen, siendo más preferido un porcentaje máximo de densidad relativa del 30 % en volumen.

La densidad relativa puede medirse mediante una técnica de volumen de desplazamiento de fluido para incluir la porosidad interconectada y excluir la porosidad de celda cerrada. La densidad relativa es la relación entre el volumen de los aglomerados inorgánicos sinterizados medido por desplazamiento de fluido y el volumen de los materiales utilizados para preparar los aglomerados inorgánicos sinterizados. El volumen de los materiales usados para hacer el aglomerado es una medida del volumen aparente basado en las cantidades y densidades de empaquetamiento del grano abrasivo y el material aglutinante usado para fabricar los aglomerados. Para los aglomerados inorgánicos sinterizados, una densidad relativa máxima de los aglomerados es preferiblemente 0,7, siendo más preferida una densidad relativa máxima de 0,5.

Método de fabricación de aglomerados abrasivos

Los aglomerados pueden conformarse mediante una variedad de técnicas en numerosos tamaños y formas. Estas técnicas pueden llevarse a cabo antes, durante o después de la cocción de la mezcla de la etapa inicial («verde») de grano y material aglutinante. La etapa preferida de calentar la mezcla para hacer que el material aglutinante se derrita y fluya, adhiriendo así el material aglutinante al grano y fijando el grano en una forma aglomerada puede denominarse en este documento curado, cocción, calcinación o sinterización. Puede usarse cualquier método conocido en la técnica para aglomerar mezclas de partículas para preparar los aglomerados abrasivos.

En una primera realización del proceso utilizado aquí para hacer 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 llevar a cabo la primera realización, el grano abrasivo y los materiales aglutinantes pueden aglomerarse en estado verde mediante varias técnicas diferentes, p. ej., en una granuladora de bandeja, y luego introducirse en un horno a 140-200 °C para su curado térmico. Los aglomerados verdes pueden colocarse en una bandeja o rejilla y curarse en el horno, con o sin volteo, en un proceso continuo o por lotes. Puede llevarse a cabo un tratamiento térmico en un aparato de lecho fluidizado alimentando el lecho con grano verde aglomerado. Se puede realizar un curado por infrarrojos o UV en una mesa vibratoria. Pueden emplearse combinaciones de estos procesos.

El grano abrasivo se puede transportar a una bandeja de mezcla, mezclar con los materiales aglutinantes orgánicos, luego humedecer con un solvente para adherir el material aglutinante al grano, tamizar para determinar el tamaño del aglomerado y finalmente se cura en un horno o aparato secador rotatorio.

La granulación en bandeja se puede llevar a cabo añadiendo grano a un bol mezclador y dosificando sobre el grano un componente líquido que contiene el material aglutinante (p. ej., agua o aglutinante orgánico y agua), con mezclado, para que se junten como aglomerado.

Puede pulverizarse un disolvente sobre una mezcla del grano y el material aglutinante para recubrir el grano con material aglutinante mientras se mezcla, y luego el grano recubierto puede recuperarse para formar aglomerados.

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

En un proceso de granulación en seco, se puede secar una hoja o bloque hecho de grano abrasivo incrustado en una dispersión o pasta del material aglutinante y luego se puede usar un rodillo compactador para romper el compuesto de grano y material aglutinante.

En otro método de preparación de aglomerados verdes o precursores, la mezcla del material aglutinante orgánico y el grano se puede añadir a un dispositivo de moldeo y la mezcla se puede moldear para conformar formas y tamaños precisos, p. ej., de la manera descrita en la patente estadounidense n.° 6.217.413 B1.

En una segunda realización del proceso útil aquí para hacer aglomerados, una simple mezcla del grano y el material aglutinante orgánico se introduce en un aparato de calcinación rotatorio. La mezcla se agita a unas rpm predeterminadas, a lo largo de una pendiente predeterminada con la aplicación de calor. Los aglomerados se forman a medida que la mezcla de material aglutinante se calienta, se derrite, fluye y se adhiere al grano. Las etapas de cocción y aglomeración se llevan a cabo simultáneamente a velocidades y volúmenes controlados de alimentación y aplicación de calor. En un método preferido, el proceso de aglomeración se lleva a cabo mediante los métodos descritos en la solicitud de patente prioritaria relacionada, US Ser. n.° 10/120,969, presentada el 11 de abril de 2002.

Cuando se aglomeran granos abrasivos con materiales aglutinantes de curado a temperatura más baja (p. ej., de aproximadamente 145 a aproximadamente 500 °C), se puede usar un modo de realización alternativo de este aparato de horno rotatorio. El modo de realización alternativo, un secador rotatorio, está equipado para suministrar aire caliente al extremo de descarga del tubo para calentar la mezcla de granos abrasivos aglomerados en verde y curar el material aglutinante, uniéndolo al grano. Tal como se usa en este documento, el término «horno de calcinación rotatorio» incluye tales dispositivos secadores rotatorios.

Los aglomerados de grano abrasivo con materiales aglutinantes inorgánicos pueden llevarse a cabo mediante los métodos descritos en la solicitud de patente prioritaria relacionada, US Ser. n.° 10/120.969, presentada el 11 de abril de 2002, y por los métodos descritos en los ejemplos de este documento.

Herramientas abrasivas fabricadas con aglomerados abrasivos

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados fabricadas con aglomerados incluyen muelas abrasivas, muelas segmentadas, discos, pulidores, piedras y otros compuestos abrasivos rígidos, monolíticos o segmentados conformados.

Las herramientas abrasivas comprenden preferiblemente de aproximadamente un 5 a 70 % en volumen, más preferiblemente de un 10 a 60 % en volumen, lo más preferiblemente de un 20 a 52 % en volumen de aglomerados de granos abrasivos basados en el volumen total de material compuesto abrasivo. Del 10 al 100 % en volumen, preferiblemente del 30 al 100 % en volumen, y al menos del 50 % en volumen del grano abrasivo en la herramienta está en forma de una pluralidad (p. ej., de 2 a 40 granos) de granos abrasivos aglomerados junto con material aglutinante.

Las herramientas pueden contener, opcionalmente, granos abrasivos secundarios, cargas, ayudas de rectificado y medios inductores de poros, y combinaciones de estos materiales añadidos. El porcentaje en volumen total de grano abrasivo en las herramientas (grano aglomerado y no aglomerado) puede variar de aproximadamente un 22 a aproximadamente un 48 % en volumen, más preferiblemente de aproximadamente un 26 a aproximadamente un 44 % en volumen, y lo más preferiblemente de aproximadamente un 30 a aproximadamente un 40 % en volumen de la herramienta.

La densidad y dureza de las herramientas abrasivas están determinadas por la selección de los aglomerados, el tipo de aglutinante y otros componentes de la herramienta, el contenido de porosidad, junto con el tamaño y tipo de molde y el proceso de prensado seleccionado. Las herramientas a base de abrasivos aglomerados tienen preferiblemente una densidad de menos de 2,2 g/cc, más preferiblemente menos de 2,0 g/cc y lo más preferiblemente menos de 1,8 g/cc.

Cuando se usa un grano abrasivo secundario en combinación con los aglomerados abrasivos, los granos abrasivos secundarios proporcionan preferiblemente de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 90 % en volumen del grano abrasivo total de la herramienta, y más preferiblemente, de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 70 % en volumen, lo más preferiblemente de un 0,1 a un 50 % en volumen. Los granos abrasivos secundarios adecuados incluyen, entre otros, varios óxidos de aluminio, sol gel de alúmina, bauxita sinterizada, carburo de silicio, alúmina-zirconia, aluminoxinitruro, ceria, subóxido de boro, nitruro de boro cúbico, diamantes, sílex y granate, y combinaciones de los mismos.

Las herramientas abrasivas preferidas de la presente invención se aglutinan con un aglutinante orgánico. Puede seleccionarse para su uso en la presente invención cualquiera de los diversos aglutinantes conocidos en la técnica de fabricación de herramientas abrasivas. En las patentes estadounidenses n.° A-6.015.338; A-5.912.216; y 5.611.827, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia, pueden encontrarse ejemplos de aglutinantes y materiales de relleno aglutinantes adecuados. Los aglutinantes adecuados incluyen resinas fenólicas de varios tipos, opcionalmente con un agente reticulante tal como hexametilentetramina, materiales de resina epoxi, 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. También se pueden usar aquí otras composiciones de resina termoendurecible.

Pueden añadirse aglutinantes orgánicos o disolventes a los componentes de aglutinante en polvo como coadyuvantes de moldeo o procesamiento. Estos aglutinantes pueden incluir furfural, agua, modificadores de viscosidad o pH y coadyuvantes de mezclado. El uso de aglutinantes a menudo mejora la uniformidad de la muela abrasiva y la calidad estructural de la muela abrasiva precocida o prensada en verde y la muela abrasiva curada. Debido a que la mayoría de los aglutinantes se evaporan durante el curado, no se convierten en parte de la herramienta aglomerada o abrasiva terminada.

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos pueden comprender aproximadamente de un 10 a un 50 % en volumen, más preferiblemente de un 12 a un 40 % en volumen y lo más preferiblemente de un 14 a un 30 % en volumen de aglutinantes. El aglutinante se sitúa dentro del material compuesto abrasivo tridimensional de manera que una primera fase de granos abrasivos y aglutinante comprende menos del 10 % en volumen de porosidad y preferiblemente menos del 5 % en volumen de porosidad. Esta primera fase aparece dentro de la matriz compuesta de las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos como una red reticulada de grano abrasivo anclada dentro del material aglutinante orgánico. En general, es deseable tener una primera fase dentro del material compuesto tridimensional que sea lo más densa que pueda lograrse dentro de las limitaciones de los materiales y los procesos de fabricación.

Junto con los aglomerados de granos abrasivos y el aglutinante, estas herramientas comprenden aproximadamente del 38 al 54 % en volumen de porosidad, siendo esta porosidad una fase continua que incluye al menos un 30 % en volumen de porosidad interconectada. Las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos preferidas pueden comprender del 24 al 48 % en volumen de grano abrasivo, del 10 al 38 % en volumen de aglutinante orgánico y del 38 al 54 % en volumen de porosidad.

Estas herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos tienen una velocidad de rotura mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s), preferiblemente de 6000 sfpm (30,48 m/s).

En un modo de realización preferido, las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos pueden comprender, como primera fase, un 26-40 % en volumen de granos abrasivos unidos con un 10-22 % en volumen de material aglutinante orgánico y menos del 10 % en volumen de porosidad, y una segunda fase que consiste en un 38-50 % en volumen de porosidad.

Cuando se fabrican con aglomerados de grano y materiales aglutinantes orgánicos, las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos pueden comprender, como primera fase, un 24-42 % en volumen de granos abrasivos adheridos con un 18-38 % en volumen de material aglutinante orgánico y menos del 10 % en volumen de porosidad, y una segunda fase que consiste en un 38-54 % en volumen de porosidad.

Cuando se fabrican con aglomerados de grano y materiales aglutinantes inorgánicos, las herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos pueden comprender, como primera fase, del 28 al 48 % en volumen de grano adherido con del 10 al 33 % en volumen de aglutinante (la suma de aglutinante orgánico en la muela abrasiva y material aglutinante inorgánico en los aglomerados) y una segunda fase que consiste en del 38 al 53 % en volumen de porosidad. La herramienta comprende preferiblemente un mínimo de un 1 % en volumen de material aglutinante inorgánico, y lo más preferiblemente comprende del 2 al 12 % en volumen de material aglutinante inorgánico. Preferiblemente, tales herramientas tienen un valor de módulo elástico máximo de 10 GPa y una velocidad de rotura mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s). Cuando se evalúan en la escala de grados de 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 suave que el de una herramienta convencional idéntica hecha con granos abrasivos que no se han aglomerado junto con un material aglutinante inorgánico.

Opcionalmente, la herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos incluye una mezcla de una pluralidad de granos aglomerados junto con un material aglutinante inorgánico y una pluralidad de granos aglomerados junto con un material aglutinante orgánico.

Cuando se fabrican con un aglutinante inorgánico y aglomerados de grano y materiales aglutinantes inorgánicos, las herramientas a base de abrasivos aglomerados comprenden un compuesto tridimensional de (a) un 22-46 % en volumen de granos abrasivos aglutinados con un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico; y b) del 40 al 68 % en volumen de porosidad interconectada; en el que la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupaciones espaciadas de manera irregular dentro del compuesto. Estas herramientas a base de abrasivos aglomerados tienen valores de módulo elástico que son al menos un 10 % más bajos que los valores de módulo elástico para herramientas convencionales idénticas que tienen granos abrasivos regularmente espaciados dentro de un compuesto tridimensional y exhiben una velocidad de rotura mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s), preferiblemente de 6000 sfpm (30,48 m/s). Las herramientas a base de abrasivos aglomerados inorgánicos preferidas comprenden un 22-40 % en volumen de granos abrasivos aglutinados con un 8-20 % en volumen de un material aglutinante inorgánico y un 40-68 % en volumen de porosidad interconectada.

En un modo de realización preferido, las herramientas a base de abrasivos aglomerados inorgánicos comprenden un 34-42 % en volumen de granos abrasivos unidos con 6-12 % en volumen de material aglutinante inorgánico y un 46-58 % en volumen de porosidad interconectada. Estas herramientas están fabricadas con un material aglutinante vitrificado, están sustancialmente libres de rellenos y granos abrasivos de alta relación de aspecto y las herramientas se moldean y cuecen sin agregar materiales inductores de porosidad durante la fabricación. Las herramientas a base de abrasivos aglomerados vitrificados preferidas son muelas abrasivas que tienen un grado de dureza entre A y M en la escala de grados de Norton Company, y el grado de dureza es al menos un grado más suave que el de una herramienta convencional idéntica que tiene granos abrasivos regularmente espaciados dentro de un compuesto tridimensional. Las herramientas a base de abrasivos aglomerados vitrificados preferidas se caracterizan por un valor de módulo elástico que es al menos un 25 % más bajo, preferiblemente al menos un 40 % más bajo, que el valor del módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica que tiene granos abrasivos regularmente espaciados dentro de un compuesto tridimensional y una velocidad de rotura mínima de 6000 sfpm (30,48 m/s).

Las herramientas a base de abrasivos aglomerados vitrificados preferidas fabricadas con aglomerados de grano en materiales aglutinantes inorgánicos incluyen muelas abrasivas de diámetro interior que contienen del 40 al 52 % en volumen de grano abrasivo y que tienen un valor de módulo elástico de 25 a 50 GPa. También se incluyen muelas abrasivas de superficie para aplicaciones de salas de herramientas que contienen del 39 al 52 % en volumen de grano abrasivo y un valor de módulo elástico de 15 a 36 GPa, y muelas abrasivas de rectificado profundo que contienen del 30 al 40 % en volumen de grano abrasivo y que tienen un valor de módulo elástico de 8 a 25 GPa.

Para producir la resistencia mecánica adecuada en la herramienta a base de abrasivos aglomerados orgánicos durante la fabricación de la herramienta y durante el uso de la herramienta en operaciones de rectificado, al menos el 10 % en volumen del componente aglutinante total debe consistir en un aglutinante orgánico agregado y no puede ser material aglutinante usado en los aglomerados.

Las muelas abrasivas se pueden moldear y prensar por cualquier medio conocido en la técnica, incluidas las técnicas de prensado en caliente, en templado y en frío. Se debe tener cuidado al seleccionar una presión de moldeo para formar las muelas abrasivas verdes, ya sea para evitar triturar los aglomerados o para triturar una cantidad controlada de los aglomerados (es decir, un 0-75 % en peso de los aglomerados) y preservar la estructura tridimensional de los aglomerados restantes. La presión aplicada apropiada para fabricar las muelas de la invención depende de la forma, el tamaño, el grosor y el componente de aglutinante de la muela abrasiva y de la temperatura de moldeo. En los procesos de fabricación comunes, la presión máxima puede oscilar entre aproximadamente 500 y 10.000 lbs/in2 (35 a 704 kg/cm2). El moldeo y prensado se llevan a cabo preferiblemente a aproximadamente 53 a 422 kg/cm2, más preferiblemente de 42 a 352 kg/cm2. Los aglomerados de la invención tienen suficiente resistencia mecánica para resistir las etapas de moldeo y prensado que se llevan a cabo en los procesos de fabricación comerciales típicos para la fabricación de herramientas abrasivas.

Las muelas abrasivas se pueden curar mediante métodos conocidos por los expertos en la técnica. Las condiciones de curado están determinadas principalmente por el aglutinante y los abrasivos utilizados y por el tipo de material aglutinante contenido en el aglomerado de grano abrasivo. Dependiendo de la composición química del aglutinante seleccionado, se puede hornear un aglutinante orgánico de 150 a 250 °C, preferiblemente de 160 a 200 °C, para proporcionar las propiedades mecánicas necesarias para su uso comercial en operaciones de rectificado.

La selección de un aglutinante orgánico adecuado dependerá de qué proceso de aglomeración se esté utilizando y si es deseable evitar el flujo del aglutinante orgánico calentado hacia los poros intraaglomerado.

Las herramientas de aglomerado orgánico se pueden mezclar, moldear y curar de acuerdo con varios métodos de procesamiento y con diversas proporciones de grano abrasivo o aglomerado, aglutinante y componentes de porosidad como se conoce en la técnica. En las patentes estadounidenses n.° A-6.015.338; A-5.912.216; y 5.611.827 se divulgan técnicas de fabricación adecuadas para la fabricación de herramientas a base de abrasivos aglomerados orgánicos.

En la solicitud de patente prioritaria relacionada, US Ser. n.° 10/120,969, presentada el 11 de abril de 2002, en los Ejemplos de este documento y, p. ej., en los documentos US-A-5.738.696 y US-A-5, 738.697 se divulgan técnicas de fabricación adecuadas para la fabricación de herramientas a base de abrasivos aglomerados vitrificados (o con cualquier otro aglutinante inorgánico).

Como se divulga en el presente documento, los modos de realización de herramientas a base de abrasivos aglomerados son adecuados para su uso como muela abrasiva, disco, afilador, piedra u otros compuestos abrasivos conformados rígidos, monolíticos o segmentados. En referencia a los compuestos abrasivos conformados, una de tales formas puede incluir la combinación de los modos de realización descritos anteriormente combinados con otro artículo abrasivo. Por ejemplo, tales modos de realización se pueden combinar con una herramienta abrasiva convencional, tal como un artículo abrasivo aglomerado, en el que los dos artículos abrasivos se pueden unir para formar una herramienta a base de abrasivos aglomerados compuesta.

Haciendo referencia a la figura 6, se ilustra un modo de realización ejemplar de una parte de una herramienta abrasiva compuesta 600. La herramienta abrasiva compuesta 600 incluye una parte 601 y una parte 603, cada una de las cuales incorpora diferentes artículos abrasivos. Generalmente, la herramienta abrasiva compuesta 600 incluye partes 601 y 603 que utilizan diferentes artículos abrasivos aglomerados, de manera que las partes 601 y 603 pueden tener diferentes características, estructuras, grados y/o composiciones.

De acuerdo con un modo de realización, la herramienta abrasiva es una herramienta a base de abrasivos aglomerados compuesta en la que la parte 601 incorpora la herramienta abrasiva divulgada en este documento como se divulga en el texto anterior, y la parte 603 incluye un artículo abrasivo aglomerado que tiene una estructura abrasiva diferente. Tal como se divulga en el presente documento, «estructura» se refiere al porcentaje en volumen de grano abrasivo, material aglutinante y porosidad contenidos en la herramienta abrasiva. Más particularmente, la estructura de un artículo abrasivo aglomerado puede definirse por tipos de estructura abrasiva indicados por valores numéricos que oscilan entre 4 y 15, los valores más bajos indicando generalmente una herramienta a base de abrasivos aglomerados que tiene un mayor contenido de grano abrasivo. En un modo de realización, las partes 601 y 603 tienen diferentes tipos de estructura abrasiva de manera que el tipo de estructura abrasiva de la parte 601 es al menos un valor numérico diferente al tipo de estructura abrasiva de la parte 603. En un modo de realización más particular, la estructura de las partes 601 y 603 difiere de manera que el tipo de estructura abrasiva de la parte 603 es al menos un tipo de estructura abrasiva menor que el tipo de estructura abrasiva de la parte 603. Es decir, el abrasivo aglomerado de la parte 603 puede tener un contenido de grano abrasivo mayor que el abrasivo aglomerado de la parte 601. Otros modos de realización pueden utilizar una diferencia mayor de modo que el tipo de estructura abrasiva de las partes 603 y 601 difieran en no menos de dos tipos de estructura abrasiva, o no menos de tres tipos de estructura abrasiva.

Las partes 601 y 603 que contienen los diferentes abrasivos aglomerados dentro de la herramienta abrasiva compuesta 600 pueden tener diferentes cantidades de granos abrasivos incorporados dentro de sus respectivas estructuras tridimensionales. En un modo de realización, la diferencia en el contenido de grano abrasivo entre las partes 601 y 603 es de al menos aproximadamente un 4 % en volumen, de modo que, por ejemplo, el contenido de grano abrasivo dentro de la parte 603 es mayor que el contenido de grano abrasivo dentro de la parte 601 en al menos aproximadamente un 4 % en volumen mayor. En otro modo de realización, la parte 603 tiene un contenido de grano abrasivo incluso mayor, de modo que es al menos aproximadamente un 6 % en volumen mayor, o al menos aproximadamente un 8 % en volumen mayor, o incluso al menos aproximadamente un 10 % en volumen mayor. Aún así, la diferencia en el contenido de grano abrasivo de los artículos abrasivos aglomerados dentro de las partes 601 y 603 generalmente no es mayor de aproximadamente un 40 % en volumen.

En referencia a la densidad total de los artículos abrasivos adheridos dentro de las partes 601 y 603, en un modo de realización la densidad entre las partes 601 y 603 puede ser diferente. En un modo de realización particular, el artículo abrasivo aglomerado de la parte 601 puede tener una densidad que sea menor que la densidad del artículo abrasivo aglomerado de la parte 603. En otro modo de realización más particular, la densidad del artículo abrasivo aglomerado de la parte 601 es al menos aproximadamente un 20 % menos densa que el artículo abrasivo aglomerado de la parte 603. En otro modo de realización, la densidad del abrasivo aglomerado de la parte 601 tiene una densidad que es al menos aproximadamente un 40 % menos densa que el abrasivo aglomerado de la parte 603.

Según otro modo de realización, los artículos abrasivos aglomerados de las partes 601 y 603 pueden incluir diferentes tipos de granos abrasivos, incluyendo generalmente materiales tales como óxidos, boruros, carburos y nitruros. Algunos granos abrasivos adecuados pueden incluir materiales abrasivos que incluyen, por ejemplo, alúmina, sílice o carburo de silicio, o materiales superabrasivos que incluyen, por ejemplo, nitruro de boro cúbico o diamante, o cualquier combinación de los mismos. Por ejemplo, el artículo abrasivo aglomerado de la parte 601 puede incluir generalmente alúmina y el artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 puede incluir otro grano abrasivo o superabrasivo. El tamaño y la forma de los granos abrasivos pueden ser diferentes entre las partes 601 y 603. Además, pueden variar el tamaño y la forma de los granos abrasivos dentro de cada parte. Por ejemplo, una parte (601 o 603) puede incluir una mezcla de granos abrasivos que tengan diferentes formas, como pueden ser redondeadas, elípticas o en forma de aguja. Una parte (601 o 603) también puede incluir diferentes tamaños de grano abrasivo, incluyendo, por ejemplo, una distribución granulométrica generalmente bimodal de granos abrasivos, o una distribución trimodal, o incluso una distribución mayor.

Además, los granos abrasivos dentro del artículo abrasivo aglomerado de la parte 601 pueden estar sustancialmente aglomerados. Según un modo de realización, la parte 601 puede incluir aglomerados de granos abrasivos en una cantidad de entre aproximadamente un 5 y aproximadamente un 70 % en volumen, mientras que el artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 generalmente puede incluir una cantidad menor de aglomerados de granos abrasivos. En un modo de realización particular, el artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 incluye menos de aproximadamente un 50 % en volumen de granos abrasivos aglomerados, de modo que la mayoría de los granos abrasivos no están aglomerados y se dispersan uniformemente dentro del material aglutinante. En otro modo de realización, el artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 incluye menos aglomerados, de manera que se aglomeran menos de aproximadamente el 25 % en volumen o menos de aproximadamente el 15 % en volumen de los granos abrasivos. En un modo de realización particular, los granos abrasivos del artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 están esencialmente sin aglomerar y dispersos uniformemente por todo el material aglutinante.

Además de las diferencias en el contenido de grano abrasivo, los artículos abrasivos aglomerados incorporados en el abrasivo compuesto dentro de las partes 601 y 603 pueden tener una diferente porosidad. Por ejemplo, el artículo abrasivo compuesto 600 puede incluir una combinación del artículo abrasivo ilustrado en la figura 4 aglomerado junto con el artículo abrasivo ilustrado en la figura 5. Según un modo de realización, la diferencia en la porosidad entre las partes 601 y 603 puede ser de al menos aproximadamente un 4 % en volumen. Otros modos de realización pueden tener una diferencia mayor en la porosidad entre las dos partes 601 y 603, tal como al menos aproximadamente un 6 % en volumen de diferencia, o al menos aproximadamente un 8 % en volumen de diferencia, o incluso al menos aproximadamente un 10 % en volumen de diferencia. Generalmente, la diferencia no supera aproximadamente el 40 % en volumen.

En particular, existen algunas distinciones en la porosidad basadas en particular en el material aglutinante. Generalmente, la porosidad del artículo abrasivo aglomerado que se está divulgando de la parte 601, usando un material aglutinante orgánico, está dentro de un intervalo entre aproximadamente un 38 % en volumen y aproximadamente un 54 % en volumen de porosidad. Para otros artículos abrasivos aglomerados que tienen un material aglutinante orgánico, la porosidad del artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 generalmente no es mayor de aproximadamente un 37 % en volumen. En otro modo de realización, la porosidad del artículo abrasivo aglomerado dentro de la parte 603 no es mayor que aproximadamente un 30 % en volumen, tal como no mayor que aproximadamente un 25 % en volumen, o no mayor que aproximadamente un 20 % en volumen. Generalmente, la cantidad de porosidad del artículo abrasivo aglomerado dentro de la parte 603 está dentro de un rango entre aproximadamente el 15 % en volumen y aproximadamente el 37 % en volumen.

La porosidad para el artículo abrasivo aglomerado que se está describiendo de la parte 601, que utiliza un material aglutinante inorgánico, está dentro de un intervalo entre aproximadamente un 35 % en volumen y aproximadamente un 77 % en volumen de porosidad. Para otros artículos abrasivos aglomerados que tienen un material aglutinante inorgánico, la porosidad del artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 es generalmente menor que la porosidad del artículo abrasivo aglomerado de la parte 601. Generalmente, la porosidad es menor de aproximadamente un 77 % en volumen. Aún más típicamente, la porosidad de un artículo abrasivo aglomerado dentro de la parte 603 no es mayor que aproximadamente un 70 % en volumen, tal como no mayor que aproximadamente un 60 % en volumen, o no mayor que aproximadamente un 50 % en volumen, o incluso no mayor que aproximadamente un 40 % en volumen.

Notablemente, si bien la porosidad de tales estructuras que utilizan un material aglutinante inorgánico puede ser similar, el tipo de porosidad, particularmente la disponibilidad de porosidad abierta en el artículo abrasivo aglomerado de la parte 601 que se está describiendo es significativamente menor en otros artículos abrasivos aglomerados de la parte 603. Los artículos abrasivos aglomerados descritos actualmente tienen generalmente una porosidad que es una fase continua de canales interconectados. Según un modo de realización, la porosidad del artículo abrasivo dentro de la parte 603 puede tener una porosidad generalmente cerrada, de modo que la mayor parte de la porosidad es una fase discontinua. Aún así, en otros modos de realización, el artículo abrasivo aglomerado dentro de la parte 603 puede tener una porosidad sustancialmente cerrada de modo que esencialmente no haya porosidad abierta.

Además de las distinciones anteriores, los artículos abrasivos aglomerados de las partes 601 y 603 pueden diferir en base a sus respectivos grados abrasivos. Como se describió anteriormente, el «grado abrasivo» generalmente se refiere a la dureza del artículo abrasivo aglomerado y se designa con letras que van de la A a la Z, la A indicando un artículo abrasivo más blando y la Z indicando un artículo abrasivo más duro. Según un modo de realización, los artículos abrasivos aglomerados de las partes 601 y 603 difieren en sus respectivos grados abrasivos en al menos un grado abrasivo. Por ejemplo, si el abrasivo aglomerado de la parte 601 tiene un grado abrasivo de F, el abrasivo aglomerado de la parte 603 puede tener un grado abrasivo de al menos E o G. En un modo de realización particular, el abrasivo aglomerado de la parte 601 es al menos uno grado abrasivo más suave que el abrasivo aglomerado de la parte 603. En un modo de realización más particular, el abrasivo aglomerado de la parte 601 puede tener un grado abrasivo entre A y H en la escala de grado de Norton Company y el abrasivo aglomerado de la parte 603 puede tener un grado abrasivo entre B e I en la escala de grado de Norton Company, en el que el abrasivo aglomerado de la parte 601 es al menos un grado más blando que el abrasivo aglomerado de la parte 603. En otro modo de realización particular, el abrasivo aglomerado de la parte 601 puede tener un grado de abrasivo entre A y M en la escala de grado de Norton Company, y el abrasivo aglomerado de la parte 603 puede tener un grado abrasivo entre B y N en la escala de grado de Norton Company, en el que el abrasivo aglomerado de la parte 601 es al menos un grado más blando que el abrasivo aglomerado de la parte 603. Otros modos de realización pueden tener una mayor diferencia de grados entre las partes 601 y 603, tal como no menos de aproximadamente dos grados de diferencia, o incluso no menos de aproximadamente tres grados de diferencia.

Normalmente, un artículo abrasivo aglomerado que tiene un tipo de aglutinante inorgánico se une a otro artículo abrasivo aglomerado que tiene el mismo tipo de aglutinante. Es decir, el artículo abrasivo compuesto incluye un abrasivo aglomerado de la parte 601, que tiene un material aglutinante inorgánico, unido con un abrasivo aglomerado de la parte 603, que también tiene un material aglutinante inorgánico. Como se describió anteriormente, con el uso de diferentes materiales aglutinantes (es decir, orgánicos o inorgánicos), los artículos abrasivos aglomerados pueden tener diferentes contenidos de grano abrasivo, contenido de porosidad y contenido de aglutinantes. Las partes 601 y 603 incluyen artículos abrasivos aglomerados que tienen un material aglutinante inorgánico. Según la invención, el artículo abrasivo aglomerado de la parte 601 incluye un artículo abrasivo aglomerado que tiene aproximadamente un 22-46 % en volumen de granos abrasivos aglomerados con aproximadamente un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico y aproximadamente un 40-68 % en volumen de porosidad interconectada. Como tal, el artículo abrasivo aglomerado de la parte 603 se aglomera junto con la primera parte 601 e incluye un artículo abrasivo que tiene aproximadamente un 22-46 % en volumen de granos abrasivos unidos con aproximadamente un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico, y una porosidad dentro de un rango de entre aproximadamente un 35-77 % en volumen.

Además, cada una de las partes 601 y 603 puede incluir materiales compuestos abrasivos que tienen diferentes características mecánicas. Por ejemplo, el módulo elástico puede ser diferente entre la parte 601 y la parte 603. En un modo de realización, el abrasivo aglomerado de la parte 601 puede tener un módulo elástico que sea al menos aproximadamente un 10 % más bajo que el módulo elástico del abrasivo aglomerado de la parte 603. En otro modo de realización, la diferencia en el módulo elástico entre las partes 601 y 603 es mayor, de modo que, por ejemplo, la parte 601 tiene un módulo elástico que es al menos aproximadamente un 25 % más bajo, o al menos aproximadamente un 40 % más bajo, e incluso como hasta aproximadamente un 50 % más bajo que el módulo elástico del abrasivo aglomerado de la parte 603.

Los artículos abrasivos aglomerados de las partes 601 y 603 pueden tener diferentes permeabilidades a los fluidos. Como se describe en el presente documento, en un modo de realización la parte 601 incluye un artículo abrasivo aglomerado que tiene un alto grado de porosidad abierta, y la parte 603 puede incluir un artículo abrasivo aglomerado que tiene menos porosidad abierta. En tales modos de realización, la permeabilidad a los fluidos del abrasivo aglomerado de la parte 601 es generalmente mayor que la permeabilidad a los fluidos del abrasivo aglomerado de la parte 603. Según un modo de realización, el artículo abrasivo de la parte 601 tiene una permeabilidad a los fluidos al menos aproximadamente un 10 % mayor que el artículo abrasivo de la parte 603. En otros modos de realización, la diferencia es mayor, de modo que el artículo abrasivo de la primera parte tiene una permeabilidad a los fluidos al menos aproximadamente un 25 % mayor, o incluso al menos aproximadamente un 30 % mayor que la permeabilidad a los fluidos del artículo abrasivo de la parte 603. Según un modo de realización particular, la diferencia en la permeabilidad a los fluidos entre la parte 601 y la parte 603 es tal que está dentro de un intervalo entre aproximadamente el 25 % y aproximadamente el 100 %.

Como se ilustra en la figura 6, las dimensiones de cada una de las partes 601 y 603 son sustancialmente las mismas, de modo que la parte 601 tiene un volumen que es sustancialmente el mismo que el volumen de la parte 603. Haciendo referencia a la figura 7, se ilustra una vista en sección transversal de una parte de un artículo abrasivo compuesto 700 que incluye un artículo abrasivo aglomerado de la parte 701 aglomerado junto con un artículo abrasivo aglomerado de la parte 703. En particular, la parte 701 tiene un volumen que es diferente al volumen de la parte 703. Una disposición de este tipo puede facilitar ciertas aplicaciones de rectificado en las que es deseable una mayor o menor parte de un tipo particular de un artículo abrasivo seleccionado.

Además, se apreciará que si bien las figuras incluidas con respecto a herramientas abrasivas compuestas ilustran solo partes rectangulares, dichas herramientas abrasivas compuestas pueden tener formas generalmente poligonales, como por ejemplo circular, cónica, cilíndrica o incluso en algunos modos de realización una forma irregular. También se apreciará que aunque la descripción hace referencia particular a dos partes, se pueden añadir más partes de modo que la herramienta abrasiva compuesta tenga tres o más partes.

Las herramientas abrasivas compuestas descritas en el presente documento se pueden formar uniendo las partes entre sí. En un modo de realización, la unión se lleva a cabo calentando las partes del artículo abrasivo y presionándolas juntas. En particular, las partes se pueden unir entre sí usando calor, presión o una combinación de los mismos. Por ejemplo, con respecto a las herramientas abrasivas que incorporan un material aglutinante inorgánico, el aglutinante de tales partes puede utilizar parte del proceso para formar los artículos abrasivos aglomerados, a saber, una operación de calentamiento y prensado. Las partes se pueden unir durante una sinterización final del artículo abrasivo aglomerado, en el que las partes abrasivas aglomeradas se cosinterizan juntas, uniendo así las partes.

Alternativamente, tales partes se pueden unir entre sí usando un material adhesivo. Los materiales adhesivos adecuados pueden incluir compuestos orgánicos o inorgánicos, o cualquier combinación de los mismos. Los materiales adhesivos son particularmente adecuados para unir artículos abrasivos que tienen un material aglutinante orgánico, ya que tales herramientas abrasivas normalmente no se sinterizan. Aún así, se puede usar calor y presión para combinar tales partes abrasivas aglomeradas, y tal calor y/o presión se pueden aplicar además de un material adhesivo.

Aplicaciones de rectificado

Las herramientas abrasivas de la invención son particularmente eficaces en aplicaciones de rectificado que tienen un contacto de gran superficie o un contacto continuo prolongado entre la herramienta abrasiva y la pieza de trabajo durante el rectificado. Tales operaciones de rectificado incluyen, pero no se limitan a, rectificado de rodillos y discos, rectificado profundo, rectificado de diámetro interior, rectificado de sala de herramientas y otras operaciones de rectificado de precisión.

Las operaciones de rectificado o pulido fino que utilizan un grano abrasivo de tamaño micrométrico o submicrométrico se beneficiarán del uso de herramientas fabricadas con los aglomerados de la invención. En relación con las herramientas y sistemas convencionales de pulido o superacabado, las herramientas de la invención fabricadas con aglomerados abrasivos de grano fino se erosionarán a fuerzas de rectificado más bajas con poco o ningún daño superficial a la pieza de trabajo durante las operaciones de acabado de precisión (p. ej., para producir acabados de espejo en vidrio y componentes cerámicos). La vida útil de la herramienta sigue siendo satisfactoria debido a las estructuras aglomeradas dentro de la matriz tridimensional del cuerpo de la herramienta.

Debido a la porosidad interconectada de las herramientas, en el rectificado de rodillos y discos se mejora el suministro de refrigerante y la eliminación de residuos, lo que resulta en operaciones de rectificado más frías, un rectificado (reacondicionamiento) de las herramientas menos frecuente, menos daño térmico a la pieza de trabajo y menor desgaste de la rectificadora. Debido a que los granos abrasivos de tamaño de grano más pequeño en forma aglomerada brindan la eficiencia de rectificado de un grano de tamaño de grano más grande, pero dejan un acabado superficial más suave, la calidad de la pieza de trabajo rectificada a menudo mejora significativamente.

En un método preferido para el rectificado de discos, las herramientas abrasivas con aglomerado orgánico que comprenden aglomerados de grano adherido con materiales aglutinantes orgánicos se montan en una máquina rectificadora plana, se hacen rotar, p. ej., a 4000 a 6500 sfpm (20,32 a 33,02 m/s), y se pone en contacto con una pieza de trabajo durante un período de tiempo suficiente para rectificar la pieza de trabajo. Con este método, la muela abrasiva elimina el material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material efectiva, la superficie de rectificado de la muela permanece sustancialmente libre de residuos de rectificado y, una vez completado el rectificado, la pieza de trabajo está sustancialmente libre de daños térmicos.

En un método preferido para el rectificado profundo, se montan en una máquina de rectificado profundo muelas abrasivas aglomeradas vitrificadas que comprenden aglomerados de grano adheridos con materiales aglutinantes inorgánicos, que tienen un valor de módulo elástico que es al menos un 10 % menor que el valor del módulo elástico de una herramienta convencional por lo demás idéntica, que tiene granos abrasivos espaciados regularmente dentro de un compuesto tridimensional y una velocidad de rotura mínima de 4000 sfpm (20,32 m/s). La muela abrasiva 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 período de tiempo suficiente para rectificar la pieza de trabajo. Mediante este método, la muela elimina el material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material eficaz, y tras el rectificado la pieza de trabajo está sustancialmente libre de daños térmicos.

En referencia a otra operación de rectificado particular, la figura 8 es una vista en perspectiva de la operación de rectificado en ángulo usando una herramienta abrasiva compuesta 803. La figura 8 incluye una muestra de trabajo 801 y una herramienta abrasiva compuesta 803, tal como una muela abrasiva aglomerada compuesta que tiene una primera parte 805 y una segunda parte 807. Cada una de las partes 801 y 803 puede incorporar diferentes artículos abrasivos, por ejemplo un artículo abrasivo aglomerado que tiene diferentes características, estructuras, grados y composiciones, como se describió anteriormente de acuerdo con modos de realización previos.

En particular, con respecto a las operaciones de rectificado en ángulo, el uso de la herramienta abrasiva compuesta que tiene partes 805 y 807 puede facilitar la combinación de velocidades mejoradas de eliminación de material con una mayor permeabilidad a los fluidos y eliminación de virutas, para un rectificado eficaz. En un modo de realización, la primera parte 805 incluye la herramienta a base de abrasivos aglomerados que se está describiendo, que es generalmente un artículo abrasivo que tiene un alto contenido de aglomerados de granos abrasivos y un alto grado de porosidad abierta. La primera poción 805 corresponde a la primera parte 601 descrita anteriormente con respecto a la figura 6. Por ejemplo, en un modo de realización particular, la primera parte 805 incluye un artículo abrasivo aglomerado que tiene aglomerados de granos abrasivos en una cantidad de entre aproximadamente un 20-52 % en volumen y una porosidad dentro de un intervalo de entre aproximadamente un 38-54 % en volumen. La segunda parte 807 puede incluir una herramienta abrasiva más convencional, particularmente una herramienta abrasiva que es más densa, más dura y que tiene menos porosidad abierta. La segunda parte 807 corresponde a la segunda parte 603 descrita anteriormente con respecto a la figura 6. Por ejemplo, en un modo de realización, el artículo abrasivo de la parte 807 no tiene más de aproximadamente un 20 % en volumen de aglomerados de granos abrasivos y una porosidad de menos de aproximadamente un 37 % en volumen. En consecuencia, la segunda parte 807 es capaz de rectificar bajo una mayor fuerza aplicada que la primera parte 805, que es adecuada para altas tasas de eliminación de material, mientras que la primera parte 805, que tiene los granos abrasivos aglomerados y alta porosidad, proporciona una mejor eliminación de virutas en comparación con la segunda parte 807, menos porosa.

Como se ilustra en la figura 8, el material retirado del área 811 puede tener dos superficies 811 y 813 que pueden tener diferentes características correspondientes a los diferentes artículos abrasivos del primer segmento 805 y el segundo segmento 807, respectivamente. Por ejemplo, la superficie 811 puede tener un acabado generalmente más liso que la superficie 813, ya que la superficie 811 se forma utilizando el artículo abrasivo aglomerado descrito actualmente, que es un artículo abrasivo generalmente más blando, más poroso con aglomerados de grano abrasivo, mientras que la superficie 813 se forma usando un artículo abrasivo aglomerado convencional, que tiene una estructura generalmente más dura y menos porosa que incluye granos abrasivos distribuidos uniformemente a través del material aglutinante. Según un modo de realización, después de una retirada inicial de material, las superficies más rugosas (es decir, la superficie 813) se pueden terminar usando el artículo abrasivo de una parte adyacente que proporciona un acabado más suave, que según la realización anterior puede incluir la primera parte 805. Tal operación de rectificado incluye ajustar la orientación de la herramienta abrasiva compuesta 803 con respecto a la muestra de trabajo 801. Por consiguiente, el uso de tales herramientas abrasivas segmentadas proporciona una mayor eficiencia y flexibilidad durante el rectificado.

Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración de la invención y no a modo de limitación.

Ejemplo 1

Se preparó una serie de muestras de granos abrasivos aglomerados que contenían materiales aglutinantes inorgánicos en un aparato de calcinación rotatorio (modelo de encendido eléctrico n.° HOU-5D34-RT-28, temperatura máxima de 1200 °C, entrada de 30 KW, equipado con un tubo de metal refractario de 72" (183 cm) de largo con un diámetro interior de 14 cm (5,5") 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 operar a una temperatura máxima de 1550 °C. El proceso de aglomeración se llevó a cabo en condiciones atmosféricas, con un punto de ajuste de la temperatura de la zona caliente de 1180 °C, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 9 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 2,5 a 3 grados y una velocidad de avance del material de 6-10 kg/hora. El rendimiento de gránulos de flujo libre utilizables (definidos como los que quedan retenidos en una bandeja bajo un tamiz de malla -12) fue del 60 al 90 % del peso total de la materia prima antes de la calcinación.

Las muestras de aglomerado se prepararon a partir de una mezcla sencilla de las mezclas de grano abrasivo, material aglutinante y agua descritas en la tabla 1-1. Las composiciones de material aglutinante vitrificado utilizadas para preparar las muestras se enumeran en la tabla 2. Se prepararon muestras a partir de tres tipos de granos abrasivos: alúmina fundida 38A, alúmina fundida 32A y grano Norton SG de sol gel de alfa-alúmina sinterizada, obtenidos de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE. UU., en los tamaños de grano enumerados en la tabla 1.

Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, las muestras de granos abrasivos aglomerados se tamizaron y sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta (LPD), la distribución granulométrica y la resistencia del aglomerado. Estos resultados se muestran en la tabla 1-1.

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El porcentaje en volumen de material aglutinante de los aglomerados cocidos se calculó usando el LOI (pérdida por calcinación) promedio de las materias primas del material aglutinante.

Los aglomerados sinterizados se dimensionaron con tamices de prueba estándar de EE. UU. montados en un tamiz vibratorio (Ro-Tap; Modelo RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH). Los tamaños de malla del tamiz variaron de 18 a 140, según correspondía para las diferentes muestras. La densidad aparente suelta (LPD) de los aglomerados sinterizados se midió mediante el procedimiento de la Norma Nacional Estadounidense para la Densidad a Granel de Granos Abrasivos.

La densidad relativa media inicial, expresada como porcentaje, se calculó dividiendo el LPD (p) por una densidad teórica de los aglomerados (p0), asumiendo una porosidad cero. La densidad teórica se calculó según el método de la regla volumétrica de las mezclas a partir del porcentaje en peso y el peso específico del material aglutinante y del grano abrasivo contenido en los aglomerados.

La resistencia de los aglomerados se midió mediante una prueba de compactación. Las pruebas de compactación se realizaron utilizando un troquel de acero lubricado de una pulgada (2,54 cm) de diámetro en una máquina de pruebas 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 el troquel y se niveló ligeramente golpeando ligeramente el exterior del troquel. Se insertó un punzón superior y se bajó una cruceta hasta que se observó una fuerza («posición inicial») en el registrador. Se aplicó presión a una tasa de aumento constante (2 mm/min) a la muestra hasta un máximo de 180 MPa de presión. El volumen de la muestra de aglomerado (el LPD compactado de la muestra), observado como un desplazamiento de la cruceta (la deformación), se registró como la densidad relativa en función del logaritmo de la presión aplicada. A continuación, se tamizó el material residual para determinar el porcentaje de fracción triturada. Se midieron diferentes presiones para establecer un gráfico de la relación entre el logaritmo de la presión aplicada y el porcentaje de la fracción triturada. Los resultados se presentan en la tabla 1-1 como el logaritmo de la presión en el punto en el que la fracción de triturado equivale al 50 por ciento en peso de la muestra de aglomerado. La fracción triturada es la relación entre el peso de las partículas trituradas que pasan a través del tamiz más pequeño y el peso inicial de la muestra.

Estos aglomerados tenían LPD, distribución granulométrica, resistencia al moldeo y características de retención del tamaño de los gránulos adecuadas para su uso en la fabricación comercial de muelas abrasivas. Los aglomerados sinterizados terminados tenían formas tridimensionales que variaban entre formas triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares y otras formas geométricas. Los aglomerados consistían en una pluralidad de granos abrasivos individuales (p. ej., de 2 a 20 granos) unidos entre sí por material aglutinante vitrificado en los puntos de contacto de grano a grano.

El tamaño del gránulo de aglomerado aumentó con un aumento en la cantidad de material aglutinante en el gránulo de aglomerado en el intervalo de 3 a 20 % en peso del material aglutinante.

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

Valores menores de LPD indicaron un mayor grado de aglomeración. El LPD de los aglomerados disminuyó al aumentar el porcentaje en peso del material aglutinante y al disminuir el tamaño del grano abrasivo. Diferencias relativamente grandes de entre 2 y 6 % en peso de material aglutinante, en comparación con diferencias relativamente pequeñas de entre 6 y 10 % en peso de material aglutinante, indican que un porcentaje en peso de material aglutinante de menos del 2 % en peso puede ser inadecuado para la formación de aglomerados. A los porcentajes en peso más altos, por encima de aproximadamente el 6 % en peso, la adición de más material aglutinante puede no ser beneficiosa para hacer aglomerados significativamente más grandes o más fuertes.

Según lo sugerido por los resultados del tamaño de los gránulos de aglomerado, las muestras de material aglutinante C, que tenían la viscosidad de vidrio fundido más baja a la temperatura de aglomeración, tenían el LPD más bajo de los tres materiales aglutinantes. El tipo de abrasivo no tuvo un efecto significativo sobre el LPD.

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Ejemplo 2

Aglomerados de grano abrasivo/material aglutinante inorgánico

Se utilizaron materiales aglutinantes vitrificados para preparar las muestras de granos abrasivos aglomerados AV2 y AV3. Los aglomerados se prepararon según el método de calcinación rotatoria descrito en el ejemplo 1, utilizando los materiales descritos a continuación. Los aglomerados de AV2 se prepararon con un 3 % de porcentaje en peso de Material aglutinante A (Tabla 1-2). La temperatura del calcinador se fijó en 1250 °C, el ángulo del tubo fue de 2,5 grados y la velocidad de rotación fue de 5 rpm. Los aglomerados de AV3 se prepararon con un 6 % de porcentaje en peso de Material aglutinante E (Tabla 1-2), a una temperatura del calcinador de 1200 °C, con un ángulo del tubo de 2,5-4 ° y una velocidad de rotación de 5 rpm. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina fundida 38A, tamaño de grano 80, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE. UU.

Los aglomerados de granos vitrificados se sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta, la densidad relativa y el tamaño. Los resultados de las pruebas se enumeran en la tabla 2-1 a continuación. Los aglomerados consistían en una pluralidad de granos abrasivos individuales (p. ej., de 2 a 40 granos) unidos entre sí por material aglutinante vitrificado en los puntos de contacto de grano a grano, junto con áreas vacías visibles. La mayoría de los aglomerados eran suficientemente resistentes a la compactación como para conservar un carácter tridimensional después de ser sometidos a operaciones de moldeo y mezclado con muelas abrasivas.

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Muelas abrasivas

Se utilizaron las muestras de aglomerado AV2 y AV3 para hacer muelas abrasivas experimentales (tipo 1) (tamaño final 5,0 x 0,5 x 1,250 pulgadas) (12,7 x 1,27 x 3,18 cm). Las muelas abrasivas experimentales se hicieron agregando los aglomerados a un mezclador de paletas rotatorias (un mezclador Foote-Jones, obtenido de Illinois Gear, Chicago, IL) y mezclando con los aglomerados una resina fenólica líquida (resina V-1181 de Honeywell International Inc., División de fricción, Troy NY) (22 % en peso de mezcla de resina). Se añadió a los aglomerados húmedos una resina fenólica en polvo (resina Durez Varcum® 29-717 obtenida de Durez Corporation, Dallas TX) (78 % en peso de mezcla de resina). Las cantidades porcentuales en peso de aglomerado abrasivo y aglutinante de resina utilizadas para fabricar estas muelas y la composición de las muelas terminadas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, aglutinante y porosidad en las muelas curadas) se enumeran en la tabla 2-2 a continuación.

Los materiales se mezclaron durante un período de tiempo suficiente para obtener una combinación uniforme y minimizar la cantidad de aglutinante libre. Después del mezclado, los aglomerados se tamizaron a través de un tamiz de malla 24 para romper cualquier grumo grande de resina. El aglomerado uniforme y la mezcla de aglutinante se colocaron en moldes y se aplicó presión para formar muelas en estado verde (sin curar). Estas muelas verdes se sacaron de los moldes, se envolvieron en papel revestido y se curaron por calentamiento a una temperatura máxima de 160 °C, se clasificaron, acabaron e inspeccionaron de acuerdo con las técnicas comerciales de fabricación de muelas abrasivas conocidas en la técnica. Se midió el módulo elástico de la muela abrasiva acabada y los resultados se muestran en la tabla 2-2 a continuación.

El módulo de elasticidad se midió usando 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.

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Ejemplo 3

Las muelas experimentales del ejemplo 2 se probaron en una prueba simulada de rectificado de rodillos en comparación con muelas disponibles comercialmente aglomeradas con resina fenólica (C-1-C-3, obtenida de Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA). También se sometieron a pruebas como muelas comparables muelas abrasivas aglomeradas 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 comparables porque tenían composiciones, estructuras y propiedades físicas equivalentes a las muelas utilizadas en operaciones comerciales de rectificado de rodillos. Para simular el rectificado de rodillos en un entorno de laboratorio, se realizó una operación de rectificado de ranuras de contacto continuo en una máquina rectificadora plana. En las pruebas se emplearon las siguientes condiciones de rectificado.

Máquina de rectificado: Rectificadora plana Brown & Sharpe

Modo: dos ranuras de rectificado de contacto continuo, inversión al final de la carrera antes de la pérdida de contacto con la pieza de trabajo

Refrigerante: Trim Clear en una proporción 1:40 de refrigerante:agua desionizada

Pieza de trabajo: Acero 4340 de 16 x 4 pulgadas, dureza Rc50

Velocidad de la pieza de trabajo: 25 pies/min.

Velocidad de la muela abrasiva: 5730 rpm

Alimentación vertical: 0,100 pulgadas en total

Profundidad del corte: 0,0005 pulgadas en cada extremo

Tiempo de contacto: 10,7 minutos

Rectificador de la muela: Diamante de punta única, a 10 pulgadas/min de avance cruzado, 0.001 pulgadas comp.

La vibración de la muela abrasiva durante el rectificado se midió con un equipo de Mecanálisis IRD (Analizador/Equilibrador Modelo 855, obtenido de Entek Corporation, North Westerville, Ohio). En una ejecución inicial de rectificado, se registraron los niveles de vibración a varias frecuencias (como velocidad en unidades de pulgadas/segundo), utilizando un procedimiento de transformada rápida de Fourier (FFT) a los dos y ocho minutos después de haber rectificado la muela. Después de la ejecución de rectificado inicial, se realizó una segunda ejecución de rectificado y se registró el crecimiento del nivel de vibración con respecto al tiempo a una frecuencia objetivo seleccionada (57000 cpm, la frecuencia observada durante la ejecución inicial) durante los 10,7 minutos completos que la muela permaneció en contacto con la pieza de trabajo. Las tasas de desgaste de la muela abrasiva (WWR, por sus siglas en inglés), las tasas de eliminación de material (MRR, por sus siglas en inglés) y otras variables de rectificado se registraron a medida que se realizaban las ejecuciones de rectificado. Estos datos, junto con la amplitud de vibración para cada muela abrasiva después de 9-10 minutos de rectificado de contacto continuo, se muestran en la tabla 3-1 a continuación.

T l -1 R l l r r ifi

Puede verse que las muelas abrasivas experimentales mostraron la tasa de desgaste de muela abrasiva más baja y los valores de amplitud de vibración más bajos. Las muelas abrasivas comerciales comparables fabricadas con aglutinantes de resina fenólica (38A80-G8 B24, -K8 B24 y -O8 B24) tenían tasas de desgaste de muela abrasiva bajas, pero valores de amplitud de vibración inaceptablemente altos. Se podría predecir que estas muelas generarían traqueteo por vibración en una operación real de rectificado de rodillos. Las muelas comparables fabricadas con aglutinantes de resina de goma laca (53A80J7 Shellac Blend y 53A80L7 Shellac Blend) tenían altas tasas de desgaste de las muelas abrasivas pero valores de amplitud de vibración aceptablemente bajos. Las muelas abrasivas experimentales fueron superiores a todas las muelas abrasivas comparables en un rango de niveles de potencia (amplitud de vibración casi constante a 10-23 CV y un WWR consistentemente más bajo) y las muelas abrasivas experimentales mostraron relaciones G superiores (tasa de eliminación de material/tasa de desgaste de la muela abrasiva), lo que demuestra una excelente eficiencia y vida útil de la muela abrasiva.

Se cree que el módulo elástico relativamente bajo y la porosidad relativamente alta de las muelas experimentales crean una muela resistente a la vibración sin sacrificar la vida útil de la muela ni la eficiencia del rectificado. De manera bastante inesperada, se observó que las muelas experimentales rectificaban de manera más eficiente que las muelas que contenían porcentajes de volumen de grano más altos y que tenían un grado de muela más duro. Aunque las muelas experimentales se construyeron para producir un grado de dureza relativamente suave (es decir, el grado AE en la escala de dureza de muelas abrasivas de Norton Company), el rectificado que producen es más agresivo y con menos desgaste de la muela, produciendo una relación G más alta que las muelas comparables que tienen un valor de grado significativamente más duro (es decir, grados GO en la escala de dureza de muelas abrasivas de Norton Company). Estos resultados fueron significativos e inesperados.

Ejemplo 4

Se prepararon muelas experimentales que contenían grano aglomerado en una operación de fabricación comercial y se probaron en una operación de rectificado de rodillos comerciales en la que se usaban muelas aglutinadas con goma laca.

Aglomerados de material aglutinante inorgánico/grano abrasivo

Se usaron materiales aglutinantes vitrificados (material aglutinante A de la tabla 1-2) para preparar la muestra AV4 de grano abrasivo aglomerado. La muestra AV4 fue similar a la muestra AV2, excepto que para la muestra AV4 se fabricó un tamaño de lote comercial. Los aglomerados se prepararon según el método de calcinación rotatoria descrito en el ejemplo 1. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina fundida 38A, tamaño de grano 80, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE.UU., y se utilizó un 3 % en peso de material aglutinante A (Tabla 1-2). La temperatura del calcinador se fijó en 1250 °C, el ángulo del tubo fue de 2,5 grados y la velocidad de rotación fue de 5 rpm. Los aglomerados se trataron con una solución de silano al 2 % (obtenida de Crompton Corporation, South Charleston, West Virginia).

Muelas abrasivas

Se utilizó la muestra de aglomerado AV4 para hacer muelas abrasivas (tamaño final de 36" de diámetro x 4" de ancho x 20" de orificio central (tipo 1) (91,4 x 10,2 x 50,8 cm). Las muelas abrasivas experimentales se hicieron con equipo de fabricación comercial mezclando los aglomerados con resina fenólica líquida (resina V-1181 de Honeywell International Inc., Friction Division, Troy NY) (un 22 % en peso de mezcla de resina) y resina fenólica en polvo (resina Durez Varcum® 29-717 obtenida de Durez Corporation, Dallas TX) (un 78 % en peso de mezcla de resina). Las cantidades porcentuales en peso de aglomerado abrasivo y aglutinante de resina utilizadas en estas muelas se enumeran en la tabla 4-1 a continuación. Los materiales se mezclaron durante un período de tiempo suficiente para obtener una mezcla uniforme. El aglomerado uniforme y la mezcla de aglutinante se colocaron en moldes y se aplicó presión para formar muelas en estado verde (sin curar). Estas muelas verdes se sacaron de los moldes, se envolvieron en papel revestido y se curaron por calentamiento a una temperatura máxima de 160 °C, se clasificaron, acabaron e inspeccionaron de acuerdo con las técnicas comerciales de fabricación de muelas abrasivas conocidas en la técnica. Se midieron el módulo elástico y la densidad de cocción de la muela abrasiva terminada y los resultados se muestran en la tabla 4-1 a continuación. Se midió la velocidad de rotura de la muela abrasiva y se determinó que la velocidad operativa máxima era de 9500 pies por minuto.

La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad en las muelas curadas) se describe en la tabla 4-1. Estas muelas tenían una estructura de porosidad visiblemente abierta, continua, relativamente uniforme, desconocida en las muelas abrasivas de aglomerado orgánico fabricadas previamente en una operación comercial.

T l 4-1 m i i n l m l r iv

Pruebas de rectificado

Estas muelas abrasivas experimentales se sometieron a pruebas en dos operaciones de rectificado comerciales para el acabado de rodillos de laminado en frío. Una vez rectificados, estos rodillos de acero forjado se utilizarán para enrollar y terminar la superficie de láminas de metal (p. ej. acero). Las operaciones comerciales utilizan tradicionalmente muelas comerciales aglomeradas con goma laca (es común el grano abrasivo de alúmina de grano 80) y estas muelas normalmente operan a 6500 pies por minuto, con una velocidad máxima de aproximadamente 8000 pies por minuto. Las condiciones de rectificado se enumeran a continuación y los resultados de las pruebas se muestran en las tablas 4-2 y 4-3.

Condiciones de rectificado A:

Máquina de rectificado: Rectificadora de rodillos Farrell, 40 CV

Refrigerante: Stuart sintético con agua

Velocidad de la muela abrasiva: 780 rpm

Pieza de trabajo: Acero forjado, rodillos de trabajo de molino en tándem, dureza 842 Equotip, 82 x 25 pulgadas (208 x 64 cm)

Velocidad de la pieza de trabajo (rodillo): 32 rpm

Desplazamiento: 100 pulgadas/min.

Alimentación continua: 0,0009 pulgadas/min.

Fin de alimentación: 0,0008 pulgadas/min.

Se requiere acabado superficial: Rugosidad 18-30 Ra, 160 picos máximo

Condiciones de rectificado B:

Máquina de rectificado: Molino de rodillos Pomini, 150 CV

Refrigerante: Stuart sintético con agua

Velocidad de la muela abrasiva: 880 rpm

Pieza de trabajo: Acero forjado, rodillos de trabajo de molino en tándem, dureza 842 Equotip, 82 x 25 pulgadas (208 x 64 cm)

Velocidad de la pieza de trabajo (rodillo): 32 rpm

Desplazamiento: 100 pulgadas/min.

Alimentación continua: 0,00011 pulgadas/min.

Fin de alimentación: 0,002 pulgadas/min.

Se requiere acabado superficial: Rugosidad 18-30 Ra, aprox. 160-180 picos

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En las condiciones de rectificado A, las muelas de rectificado experimentales mostraron un excelente rendimiento de rectificado, logrando relaciones G significativamente más altas que las observadas en operaciones comerciales anteriores bajo estas condiciones de rectificado con muelas aglomeradas con goma laca. En base a la experiencia previa en el rectificado de rodillos en las 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 Norton Company de B-D) para producir una eficiencia de rectificado comercialmente aceptable, por lo que estos resultados que mostraron excelentes relaciones G fueron sorprendentes. Además, el acabado de la superficie del rodillo estaba libre de marcas de vibración y dentro de las especificaciones de rugosidad de la superficie (18-30 Ra) y número de picos de la superficie (aproximadamente 160). Las muelas abrasivas experimentales produjeron una calidad de acabado superficial que antes se observaba solo con muelas abrasivas aglomeradas con goma laca.

Una segunda prueba de rectificado de la muela experimental 3-3 en condiciones de rectificado B confirmó los sorprendentes beneficios de usar las muelas de la invención en una operación comercial de rectificado en frío de rodillos de acabado durante un período de prueba prolongado. Los resultados de la prueba se muestran a continuación en la tabla 4-3.

T l 4- R l l r r ifi n i i n r ifi B

La relación G acumulada para la muela abrasiva experimental 2-4 fue de 2,093 después de rectificar 19 rodillos y experimentar un desgaste de aproximadamente tres pulgadas del diámetro de la muela abrasiva. Esta relación G representa una mejora de 2 a 3 veces la relación G observada para muelas abrasivas comerciales (p. ej. las muelas aglomeradas con goma laca, C-6 y C-7 descritas en el ejemplo 2) utilizadas para rectificar rodillos en condiciones de rectificado A o B. La velocidad de rotación de la muela y la tasa de eliminación de material excedieron las de las muelas comerciales comparables utilizadas en esta operación de rectificado de rodillos, demostrando así además la inesperada eficacia de rectificado posible con el método de rectificado de la invención. El acabado de la superficie del rodillo logrado por la muela abrasiva experimental fue aceptable según los estándares de producción comercial. Los resultados acumulados observados después de pulir 19 rodillos confirman el funcionamiento en estado estable de la muela experimental y la resistencia beneficiosa de la muela al desarrollo de lóbulos, vibración y traqueteo cuando la muela es consumida por la operación de rectificado.

Ejemplo 5

Aglomerados de aglutinantes inorgánicos/granos abrasivos

Las muestras de aglomerado se prepararon a partir de una mezcla sencilla de las mezclas de grano abrasivo, material aglutinante y agua descritas en la tabla 5-1. La composición de material aglutinante vitrificado usada para preparar las muestras fue el material aglutinante C enumerado en la tabla 1-2. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina fundida 38A, tamaño de grano 80, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE. UU.

Se formaron muestras de granos abrasivos aglomerados a 1150 °C utilizando un aparato de calcinación rotatorio (modelo n.° HOU-6D60-RTA-28, Harper International, Buffalo, Nueva York), equipado con un tubo de metal (Hastelloy) de 120 pulgadas (305 cm) de largo, 5.75 pulgadas (15,6 cm) de diámetro interior, 3/8 pulgadas (0,95 cm) de espesor, con una longitud calentada de 60 pulgadas (152 cm) con tres zonas de control de temperatura. Se utilizó una unidad de alimentación Brabender® con velocidad de alimentación volumétrica de control ajustable para dosificar el grano abrasivo y la mezcla de material aglutinante en el tubo de calentamiento del aparato de calcinación rotatorio. El proceso de aglomeración se llevó a cabo 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 de material de 6-10 kg/hora.

Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, las muestras de granos abrasivos aglomerados se tamizaron y sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta (LPD) y la distribución granulométrica. Estos resultados se muestran en la tabla 5-1.

T l -1 r rí i l r n l l m r VI

La muestra VI de grano aglomerado se utilizó para fabricar muelas abrasivas (tipo 1) (tamaño terminado: 20 x 1 x 8 pulgadas) (50,8 x 2,54 x 20,3 cm). La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad en las muelas cocidas), su densidad y sus propiedades mecánicas se describen en la tabla 5-2. Se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 1 a 4 para producir muelas de grado F de dureza y se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 5 a 8 para producir muelas de grado G de dureza.

Para fabricar las muelas abrasivas, los aglomerados se añadieron a un mezclador junto con un aglutinante líquido y una composición aglutinante vitrificada en polvo correspondiente al material aglutinante C de la tabla 1-2. Las estructuras de los aglomerados eran suficientemente resistentes a la compactación como para retener una cantidad eficaz de aglomerados que tenían un carácter tridimensional después de haber sido sometidos a operaciones de moldeo y mezclado con muelas abrasivas. A continuación, las muelas se moldearon, secaron y hornearon a una temperatura máxima de 900 °C, se clasificaron, acabaron, equilibraron e inspeccionaron de acuerdo con las técnicas comerciales de fabricación de muelas abrasivas conocidas en la técnica.

Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales pasaron la prueba de velocidad máxima para el equipo de prueba (85,1 m/s) y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado profundo.

La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad en las muelas cocidas), su densidad y sus propiedades mecánicas se describen en la tabla 5-2.

T l -2 r rí i l m l r iv

Los valores del módulo de elasticidad de las muelas abrasivas experimentales 1-4 oscilaron entre un 34 a 43 % más bajos que los valores para la muela abrasiva comparable de grado F, y los valores de módulo elástico de las muelas abrasivas experimentales 5-8 oscilaron de un 45 a 54 % más bajos que los valores para la muela abrasiva comparable de grado G. Las muelas que tienen idénticas composiciones en porcentaje en volumen de grano, aglutinante y porosidad, tenían inesperadamente valores de módulo elástico significativamente diferentes. La muela abrasiva experimental 1 tenía un valor de módulo elástico un 34 % menor que el valor de la muela abrasiva comparable de grado F, y la muela abrasiva experimental 5 tenía un valor de módulo elástico un 51 % menor que el valor de la muela abrasiva comparable de grado G. En un experimento separado, las muelas abrasivas comparables fabricadas en grados más blandos para caracterizarse por valores de módulo elástico equivalentes relativamente bajos carecían de resistencia mecánica suficiente para pasar la prueba de velocidad de 85,1 m/s.

Los valores de la prueba de velocidad para las muelas abrasivas experimentales fueron totalmente aceptables. Además, a idénticas composiciones porcentuales en volumen de grano, aglutinante y porosidad, la muela abrasiva experimental 1 exhibió un módulo de ruptura solo un 7 % menor que el de la muela abrasiva comparable de grado F, mientras que la muela abrasiva experimental 5 exhibió un módulo de ruptura solo un 3 % menor que el de la muela abrasiva comparable de grado G. Esta ligera reducción en el módulo de ruptura era de esperar, dada la ligera reducción en la densidad de las muelas abrasivas experimentales con respecto a las muelas abrasivas comparables. La reducción en la densidad también sugiere que las muelas experimentales habían resistido la contracción durante el procesamiento térmico, en relación con las muelas comparables que tienen una composición porcentual en volumen idéntica, y esto representa ahorros potenciales significativos en los costos de fabricación, tanto en costos de materiales como en operaciones de acabado.

Las muelas se probaron en una operación de rectificado profundo contra muelas comerciales comparables recomendadas para uso en operaciones de rectificado profundo. Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, composiciones de porcentaje en volumen idénticas o similares, grados de dureza equivalentes (la calidad se determinó sobre la base del contenido de porcentaje en volumen de grano, aglutinante y porosidad) y químicas de aglutinante funcionalmente equivalentes, y por lo demás eran muelas comparables adecuadas para un estudio de rectificado profundo. Pero, las muelas comparables estaban fabricadas sin grano aglomerado y se necesitaron inductores de poros sacrificables para lograr el porcentaje de porosidad y la densidad de la muela previstos. Las designaciones de las muelas abrasivas comerciales y las composiciones de las muelas abrasivas comparables se describen en la tabla 5-2 (muelas abrasivas comerciales 38A80F19VCF2 y 38A80G19VCF2).

Se realizó una prueba de rectificado en «cuña» , la pieza de trabajo se inclinó en un ángulo pequeño con respecto al carro de la máquina sobre el que estaba montada. Esta geometría aumenta la profundidad de corte, aumenta la velocidad de eliminación de material y aumenta el grosor de la viruta a medida que avanza el rectificado de principio a fin. Por lo tanto, los datos de rectificado se recopilan en una variedad de condiciones en una sola ejecución. A la evaluación del rendimiento de la muela en la prueba de cuña contribuyen además la medición y el registro de la potencia del husillo y las fuerzas de rectificado. La determinación precisa de las condiciones (MRR, espesor de viruta, etc.) que producen resultados inaceptables, como quemado por rectificado o rotura de la muela, facilita la caracterización del comportamiento de la muela y la clasificación del rendimiento relativo del producto.

Condiciones de rectificado:

Máquina: Hauni-Blohm Profimat 410

Modo: rectificado profundo de cuña

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

Velocidad de la mesa: Varía de 5 a 17,5 pulgadas/minuto (12,7 a 44,4 cm/minuto)

Refrigerante: Master Chemical Trim E210200, a una concentración del 10 % con agua de pozo desionizada, 72 gal/min (272 l/min)

Material de la pieza de trabajo: Inconel 718 (42 HRc)

Modo de rectificado de la muela: diamante rotatorio, continuo.

Compensación de rectificado de la muela: 20 micropulgadas/rev (0,5 micrómetros/rev)

Relación de velocidad: 0,8

En estas ejecuciones de rectificado, el aumento continuo de la profundidad de corte proporcionó un aumento continuo en la tasa de eliminación de material en toda la longitud del bloque (8 pulgadas (20,3 cm)). La falla se denotó por la quema de la pieza de trabajo, la rotura de la muela abrasiva, un acabado rugoso de la superficie y/o la pérdida de la forma de las esquinas. El desgaste de la muela por rectificado fue menor que la pérdida por compensación continua del rectificado de la muela llevado a cabo durante la prueba de rectificado. La energía específica de rectificado y la tasa de eliminación de material a la que ocurrió la falla (MRR máximo) vienen indicadas en la tabla 5-3.

Como puede verse a partir de los resultados de la prueba de rectificado en la tabla 5-3, antes de que ocurriera el fallo, las muelas experimentales exhiben valores MRR de 20 a 58 % más altos con respecto a los de muelas comparables que tienen idénticas composiciones en porcentaje en volumen. Con composiciones idénticas, las muelas experimentales exhibieron al menos una reducción del 17 % en la potencia necesaria para el rectificado (energía específica de rectificado). Estas eficiencias en la operación de rectificado se lograron sin ninguna pérdida significativa de la calidad de la superficie de la pieza de trabajo a rectificar. El resultado sugiere que las muelas experimentales podrían operarse en operaciones comerciales de rectificado profundo a una tasa de acabado más baja con un MRR constante, logrando así al menos duplicar la vida útil de la muela.

Ejemplo 6

Aglomerados de aglutinantes inorgánicos/granos abrasivos

Las muestras de granos aglomerados se prepararon a partir de una mezcla sencilla del grano abrasivo, el material aglutinante y agua que se describen en la tabla 6-1. Las composiciones de material aglutinante vitrificado utilizadas para preparar las muestras fueron el material aglutinante C enumerado en la tabla 1-2. El grano abrasivo era un grano abrasivo de alúmina fundida 38A, tamaño de grano 60, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE. UU.

Las muestras de granos abrasivos aglomerados se prepararon en un aparato de calcinación rotatorio industrial (fabricado por Bartlett Inc. Stow, Ohio; modelo de gas de fuego directo) a una temperatura máxima de 1250 °C, equipado con un tubo refractario de 35 pies (10,7 m) de largo, 31 pulgadas (0,78 m) de diámetro interior, y 23 pulgadas (0,58 m) de espesor. El proceso de aglomeración se llevó a cabo en condiciones atmosféricas, a un punto de ajuste de la temperatura de la zona caliente de 1250 °C, con una velocidad de rotación del tubo del aparato de 2.5 rpm, un ángulo de inclinación del tubo de 3 grados y una velocidad de avance del material de 450 kg/hora.

Después de la aglomeración en el aparato de calcinación rotatorio, las muestras de granos abrasivos aglomerados se tamizaron y sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta (LPD) y la distribución granulométrica. Estos resultados se muestran en la tabla 6-1.

Tabla 6-1 Características de los gránulos aglomerados V2

Se utilizaron muestras de aglomerado para hacer muelas abrasivas (tipo 1) (tamaño terminado: 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 aglutinante vitrificada en polvo correspondiente al material aglutinante C de la tabla 1-2. Las estructuras de los aglomerados eran suficientemente resistentes a la compactación como para retener una cantidad eficaz de aglomerados que tenían un carácter tridimensional después de haber sido sometidos a operaciones de moldeo y mezclado con muelas abrasivas. Se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 9 a 11 para producir muelas de grado I de dureza, se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 12 a 16 para producir muelas de grado K de dureza y se seleccionaron composiciones para las muelas experimentales 17 a 19 para producir muelas de grado J de dureza. A continuación, las muelas se moldearon, secaron y hornearon a una temperatura máxima de 1030 °C, se clasificaron, acabaron, equilibraron e inspeccionaron de acuerdo con las técnicas comerciales de fabricación de muelas abrasivas conocidas en la técnica.

Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Los resultados de la prueba de rotura se dan en la tabla 6-2. Todas las muelas experimentales tenían la suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado profundo. Las operaciones comerciales de rectificado profundo tradicionalmente operan estas muelas abrasivas a 6500 pies por minuto (33 m/s) con una velocidad máxima de operación de aproximadamente 8500 pies por minuto (43.2 m/s)

La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, aglutinante y porosidad en las muelas cocidas), la densidad y las propiedades del material de las muelas se describen en la tabla 6-2.

Tabla 6-2 Características de las muelas abrasivas

Las muelas que tienen idénticas composiciones en porcentaje en volumen de grano, aglutinante y porosidad, tenían inesperadamente valores de módulo elástico significativamente diferentes. En particular, el valor del módulo elástico de una muela abrasiva comparable (TG2-80 E13 VCF5) fabricada al porcentaje de porosidad en volumen relativamente alto y densidad relativamente baja deseados por medio de partículas alargadas agregadas (grano abrasivo) en lugar de con inductores de porosidad de sacrificio, no mostró una reducción en el valor del módulo elástico. De hecho, el valor del módulo elástico era más alto que el de la muela abrasiva comparable equivalente más cercana y mucho más alto que el de las muelas abrasivas experimentales que tenían composiciones equivalentes en porcentaje en volumen.

A pesar de las propiedades de módulo elástico reducidas, los valores de la prueba de velocidad para las muelas abrasivas experimentales fueron completamente aceptables. Con composiciones idénticas en porcentaje en volumen de grano, aglutinante y porosidad, la muela abrasiva experimental 1 exhibió valores de módulo de ruptura y velocidad de rotura solo ligeramente más bajos. Las densidades de las muelas experimentales fueron ligeramente inferiores a las de las muelas comparables que se habían formulado con una composición idéntica en porcentaje en volumen. Por tanto, se esperaba una pequeña reducción en el módulo de rotura. La caída en la densidad también sugiere que las muelas experimentales habían resistido la contracción durante el procesamiento térmico en comparación con las muelas comparables que tenían una composición porcentual en volumen idéntica, y esto representa ahorros potenciales significativos en los costos de fabricación, tanto en costos de material como en operaciones de acabado.

Las muelas se probaron en una operación de rectificado profundo usando las condiciones de rectificado de prueba de cuña descritas en el ejemplo 5. Las muelas se probaron frente a muelas comerciales comparables recomendadas para su uso en operaciones de rectificado profundo. Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, composiciones de porcentaje en volumen idénticas o similares, grados de dureza equivalentes (la calidad se determinó sobre la base del contenido de porcentaje en volumen de grano, aglutinante y porosidad) y químicas de aglutinante funcionalmente equivalentes, y por lo demás eran muelas comparables adecuadas para un estudio de rectificado profundo. Pero, las muelas comparables estaban fabricadas sin grano aglomerado y se usaron inductores de poros sacrificables para lograr el porcentaje de porosidad y la densidad de la muela previstos. Las designaciones de las muelas abrasivas comerciales y las composiciones de las muelas abrasivas comparables se describen en la tabla 6-2 (muelas abrasivas comerciales 38A60-I96 LCNN, 38A60-K75 LCNN y 38A60-J64 LCNN). Los resultados se dan a continuación en la tabla 6-3.

Ċ

Como puede verse a partir de los resultados de la prueba de rectificado en la tabla 6-3, las muelas experimentales exhibieron una MRR más alta (10 a 68 %) antes de que ocurriera la falla en relación con las muelas comparables que tienen composiciones idénticas en porcentaje en volumen. Con composiciones idénticas, las muelas experimentales exhibieron una reducción en la potencia (3 a 31 %) necesaria para el rectificado (energía específica de rectificado). Estas eficiencias en la operación de rectificado se lograron sin ninguna pérdida significativa de la calidad de la superficie de la pieza de trabajo a rectificar. El resultado sugiere que las muelas experimentales podrían operarse en operaciones comerciales de rectificado profundo a una tasa de acabado más baja con un MRR constante, logrando así al menos duplicar la vida útil de la muela.

Ejemplo 7

Aglomerados de grano abrasivo/aglutinantes orgánicos

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 de Durez Corporation, Dallas TX) en las cantidades descritas en la tabla 7-1. Todas las muestras se prepararon con grano abrasivo de alúmina fundida 38A tratada con silano obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE.UU., en los tamaños de grano (grano 80 o 46) enumerados en la tabla 7-1.

El grano y el material aglutinante de resina se colocaron en el recipiente de un mezclador (las muestras A5-A8 en un mezclador Erich de alto cizallamiento número de modelo RV-02 fabricado por Erich Company, Gurnee, IL; la muestra A1 en un mezclador de plato fabricado por Foote -Jones/Illinois Gear en Chicago, IL; y las muestras A2, A3 y A4 en un mezclador de eje vertical hecho a medida por Boniface Tool and Die en Southbridge, MA). El mezclado se inició a una velocidad de recipiente ajustada a 64 rpm y una velocidad de paleta ajustada a 720 rpm (muestras A5-A8 en el mezclador Eirich); o a una velocidad de recipiente de 35 rpm y una paleta estacionaria (muestra A1 en el mezclador Foote/Jones); o a una velocidad de recipiente de 35 rpm y una velocidad de paleta de 75 rpm (muestras A2-A4 en el mezclador Boniface). Durante el mezclado, se pulverizó en forma de niebla suficiente disolvente (furfural) sobre la mezcla de grano y el material aglutinante para hacer que los granos y el material aglutinante se aglomeraran juntos. La pulverización de disolvente sobre la mezcla se continuó solo hasta que los granos y el material aglutinante formasen aglomerados. Al preparar la muestra A1, se pulverizó manualmente el disolvente sobre los componentes secos con una botella de plástico. Al preparar las muestras A2-A8, se pulverizó el disolvente sobre los componentes secos como una neblina continua en cantidades medidas utilizando un generador de refrigerante Tool Mist, obtenido de 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 en húmedo se tamizaron a través de un tamiz de malla 3,5 estadounidense y se secaron durante la noche en condiciones ambientales. Las muestras se volvieron a tamizar en un tamiz grueso (tamiz estándar de EE. UU. n.° 8 para aglomerados de grano 46, tamiz n.° 20 para aglomerados de grano 80) y se extendieron en una sola capa sobre una bandeja para hornear revestida de fluoropolímero (aproximadamente 45 x 30 cm). A continuación, los aglomerados se curaron en un horno de laboratorio (número de modelo de Despatch VRD-1-90-1E de Despatch Industries, Minneapolis MN) en condiciones atmosféricas, se calentaron a una temperatura máxima de 160 °C y se mantuvieron a esa temperatura durante 30 minutos. Los aglomerados curados se laminaron bajo una barra de acero de 1,5 pulgadas operada manualmente para rectificar parcialmente y separar los aglomerados más grandes en aglomerados más pequeños.

Los aglomerados curados se dimensionaron con tamices de prueba estándar de EE. UU. montados en un tamiz vibratorio (Ro-Tap; Modelo RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH). Los tamaños de malla de los tamices variaron de 10 a 45 para aglomerados fabricados con grano 46 y de 20 a 45 para aglomerados fabricados con grano abrasivo de tamaño 80.

El rendimiento de aglomerados de flujo libre utilizables de las muestras A1-A8, definidos como aglomerados que tienen una distribución granulométrica del tamaño de malla indicado (tamaño de tamiz estándar de EE. UU.) como un porcentaje en peso relativo al peso total de la mezcla de granos antes de la aglomeración se muestra a continuación en la tabla 7-1.

Los aglomerados se sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta (LPD), la densidad relativa y la distribución granulométrica y se caracterizaron visualmente, antes y después de ser utilizados para fabricar herramientas abrasivas de rectificado. La densidad aparente suelta (LPD) de los aglomerados curados se midió mediante el procedimiento del Norma Nacional Estadounidense para la Densidad a Granel de Granos Abrasivos. La densidad relativa media inicial, expresada como porcentaje, se calculó dividiendo el LPD (p) por una densidad teórica de los aglomerados (po), asumiendo una porosidad cero. La densidad teórica se calculó según el método de la regla volumétrica de las mezclas a partir del porcentaje en peso y el peso específico del material aglutinante y del grano abrasivo contenido en los aglomerados.

Estos aglomerados tenían una LPD, densidad relativa y características granulométricas adecuadas para su uso en la fabricación comercial de muelas abrasivas. Los resultados de las pruebas de aglomerado se muestran en la tabla 7-1.

Los aglomerados curados terminados tenían formas tridimensionales que variaban entre formas triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares, cilíndricas y otras formas geométricas. Los aglomerados consistían en una pluralidad de granos abrasivos individuales (p. ej., de 2 a 40 granos) unidos entre sí por material aglutinante de resina en los puntos de contacto de grano a grano. Según la densidad del material y los cálculos volumétricos, la porosidad de los aglomerados a granel fue de aproximadamente el 18 % en volumen. Las estructuras de los aglomerados eran suficientemente resistentes a la compactación como para retener una cantidad eficaz de aglomerados que retenían un carácter tridimensional inicial después de haber sido sometidos a operaciones de moldeo y mezclado con muelas abrasivas.

T l 7-1 r rí i l r n l l m r

El porcentaje en volumen de material aglutinante de los aglomerados curados se calculó asumiendo que no había porosidad interna ni pérdidas de mezclado.

muelas abrasivas

Las muestras de aglomerado A1, A2 y A3 se utilizaron para fabricar muelas abrasivas de copa de Tipo 6 (tamaño final: 3,5 x 3,75 x 0,88-borde de 0,50 pulgadas) (8,9 x 9,5 x 2,2-borde de 1,3 cm). Para fabricar las muelas abrasivas experimentales, los aglomerados se mezclaron a mano en lotes de 250 gramos con una composición de aglutinante de resina fenólica hasta obtener una mezcla uniforme. La composición de aglutinante de resina era una mezcla de resina fenólica líquida al 22 % en peso (V-1181 de Honeywell International Inc., Friction Division, Troy NY) y resina fenólica en polvo al 78 % en peso (resina Durez Varcum® 29-717 de Durez Corporation, Dallas TX). El aglomerado uniforme y la mezcla de aglutinante se colocaron en moldes y se aplicó presión para formar muelas en estado verde (sin curar). Estas muelas verdes se sacaron de los moldes, se envolvieron en papel revestido y se curaron por calentamiento a una temperatura máxima de 160 °C, se clasificaron, acabaron e inspeccionaron de acuerdo con las técnicas comerciales de fabricación de muelas abrasivas conocidas en la técnica.

Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron a una prueba de velocidad de 7200 rpm y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies.

Las composiciones de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad de las muelas curadas) se describen en la tabla 7-2.

T l 7-2 r rí i l m l r iv

Estas muelas experimentales se probaron en una operación de rectificado de superficies y se encontró que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se probaron contra las muelas comparables descritas en la tabla 7-2 que se recomiendan para uso comercial en operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, el mismo grano abrasivo y tipos de aglutinante y, por lo demás, eran muelas comparables adecuadas para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficie, pero se fabricaron sin grano aglomerado. Los resultados de estas pruebas de rectificado se muestran en la tabla 7-3.

Prueba de rectificado

Las muelas de la invención y las muelas comparables se probaron en una prueba de rectificado de superficie de gran área de contacto diseñada para imitar las operaciones comerciales de rectificado de discos. Se utilizaron las siguientes condiciones.

Condiciones de rectificado:

Máquina: Okuma GI-20N, rectificadora OD/ID

Modo de rectificado: Rectificado superficial (cara); Prueba de simulación de disco

Velocidad de la muela abrasiva: 6.000 rpm; 5.498 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg)

Velocidad de trabajo: 10 rpm; 20,9 sfpm/0,106 m/s

Tasa de alimentación: 0,0105 pulgadas/min (0,0044 mm/s)/0,0210 pulgadas (0,0089 mm/s)

Refrigerante: Trim VHPE210, proporción del 5 % con agua de pozo desionizada

Material de la pieza de trabajo: Acero 52100 8 pulgadas de DE (20,3 cm) x 7 pulgadas de DI (17,8 cm) x 0,50 pulgadas (1,27 cm) de borde, dureza Rc-60

Rectificado de la rueda: Diamante de racimo; comp. 0.001 pulgadas, 0.01 pulgadas de plomo

Los resultados muestran que las muelas abrasivas fabricadas de acuerdo con la invención eran resistentes al desgaste de las muelas, pero capaces de funcionar a velocidades de alimentación y velocidades de eliminación de material (MRR) equivalentes a las muelas abrasivas comparables más cercanas, con una vida útil más larga de las muelas (WWR) a energías de rectificado específicas equivalentes o más bajas con una vida útil equivalente de la muela. La muela experimental (W4) que tenía un porcentaje de volumen de grano abrasivo más alto (34 %) exhibió inesperadamente una tasa más alta de desgaste de la muela que las otras muelas experimentales que contenían menos grano abrasivo (30 %). A una alimentación de 0.0267, todas las muelas abrasivas experimentales exhibieron una energía específica más baja en un MRR dado que las muelas abrasivas comparables. Dado que una energía específica de rectificado más baja se correlaciona con un potencial de combustión más bajo, se prevé que las muelas de la invención exhiban menos quemadura de la pieza de trabajo que las muelas comparables. Además, en relación con las muelas comparables, las muelas experimentales proporcionaron una eficiencia de rectificado significativamente mayor en base a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficiencia de rectificado). Este resultado desafía la sabiduría convencional en la tecnología de abrasivos aglomerados de que una muela de grado superior que contiene más grano resistirá al desgaste y ofrecerá una mejor vida útil de la muela y eficiencia de rectificado que una muela de menor grado (más blanda). Por tanto, el rendimiento superior de las muelas abrasivas de la invención fue significativo e inesperado.

Ejemplo 8

muelas abrasivas

Las muestras de aglomerado A4 y A5 se utilizaron para hacer muelas de rectificado de copa de tipo 6 (tamaño final de 5,0 x 2,0 x 0,625 - borde de 1,5 pulgadas (12,7 x 5,08 x 1,59 - borde de 3,81 cm). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 7 anterior.

Se observó durante el moldeo y prensado de las muelas crudas fabricadas con los aglomerados que era necesaria cierta compresión de la mezcla para llegar a una muela curada que tuviera suficiente resistencia mecánica para su uso en el rectificado de superficies. Si se llenaba el molde con la mezcla de aglutinante y aglomerados, y esencialmente no se producía compresión durante el moldeo de modo que los aglomerados retuvieran su LPD original, entonces las muelas experimentales curadas resultantes no mostraron ningún beneficio en el rectificado frente a las muelas comparables. Sin embargo, si se aplicó suficiente presión a la mezcla moldeada de aglomerados y aglutinante para comprimir el volumen de la mezcla en al menos un 8 % en volumen, entonces las muelas exhibieron un rendimiento de rectificado mejorado en las pruebas de rectificado de superficie. Se observó que los valores de volumen de compresión en el rango de 8-35 % en volumen (basado en el LPD original del aglomerado y el volumen de mezcla colocada en el molde) produjeron muelas abrasivas operativas que exhibían los beneficios de la invención. Se observó además que el triturado 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 fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron a una prueba de velocidad de 6308 rpm y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies.

La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad en las muelas curadas) se describe en la tabla 8-1.

En el examen visual de las vistas en sección transversal de las muelas experimentales curadas, la resina fenólica utilizada para aglutinar los aglomerados en las muelas parecía haber sido atraída hacia las áreas vacías alrededor de las superficies de los aglomerados, llenando parte o la totalidad de las áreas vacías. Esto no se observó en muelas abrasivas verdes ni en muelas abrasivas fabricadas con una resina de muela abrasiva de alta viscosidad. Estas observaciones sugieren que el aglutinante se infiltró en las áreas vacías de los aglomerados durante la operación de curado térmico. Se cree que esta migración de aglutinante durante la etapa de curado disminuyó la porosidad intraaglomerado y aumentó la porosidad interaglomerado en relación con una distribución teórica de porosidad dentro y entre los aglomerados. El resultado neto fue la creación de una estructura compuesta que contiene una matriz abrasiva de grano/aglutinante dentro de una fase continua que comprende una porosidad de naturaleza interconectada.

Estas muelas experimentales se probaron en una operación de rectificado de superficies y se encontró que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se probaron frente a las muelas comparables descritas en la tabla 8-1 que se usan de manera comercial en operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, el mismo grano abrasivo y tipos de aglutinante y, por lo demás, eran muelas comparables para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficie, pero se fabricaron sin grano aglomerado. Las condiciones y los resultados de la prueba de rectificado se dan a continuación y en la tabla 8-2.

Prueba de rectificado

Las muelas de la invención y las muelas comparables se probaron en una prueba de rectificado de superficie de gran área de contacto diseñada para imitar las operaciones comerciales de rectificado de discos. Se utilizaron las siguientes condiciones.

Condiciones de rectificado:

Máquina: Rectificadora de riel; potencia máxima: 45 CV

Modo de rectificado: Rectificado frontal (prueba de simulación de disco)

Velocidad de la muela abrasiva: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg)

Velocidad de trabajo: 3 rpm; 37,7 sfpm/0,192 m/s

Tasa de alimentación: 0.0027 pulg/rev (0.0686 mm/rev) y 0.004 pulg/rev (0.1016 mm/rev) -Tiempo de rectificado: 15 minutos

Parada: 10 segundos

Refrigerante: Trim Clear, proporción del 2 % con agua de pozo desionizada

Material de la pieza de trabajo: Acero 107048 pulg de DE (1,22 m) x 46,5 pulg de DI (1,18 m) x 0,75 pulg (1,91 cm) de borde, HB 300-331 dureza Brinnell; sin rectificado de muela

-

Los resultados muestran que las muelas de rectificado fabricadas de acuerdo con la invención tenían o bien una vida útil de muela más larga (WWR) a energías de rectificado específicas equivalentes o bien energías de rectificado específicas más bajas con una vida de muela equivalente. Dado que una energía específica de rectificado más baja se correlaciona con un potencial de combustión más bajo, se prevé que las muelas de la invención exhiban menos quemadura de la pieza de trabajo que las muelas comparables.

Además, en relación con las muelas comparables, las muelas experimentales proporcionaron una eficiencia de rectificado significativamente mayor en base a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficiencia de rectificado). Este resultado desafía la sabiduría convencional en la tecnología de abrasivos aglomerados de que una muela de grado superior que tiene más grano resistirá al desgaste y ofrecerá una mejor vida útil de la muela y eficiencia de rectificado que una muela de menor grado (más blanda).

Por lo tanto, podrían fabricarse y operarse de acuerdo con la invención muelas experimentales con suficiente resistencia mecánica para la aceptación comercial, pero con grados de dureza medibles comparablemente bajos y cantidades comparablemente altas de porosidad interconectada, que existe como una fase continua dentro de la matriz abrasiva de la muela.

Ejemplo 9

muelas abrasivas

La muestra de aglomerado A6 se utilizó para hacer muelas de rectificado de copa de tipo 6 (tamaño final de 5,0 x 2,0 x 0,625 - borde de 1,5 pulgadas (12,7 x 5,08 x 1,59 - borde de 3,81 cm). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 7 anterior. Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron a una prueba de velocidad de 6308 rpm y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies.

Las composiciones de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad de las muelas curadas) se describen en la tabla 9-1.

Tabla 9-1 Características de las muelas abrasivas

Muela abrasiva Muestra de Porcentaje en volumen de la Aglomerado Aglutinante Módulo de experimental aglomerado composición de la muela abrasiva (porcentaje en (porcentaje elasticidad (muestras de (Tabla 7-1) Abrasivo3 Aglutinante Porosidad peso) en peso) GPa aglomerado E¡. 3) Grado b

N.° de muestra W10 D

A6 88,3

11,7

W11 A A6

93,1 6,9 ,

a) Los valores del porcentaje en volumen de aglutinante de las muelas experimentales incluyen el porcentaje en volumen del material aglutinante de resina utilizado en los granos para fabricar los aglomerados y el porcentaje en volumen del aglutinante utilizado para fabricar las muelas.__________________________________________________

La observación visual de las muelas experimentales curadas, como en el ejemplo 8 anterior, demostró la migración del aglutinante hacia áreas vacías en la superficie o al interior de los aglomerados. De nuevo, el resultado neto fue la creación de una estructura compuesta que contiene una matriz abrasiva de grano/aglutinante dentro de una fase continua que comprende una porosidad de naturaleza interconectada.

Estas muelas experimentales se probaron en la operación de rectificado de superficies del ejemplo 8 y se encontró que eran adecuadas para uso comercial. Los resultados del rectificado con muelas abrasivas experimentales se compararon con los resultados de las cuatro muelas comparables descritas en la tabla 8-1. Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, el mismo tipo de grano abrasivo y, por lo demás, eran adecuadas para evaluar las muelas experimentales en este estudio de rectificado de superficie, pero se fabricaron sin grano aglomerado. Los resultados de estas pruebas de rectificado se muestran en la tabla 9-2.

Las muelas experimentales de grado de dureza relativamente bajo (A y D) mostraron mayor WWR pero menor consumo de energía que las muelas comparables ejecutadas en la misma operación de rectificado (p. ej., muestra C2 L, una muela de grado L, en la tabla 8-1). Las muelas abrasivas comparables de la tabla 8-1 (grado L a grado P) fueron más de 8 grados más duras (en la escala de Norton Company) que las muelas abrasivas experimentales W10 y W11. Inesperadamente, el rendimiento de las muelas experimentales (relación G, MRR y menor consumo de energía) superó el de las muelas comparables en la mayoría de las pruebas de rectificado.

Además, en relación con las muelas comparables, las muelas experimentales proporcionaron una eficiencia de rectificado significativamente mayor en base a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficiencia de rectificado). Este resultado desafía la sabiduría convencional en la tecnología de abrasivos aglomerados de que una muela de grado superior que tiene más grano resistirá al desgaste y ofrecerá una mejor vida útil de la muela y eficiencia de rectificado que una muela más blanda.

Por lo tanto, podrían fabricarse y operarse de acuerdo con la invención muelas experimentales con suficiente resistencia mecánica para la aceptación comercial, pero con grados de dureza medibles comparablemente bajos y una porosidad interconectada comparablemente alta.

Ejemplo 10

muelas abrasivas

Las muestras de aglomerado A7 y A8 se utilizaron para hacer muelas abrasivas (tamaño final de 5,0 x 2,0 x 0,625 - borde de 1,5 pulgadas (12,7 x 5,08 x 1,59 - borde de 3,81 cm). Para las muelas abrasivas W12 y W13, se usó una muestra de aglomerado tamizada a un rango de distribución granulométrica de malla -10/+20. Para la muela abrasiva W14, se usó una muestra de aglomerado tamizada a un rango de distribución granulométrica de malla -14/+20. Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 7 anterior. Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron a una prueba de velocidad de 6308 rpm y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies. La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad en las muelas curadas) se describe en la tabla 10-1.

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La observación visual de las muelas experimentales curadas, como en los ejemplos 8 y 9 anteriores, demostró la migración del aglutinante hacia áreas vacías en la superficie o al interior de los aglomerados. El resultado neto fue la creación de una estructura compuesta que contiene una matriz abrasiva de grano/aglutinante dentro de una fase continua que consiste en una porosidad de naturaleza interconectada.

Estas muelas experimentales se probaron en una operación de rectificado de superficies y se encontró que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se probaron frente a la muela comparable descrita en la tabla 10-1 que se usa de manera comercial en operaciones de rectificado de superficies. La muela comparable tenía las mismas dimensiones granulométricas, el mismo grano abrasivo y tipos de aglutinante y, por lo demás, era adecuada para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero se fabricó sin aglomerados.

Las condiciones y los resultados de la prueba de rectificado se dan a continuación y en la tabla 10-2.

Condiciones de rectificado:

Máquina: Rectificadora de riel; potencia máxima 45 CV

Modo de rectificado: Rectificado frontal (prueba de simulación de disco)

Velocidad de la muela abrasiva: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg)

Velocidad de trabajo: 6 RPM (75,4 sfpm/0,383 m/s)

Tasa de alimentación: 0.0010 pulg/rev (0.0254 mm/rev), 0.0014 pulg/rev (0.0356 mm/rev), 0.0020 pulg/rev (0.0508 mm/s) y 0.0027 pulg/rev (0.0686 mm/rev)

Tiempo de rectificado: 15 minutos a cada velocidad de alimentación; 45 CV

Parada: 10 segundos

Refrigerante: Trim Clear, proporción del 2 % con agua de pozo desionizada

Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 1070 48 pulgadas DE (1,22 m) x 46,5 pulgadas DI (1,18 m) x 0,75 pulgadas (1,91 cm) borde, dureza Brinnell HB 302

Rectificado de la muela: ninguno

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Para las muelas abrasivas experimentales, la potencia consumida fue ligeramente mayor, pero el WWR fue significativamente menor que para las muelas abrasivas comparables. Se cree que si las muelas abrasivas experimentales se hubieran operado al MRR inferior utilizado para las muelas abrasivas comparables, las muelas abrasivas experimentales habrían consumido menos potencia.

Una vez más, en relación con las muelas comparables, las muelas experimentales proporcionaron una eficiencia de rectificado significativamente mayor en base a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficiencia de rectificado). Este resultado desafía la sabiduría convencional en la tecnología de abrasivos aglomerados de que una muela de grado superior resistirá al desgaste y ofrecerá una mejor vida útil de la muela y eficiencia de rectificado que una muela de menor grado (más blanda).

Ejemplo 11

Aglomerados de grano abrasivo/aglutinantes orgánicos

Se usaron varios materiales aglutinantes (como se describe en la tabla 11-1, a continuación) para preparar las muestras de granos abrasivos aglomerados A9-A13 (Tabla 7-1). Al igual que en el ejemplo 7 anterior, estos aglomerados se prepararon a partir de una mezcla de grano abrasivo, material aglutinante que contiene resina fenólica (resina Durez Varcum® 29-717, gravedad específica 1,28 g/cc, obtenida de Durez Corporation, Dallas TX), junto con el relleno enumerado en la tabla 11-1. El grano y los materiales aglutinantes se utilizaron en las cantidades descritas en la tabla 11-1. Todas las muestras se prepararon con grano abrasivo de alúmina fundida 38A tratada con silano, tamaño de grano 80, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE. UU.

El grano y el material aglutinante de resina se colocaron en el recipiente de un mezclador Eirich de alto cizallamiento (número de modelo RV-02 fabricado por Eirich Company, Gumee, IL). El mezclado se inició a una velocidad de recipiente fijada en 64 rpm y una velocidad de paleta fijada en 720 rpm. Durante el mezclado, se pulverizó en forma de niebla y a una velocidad controlada suficiente disolvente (furfural) sobre la mezcla de grano y el material aglutinante para hacer que los granos y el material aglutinante se aglomeraran juntos. La pulverización de disolvente sobre la mezcla se continuó solo hasta que los granos y el material aglutinante formasen aglomerados (es decir, pulverizando a una velocidad de 15-20 g/min durante 7 minutos en un lote que incluía 2,25 kg de grano junto con la cantidad de material aglutinante indicado en la tabla 11-1). La pulverización se llevó a cabo con un generador de refrigerante Tool Mist, obtenido de 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 en húmedo se tamizaron a través de un tamiz de malla estándar 3,5 estadounidense y se secaron durante la noche en condiciones ambientales. A continuación, las muestras se volvieron a cribar para producir una distribución de gránulos de -20/+45 y se extendieron en una sola capa sobre una bandeja para horno revestida de fluoropolímero (aproximadamente 45 x 30 cm). A continuación, los aglomerados se colocaron en un horno en condiciones atmosféricas, la temperatura se aumentó a una temperatura máxima de 160 °C y los aglomerados se mantuvieron a la temperatura máxima durante 30 minutos para curar el material aglutinante de resina. Los aglomerados curados se laminaron bajo una barra de acero de 1,5 pulgadas operada manualmente para rectificar parcialmente y separar los aglomerados más grandes en aglomerados más pequeños y luego se tamizaron hasta la distribución de tamaño deseada.

El rendimiento de los aglomerados de flujo libre utilizables, definidos como gránulos que tienen una distribución de tamaño de malla de -20 a 45 (tamaño de tamiz estándar de EE. UU.), fue de > 90 % en peso relativo al peso total de la mezcla de granos antes de la aglomeración.

Los aglomerados se sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta (LPD), la densidad relativa y la distribución granulométrica y se caracterizaron visualmente, antes y después de ser utilizados para fabricar herramientas abrasivas de rectificado. Los resultados se muestran en la tabla 7-1.

Estos aglomerados tenían una LPD, densidad relativa y características granulométricas adecuadas para su uso en la fabricación comercial de muelas abrasivas. Los aglomerados curados terminados tenían formas tridimensionales que variaban entre formas triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares, cilíndricas y otras formas geométricas. Los aglomerados consistían en una pluralidad de granos abrasivos individuales (p. ej., de 2 a 40 granos) unidos entre sí por material aglutinante de resina en los puntos de contacto de grano a grano. Las estructuras de los aglomerados eran lo suficientemente resistentes a la compactación para conservar un carácter tridimensional después de ser sometidas a operaciones de mezclado y moldeo con ruedas abrasivas (es decir, una porción insignificante, p. ej., < 20 % en peso, de los aglomerados se redujo a estructuras de granos abrasivos individuales durante el procesamiento de la rueda). Se observó que los aglomerados fabricados con una combinación de resina y materiales de relleno eran menos pegajosos y más fáciles de separar que los aglomerados fabricados con resina y sin relleno. Además, se necesitaban cantidades de disolvente ligeramente más pequeñas cuando se añadía relleno a la resina.

Por lo tanto, con modificaciones menores, los mismos métodos usados para hacer aglomerados con materiales aglutinantes de resina fenólica también podrían usarse para hacer aglomerados de granos abrasivos con materiales aglutinantes orgánicos cuando se hubieran agregado materiales de relleno inorgánicos (deseados para su incorporación en la muela abrasiva) a los materiales aglutinantes orgánicos.

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muelas abrasivas

Se utilizaron las muestras de aglomerado de la A9 a la A13 para hacer muelas abrasivas (tamaño final de 5,0 x 2,0 x 0,625 - borde de 1,5 pulgadas (12,7 x 5,08 x 1,59 - borde de 3,81 cm). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 7 anterior. Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron a una prueba de velocidad de 6308 rpm y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies. La composición de las muelas (incluido el porcentaje en volumen de abrasivo, de aglutinante y de porosidad en las muelas curadas) se describe en la tabla 11-2.

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Estas muelas experimentales se probaron en una operación de rectificado de superficies y se encontró que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se probaron contra las muelas comparables C5L, C5P y C5T descritas en la tabla 11-2, que son productos comerciales vendidos para su uso en operaciones de rectificado de superficies. Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, el mismo grano abrasivo y tipos de aglutinante y, por lo demás, eran adecuadas para evaluar las muelas experimentales en un estudio de rectificado de superficies, pero se fabricaron sin aglomerados. También se incluyeron en esta prueba de rectificado la muela experimental W5 y la muela comparable CLP de la tabla 8-1.

En una prueba posterior en condiciones de rectificado idénticas se probaron dos muelas comparables adicionales (C5D y C5J). Se fabricaron muelas comparables C5D y C5J de acuerdo con el método descrito para las muelas experimentales del ejemplo 7, excepto que se usaron las composiciones mostradas en la tabla 11-2 en lugar de las enumeradas en el ejemplo 7. Estas muelas abrasivas se fabricaron en grados de muela abrasiva más blandos (D y J) y se sometieron a pruebas para comparar el rendimiento de la muela abrasiva experimental con el de una muela abrasiva convencional con un grado correspondiente (es decir, el mismo o similar porcentaje en volumen de grano, aglutinante y porosidad). La clasificación de grado se realizó en función de la composición del aglutinante seleccionado para la muela abrasiva, junto con los porcentajes en volumen de grano abrasivo, aglutinante y porosidad en la muela abrasiva terminada. Las condiciones y los resultados de la prueba de rectificado se dan a continuación y en la tabla 11-2.

Condiciones de rectificado:

Máquina: Rectificadora de riel; potencia máxima 45 CV

Modo de rectificado: Rectificado frontal (prueba de simulación de disco)

Velocidad de la muela abrasiva: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 m/seg)

Velocidad de trabajo: 3 rpm; 37,7 sfpm/0,192 m/s

Tasa de alimentación: 0.0020 pulg/rev (0.0508 mm/s), 0.0027 pulg/rev (0.0686 mm/rev) y 0.004 pulg/rev (0.1016 mm/rev)

Tiempo de rectificado: 15 minutos a cada velocidad de alimentación

Parada: 10 segundos

Refrigerante: Trim Clear, proporción del 2 % con agua de pozo desionizada

Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 1070 48 pulgadas DE (1,22 m) x 46,5 pulgadas DI (1,18 m) x 0,75 pulgadas (1,91 cm) borde, dureza Brinnell HB 302

Rectificado de la muela: ninguno

Las muelas abrasivas experimentales demostraron una potencia ligeramente menor pero un WWR comparable que las muelas abrasivas comparables. Esto es una sorpresa dada la diferencia de grados (D versus L-T).

Una vez más, en relación con las muelas comparables, las muelas experimentales en general proporcionaron una eficiencia de rectificado significativamente mayor en base a la fracción de volumen de grano abrasivo (es decir, se necesita menos grano para proporcionar el mismo nivel de eficiencia de rectificado). La muestra C5J se ejecutó a tasas de MRR más altas, por lo que los datos para esta muela abrasiva son consistentes con la tendencia general. Las muestras C2P y W5D, probadas en una prueba de rectificado separada, muestran un mejor rendimiento que las muelas restantes, pero las diferencias entre las muelas experimentales y comparables son consistentes con la tendencia general. Estos resultados son contrarios a la sabiduría convencional en la tecnología de abrasivos aglomerados de que una muela de grado superior que tiene más grano resistirá al desgaste y ofrecerá una mejor vida útil de la muela y eficiencia de rectificado que una muela más blanda.

Por tanto, la invención podría fabricar muelas de rectificado experimentales que tengan suficiente resistencia mecánica para su aceptación comercial, pero con grados de dureza medibles comparablemente bajos, y que proporcionen un rendimiento de rectificado eficaz para fines comerciales.

Ejemplo 12

Aglomerados de grano abrasivo/aglutinantes vitrificados

Se usó un material aglutinante vitrificado (el material aglutinante A de la tabla 1-2) para preparar la muestra AV1 de grano abrasivo aglomerado. Los aglomerados se prepararon a partir de una mezcla de grano abrasivo y material aglutinante vitrificado mediante el método de calcinación rotatoria descrito en el ejemplo 1, excepto que se usó un 2,6 % en peso de material aglutinante A para fabricar los aglomerados de AV1 y el grano era un grano abrasivo de alúmina fundida 38A con tamaño de grano 80, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, EE. UU. Los aglomerados sinterizados se humedecieron con una solución acuosa al 2 % en peso de gamma-aminopropiltrietoxisilano (Witco Corporation, Friendly, West Virginia) (9,2 ml/lb en aglomerados de grano 80) para recubrir los aglomerados con silano, luego se secaron a 120 °C y se tamizaron para eliminar los grumos generados durante el tratamiento con silano.

El rendimiento de los aglomerados de flujo libre utilizables, definidos como gránulos que tienen una distribución de tamaño de malla de -20/+45 (tamaño de tamiz estándar de EE. UU.), fue de un 86 % en peso relativo al peso total de la mezcla de granos antes de la aglomeración. Los aglomerados de granos vitrificados se sometieron a pruebas para determinar la densidad aparente suelta (LPD = 1,04), la densidad relativa (0,268) y la distribución granulométrica (malla -20/+45) y se caracterizaron visualmente, antes y después de ser utilizados para fabricar herramientas abrasivas de rectificado.

Estos aglomerados tenían una LPD, densidad relativa y características granulométricas adecuadas para su uso en la fabricación comercial de muelas abrasivas. Los aglomerados curados terminados tenían formas tridimensionales que variaban entre formas triangulares, esféricas, cúbicas, rectangulares, cilíndricas y otras formas geométricas. Los aglomerados consistían en una pluralidad de granos abrasivos individuales (p. ej., de 2 a 40 granos) unidos entre sí por material aglutinante vitrificado en los puntos de contacto de grano a grano, junto con áreas vacías visibles. Las estructuras de los aglomerados eran lo suficientemente resistentes a la compactación para conservar un carácter tridimensional después de ser sometidas a operaciones de mezclado y moldeo con ruedas abrasivas (es decir, una porción insignificante, p. ej., < 20 % en peso, de los aglomerados se redujo a granos abrasivos individuales durante el procesamiento de la rueda).

Aglomerados de grano abrasivo/aglutinantes orgánicos

El grano abrasivo (grano 38A, tamaño de grano 80, obtenido de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA) y el material aglutinante de resina (material aglutinante E de la tabla 11-1) se colocaron en el recipiente de un Mezclador Eirich de alto cizallamiento (número de modelo R07 fabricado por Eirich Company, Gurnee, IL). El mezclado se inició a una velocidad de recipiente fijada en 460 rpm (en sentido horario) y una velocidad de paleta fijada en 890 rpm (en sentido antihorario). Durante el mezclado, se pulverizó en forma de niebla y a una velocidad controlada suficiente disolvente (furfural) sobre la mezcla de grano y el material aglutinante para hacer que los granos y el material aglutinante se aglomeraran juntos. La pulverización de disolvente sobre la mezcla se continuó solo hasta que los granos y el material aglutinante formasen aglomerados (es decir, pulverizando a una velocidad de 380-390 cc/min durante un total de 2,5 minutos en un lote que incluía 49,5 kg de grano junto con la cantidad de material aglutinante indicado en la tabla 12-1). La pulverización se llevó a cabo en un aparato de Spraying Systems (modelo AutoJet 38660 obtenido de Spraying Systems, Wheaton IL). El proceso de aglomeración se realizó en condiciones atmosféricas, a temperatura ambiente.

El aglomerado A14 se pasó dos veces a través de un transportador vibratorio de seis pies (Eriez Magnetics, número de modelo HS/115, Erie PA) para evaporar el disolvente. El aglomerado se colocó en un lecho con un grano abrasivo suelto (grano 80, 38A) a una razón de 1 parte de aglomerado y 2 partes de abrasivo suelto y luego se colocó en un horno (número de modelo VRD-1-90-1E de Despatch Industries, Minneapolis MN), bajo condiciones atmosféricas. La temperatura se aumentó a una temperatura máxima de 160 °C y los aglomerados se mantuvieron a la temperatura máxima durante 30 minutos para curar el material aglutinante de resina. Después del curado, el abrasivo suelto se separó de los aglomerados mediante el procedimiento de dimensionado final.

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El porcentaje en volumen de material aglutinante de los aglomerados curados se calculó asumiendo que no había porosidad interna ni pérdidas de mezclado.

muelas abrasivas

Las muestras de aglomerado AV1 y A14 se utilizaron para hacer muelas abrasivas (tamaño final de 5,0 x 2,0 x 0,625 - borde de 1,5 pulgadas (12,7 x 5,08 x 1,59 - borde de 3,81 cm). Las muelas abrasivas experimentales se fabricaron de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 7. Las muelas acabadas fueron sometidas a pruebas de seguridad de acuerdo con una prueba de velocidad practicada comercialmente para asegurar que las muelas tuvieran la suficiente resistencia mecánica para el movimiento de rotación cuando fuesen montadas en una máquina rectificadora y la suficiente resistencia mecánica para la operación de rectificado. Todas las muelas experimentales sobrevivieron a una prueba de velocidad de 6308 rpm y, por lo tanto, tenían suficiente resistencia mecánica para las operaciones de rectificado de superficies. La composición de las muelas (incluyendo el tipo y proporción de aglomerados, el porcentaje en volumen de abrasivo, aglutinante y porosidad en las muelas curadas) se describe en la tabla 12-2.

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La observación visual de las muelas experimentales curadas, como en el ejemplo 7 anterior, demostró la migración del aglutinante a las áreas vacías intraaglomerado. Se tomaron microfotografías (aumento de 46x) de las superficies de rectificado de la muela comparable C6L y la muela experimental W20D (Tabla 12-2). Estas imágenes aparecen como figuras 4 y 5. Puede verse en las figuras 4 (muela abrasiva comparable) y 5 (muela abrasiva experimental) que la porosidad (áreas más oscuras) en el material compuesto abrasivo de la invención existe como una fase continua de canales interconectados. El grano abrasivo y el aglutinante aparecen como una red reticulada en la que el grano abrasivo está anclado en los materiales aglutinantes orgánicos. Por el contrario, la muela abrasiva comparable tiene una estructura sustancialmente uniforme en la que la porosidad es apenas visible y aparece como una fase discontinua.

Estas muelas experimentales se probaron en una operación de rectificado de superficies y se encontró que eran adecuadas para uso comercial. Las muelas experimentales se probaron frente a las muelas comparables descritas en la tabla 12-2 que se usan de manera comercial en operaciones de rectificado de superficies. Se seleccionó un rango de grado de dureza Norton Grade de I a T para las muelas abrasivas comparables para confirmar un cambio de grado observado en las muelas abrasivas experimentales (es decir, un grado de dureza más bajo de las muelas abrasivas experimentales podría funcionar tan bien como un grado de dureza más alto de las muelas abrasivas convencionales). Las muelas comparables tenían las mismas dimensiones granulométricas, 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 se fabricaron sin aglomerados. Las condiciones y los resultados de la prueba de rectificado se dan a continuación y en la tabla 12-3.

Condiciones de rectificado:

Máquina: Rectificadora de riel; potencia máxima 45 CV

Modo de rectificado: Rectificado frontal (prueba de simulación de disco)

Velocidad de la muela abrasiva: 4202 rpm; 5500 pies de superficie por minuto (27,9 M/seg)

Velocidad de trabajo: 3 rpm; 37,7 sfpm/0,192 m/s

Tasa de alimentación: 0.0027 pulg/rev (0.0686 mm/rev) y 0.004 pulg/rev (0.1016 mm/rev) Tiempo de molido: 15 minutos a cada velocidad de alimentación Parada: 10 segundos

Refrigerante: Trim Clear, proporción del 2 % con agua de pozo desionizada

Material de la pieza de trabajo: Acero AISI 1070 48 pulgadas DE (1,22 m) x 46,5 pulgadas DI (1,18 m) x 0,75 pulgadas (1,91 cm) borde, dureza Brinnell HB 302

Rectificado de la muela: ninguno

Los resultados de la prueba demuestran que las muelas abrasivas experimentales que tienen un grado D o G en la escala de grado de dureza Norton funcionan de manera equivalente a las muelas abrasivas comparables que tienen un grado más duro de P a T. El rendimiento de las muelas experimentales fue particularmente sorprendente porque estas muelas contenían solo un 30 % en volumen de grano abrasivo, mientras que las muelas comparables contenían un 46 % en volumen de grano abrasivo. Por tanto, las muelas de la invención maximizan el rendimiento del rectificado de los granos individuales, aumentando el rendimiento del grano en una cantidad significativa.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Una herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) que es una herramienta abrasiva compuesta que comprende una primera parte (601) y una segunda parte (603) unidas entre sí,

la primera parte (601) que comprende un compuesto tridimensional de

(a) un 22-46 % en volumen de granos abrasivos aglomerados con un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico; y

(b) un 40-68 % en volumen de porosidad interconectada;

en el que la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupaciones espaciales irregulares dentro del material compuesto tridimensional;

comprendiendo la segunda parte (603) un abrasivo aglomerado que comprende un material aglutinante inorgánico; en el que la herramienta a base de abrasivos aglomerados tiene un valor de módulo elástico de 12-36 GPa y una velocidad de rotura mínima de 20,32 m/s (4000 sfpm).

2. La herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) de la reivindicación 1, en la que la primera parte (601) comprende una permeabilidad a los fluidos, y en la que la segunda parte (603) comprende una permeabilidad a los fluidos, y en la que la primera parte (601) comprende una permeabilidad a los fluidos que es al menos un 10 % más alta que la permeabilidad a los fluidos de la segunda parte (603).

3. La herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) de la reivindicación 1, en la que la primera parte (601) comprende un grado abrasivo que es diferente del grado abrasivo de la segunda parte (603).

4. La herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) de la reivindicación 3, en la que la primera parte (601) comprende un grado entre A y M en la escala de grados de Norton Company y la segunda parte (603) comprende un grado entre B y N en la escala de grados de Norton Company, comprendiendo la primera parte (601) un grado al menos un grado más blando que la segunda parte (603).

5. La herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) de la reivindicación 1, en la que la primera parte (601) comprende al menos aproximadamente el 50 % en volumen de los granos abrasivos en forma de una pluralidad de granos aglomerados junto con un aglutinante inorgánico, y en la que no más de aproximadamente un 50 % en volumen de los granos abrasivos de la segunda parte (603) están aglomerados.

6. La herramienta a base de abrasivos aglomerados (600) de la reivindicación 5, en la que la segunda parte (603) comprende granos abrasivos esencialmente no aglomerados y uniformemente dispersos dentro de un material aglutinante.

7. Un método para el rectificado profundo que comprende los pasos de:

(a) proporcionar una muela abrasiva a base de abrasivos aglomerados (600) que es una herramienta abrasiva compuesta que comprende una primera parte (601) y una segunda parte (603) aglutinadas entre sí, la primera parte (601) que comprende un compuesto tridimensional de

(i) un 22-46 % en volumen de granos abrasivos aglomerados con un 4-20 % en volumen de material aglutinante inorgánico; y

(ii) un 40-68 % en volumen de porosidad interconectada;

en el que la mayoría de los granos abrasivos están presentes como agrupaciones espaciales irregulares dentro del material compuesto tridimensional;

comprendiendo la segunda parte (603) un abrasivo aglomerado tridimensional que comprende un material aglutinante inorgánico; en el que la muela a base de abrasivos aglomerados tiene un valor de módulo elástico de 12-36 GPa y una velocidad de rotura mínima de 20,32 m/s (4000 sfpm).

(b) montar la muela abrasiva aglomerada en una máquina de rectificado profundo;

(c) girar la muela abrasiva; y

(d) poner una superficie de rectificado de la muela en contacto con una pieza de trabajo durante un período de tiempo suficiente para rectificar la pieza de trabajo;

mediante el cual la muela elimina el material de la pieza de trabajo a una velocidad de eliminación de material efectiva, y tras el rectificado la pieza de trabajo está sustancialmente libre de daños térmicos,

y en el que el paso (d) comprende además poner en contacto la primera parte (601) y la segunda parte (603) con la pieza de trabajo durante un período de tiempo suficiente para completar una operación de rectificado en ángulo y rectificar una parte de la pieza de trabajo.