LU91109A1 - articles abrasifs poreux avec des abrasifs agglomérés et procédé de fabrication des abrasifs agglomérés. - Google Patents

articles abrasifs poreux avec des abrasifs agglomérés et procédé de fabrication des abrasifs agglomérés. Download PDF

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Description

ARTICLES ABRASIFS POREUX AVEC DES ABRASIFS AGGLOMERES ET
PROCEDE DE FABRICATION DES ABRASIFS AGGLOMERES
L’invention concerne des articles abrasifs agglomérés ou des outils de rectification rendus poreux par l’utilisation de certains grains abrasifs agglomérés et des procédés de fabrication de grains abrasifs agglomérés.
Les outils de rectification sont fabriqués en une variété de qualités ou de structures déterminées par le pourcentage relatif en volume de grains abrasifs, de liant et de porosité à l’intérieur d’une matrice composite de grains abrasifs. Dans de nombreuses opérations de rectification, la porosité de l’outil de rectification, particulièrement la porosité de nature perméable ou interconnectée améliore l’efficacité de l’opération de rectification et la qualité de la pièce à usiner qui est rectifiée. Des inducteurs de pores, tels que l’alumine ventilée et le naphtalène, peuvent être ajoutés aux mélanges abrasifs composites pour permettre le rectification sous pression et la manipulation d’un article poreux abrasif non traité et pour produire une porosité adéquate en pourcentage en volume dans l’outil final.
La porosité naturelle provenant du tassement des grains abrasifs et des particules de liant durant le moulage sous pression est insuffisante pour atteindre un caractère de porosité qui est souhaitable pour certaines opérations de rectification. Les inducteurs de pores ont été ajoutés pour atteindre des pourcentages élevés de porosité, cependant, des canaux ouverts ou une porosité interconnectée ne peuvent être atteints avec les inducteurs de pores connus dans le métier (par exemple, sphères creuses en céramique ou en verre). Certains inducteurs de pores doivent être éliminés par calcination de la matière abrasive (par exemple, coques de noix et naphtalène), donnant lieu à des difficultés variées de fabrication. En outre, les densités des inducteurs de pores, des matériaux liants et des grains abrasifs varient de manière significative, provoquant souvent la stratification du mélange abrasif durant la manipulation et le moulage, et, en retour, une perte d’homogénéité dans la structure à trois dimensions de l’article abrasif fini.
Le pourcentage en volume de la porosité interconnectée, ou de la perméabilité des fluides, a été découvert comme étant un déterminant plus significatif de la performance de rectification des articles abrasifs que simplement la porosité en pourcentage en volume. Le brevet US numéro A-5 738 696 délivré à Wu mentionne un procédé de fabrication d’abrasifs agglomérés utilisant des grains abrasifs allongés ayant un rapport d’aspect d’au moins 5:1. Les meules abrasives agglomérées ont une structure perméable contenant 55 à 80 %, en volume, de porosité interconnectée. La porosité interconnectée permet l’taux d'enlèvement de matière des débris de rectification (copeaux) et le passage du fluide de refroidissement à l’intérieur de la meule durant la rectification. L’existence de la porosité interconnectée est confirmée par la mesure de la perméabilité de la meule à l’écoulement d’air sous des conditions contrôlées. Les grains abrasifs filamenteux ne sont pas agglomérés ou sinon enrobés de liant avant l’assemblage de la meule. Le brevet US numéro A 5 738 697 délivré à Wu mentionne des meules de perméabilité élevée ayant une quantité significative de porosité interconnectée (40 à 80 % en volume). Ces meules sont fabriquées à partir d’une matrice de particules fibreuses ayant un rapport d’aspect d’au moins 5:1. Les particules fibreuses peuvent être des grains abrasifs d’alumine frittés sol gel ou des grains abrasifs ordinaires, non fibreux mélangés à des matériaux variés, fibreux, de charge tels que fibre céramique, fibre de polyester, fibre de verre et des mats et des agglomérats construits avec des particules de fibres. Les grains abrasifs filamenteux ne sont pas agglomérés ou sont différemment enrobés de liant avant l’assemblage de la meule.
Le grain abrasif a été aggloméré à des fins variées, principalement parmi elles pour permettre l’utilisation d’une taille plus petite de particule (grain) pour atteindre la même efficacité de rectification qu’une taille plus grande de grain abrasif. Dans de nombreux cas le grain abrasif a été aggloméré avec des matériaux liants pour obtenir une structure moins poreuse et un outil de rectification plus dense, et ayant des grains abrasifs plus fortement agglomérés.
Il a été rapporté que les grains abrasifs agglomérés améliorent l’efficacité de rectification par l’intermédiaire de mécanismes entièrement non liés à la quantité ni au caractère de porosité de l’article abrasif.
Le brevet US numéro-A-2 194 472 délivré à Jackson mentionne des outils abrasifs enrobés fabriqués avec des agglomérats d’une multitude de grains abrasifs relativement fins et l’un quelconque des liants normalement utilisés dans les outils abrasifs enrobés ou agglomérés. Des liants organiques sont utilisés pour faire adhérer les agglomérats au support des abrasifs enrobés. Les agglomérats prêtent une face d’enrobage ouverte aux abrasifs enrobés fabriqués avec des grains relativement fins. Les abrasifs enrobés fabriqués avec les agglomérats à la place de grains abrasifs individuels sont caractérisés comme étant à découpe relativement rapide, de longue durée de vie et appropriés à la préparation d’une fine qualité de fini de surface dans la pièce à usiner.
Le brevet US numéro-A-2 216 728 délivré à Benner mentionne des grains abrasifs/agrégats agglomérés fabriqués à partir de n’importe quel type de liant. L’objet des agrégats est d’atteindre des structures de meule très denses pour retenir le diamant ou le grain CBN durant les opérations de rectification. Si les agrégats sont fabriqués avec une structure poreuse, alors c’est aux fins de permettre aux matériaux liants inter-agrégats de s’écouler à l’intérieur des pores des agrégats et de rendre pleinement dense la structure durant la calcination. Les agrégats permettent l’utilisation de charges de grains abrasifs autrement perdues dans la production.
Le brevet US numéro A-3 046 482 délivré à Hurst mentionne des microsegments abrasifs taillés de grains abrasifs agglomérés et de matériaux organiques liants sous la forme de pyramides ou d’autres formes effilées. Les micro-segments abrasifs taillés adhèrent à un support fibreux et utilisé pour fabriquer des abrasifs enrobés et pour revêtir la surface de meules fines. L’invention est caractérisée comme produisant une durée de coupe plus longue, une flexibilité contrôlée de l’outil, une résistance élevée et une sécurité de vitesse, une action résiliente, et une action de découpe fortement efficace par rapport aux outils fabriqués sans micro-segments à grains abrasifs agglomérés.
Le brevet numéro-A-3 982 359 délivré à Elbel enseigne la formation d’agrégats de liant de résine et de grains abrasifs ayant une dureté supérieure à celle du liant de résine utilisé pour agglomérer les agrégats à l’intérieur d’un outil abrasif. Des vitesses de rectification plus grandes et une plus longue durée de vie sont obtenues dans les meules en caoutchouc aggloméré contenant les agrégats.
Le brevet US numéro-A-4 355 489 délivré à Heyer mentionne un article abrasif (meule, disque, courroie, feuille, bloc et similaires) fabriqué à partir d’une matrice de filaments ondulés agglomérés ensemble à des points de contact manuel et d’agglomérats abrasifs, ayant un volume de vides d’environ 70 à 97 %. Les agglomérats peuvent être fabriqués à partir de liants vitrifiés ou de résine et d’un quelconque grain abrasif.
Le brevet US No.-A-4 364 746 délivré à Bitzer mentionne des outils abrasifs comprenant différents agglomérats abrasifs ayant différentes résistances. Les agglomérats sont fabriqués à partir de grains abrasifs et de liants de résine, et peuvent contenir d’autres matériaux, tels que fibres en morceau, pour ajouter de la résistance ou de la dureté.
Le brevet US numéro-A-4 393 021 délivré à Eisenberg, et al., mentionne un procédé de fabrication d’agglomérats abrasifs à partir de grain abrasif et d’un liant de résine utilisant une toile de crible et qui roule une pâte du grain et du liant à travers la toile pour fabriquer des extrusions sous forme de ver. Les extrusions sont durcies par chauffage et ensuite concassées pour former des agglomérats.
Le brevet US numéro-A4 799 939 délivré à Bloecher enseigne des agglomérats de grain abrasif pouvant être érodés, des corps creux et un liant organique et l’utilisation de ces agglomérats dans des abrasifs enrobés et des abrasifs agglomérés. L'enlèvement plus grand de matière, la durée de vie prolongée et l’utilité dans des conditions de rectification à l’état humide sont revendiquées pour les articles abrasifs comprenant les agglomérats. Les agglomérats sont de préférence de 150 à 3 000 microns dans leur dimension la plus grande. Pour fabriquer les agglomérats, les corps creux, le grain, le liant et l’eau sont mélangés sous la forme d’une suspension, la suspension est solidifiée par la chaleur ou par rayonnement pour éliminer l’eau, et le mélange solide est concassé dans un broyeur à mâchoires ou à cylindre et cribleé.
Le brevet US numéro-A-5 129 189 délivré à Wetscher mentionne des outils abrasifs ayant une matrice à liant de résine contenant des conglomérats de grain abrasif et de résine et des matériaux de charge, tel que de la cryolite.
Le brevet US numéro-A-5 651 729 délivré à Benguerel enseigne une meule ayant une âme et un bord abrasif fabriqué à partir d’un liant en résine et d’agglomérats concassés de diamant ou de grain abrasif CBN avec un liant métallique ou céramique. Les bénéfices déclarés des meules fabriquées avec les agglomérats comprennent des espaces mortes élevées de deux copeaux, la résistance élevée à l’usure, des caractéristiques d’autoaiguisage, une résistance mécanique élevée de la meule et la capacité de lier directement le bord abrasif à l’âme de la meule. Dans un mode de réalisation, les bords de rectification utilisés de diamant ou de CBN agglomérés sont concassés à une taille de 0,2 à 3 mm pour former les agglomérats.
Le brevet US numéro-AA-4 311 489 délivré à Kressner mentionne des agglomérats de grain abrasif fin (< 200 microns) et de cryolite, éventuellement avec un liant de silicate, et leur utilisation dans la fabrication d’outils abrasifs enrobés.
Le brevet US numéro-A-4 541 842 délivré à Rostoker mentionne des abrasifs enrobés et des meules abrasives fabriquées avec des agrégats de grain abrasif et d’une mousse fabriquée à partir d’un mélange de matériaux liants vitrifiés avec d’autres matières premières, telles que du noir de carbone ou des carbonates, appropriés au moussage durant la calcination des agrégats. Les « pastilles » d’agrégats contiennent un plus grand pourcentage de liant que de grain sur une base de pourcentage en volume. Les pastilles utilisées pour fabriquer les meules abrasives sont frittées à 900°C (à une densité de 70 Ibs/pied carré ; 1,134 g/cm3) et le liant vitrifié utilisé pour fabriquer la meule est calciné à 880°C. Les meules fabriquées avec 16 % en volume de pastilles effectuaient le rectification avec une efficacité similaire à celle de meules comparatives fabriquées avec 46 % en volume de grain abrasif. Les pastilles contiennent des cellules ouvertes à l’intérieur de la matrice à liant vitrifié, avec les grains abrasifs relativement plus petits groupés autour du périmètre des cellules ouvertes. Un four rotatif est mentionné pour calciner les agrégats crus pré-agglomérés en mousse ultérieure ou subséquente et fritter pour fabriquer les pastilles.
Le brevet US numéro-5 975 988 délivré à Christianson mentionne des articles abrasifs enrobés incluant un support et une couche abrasive agglomérée organique où l’abrasif est présent sous la forme de pyramides tronquées à quatre côtés ou de cubes. Les agglomérats sont fabriqués à partir de grains super-abrasifs agglomérés dans un liant inorganique ayant un coefficient d’expansion thermique qui est le même ou qui est substantiellement le même qu’un coefficient d’expansion thermique de grain abrasif.
Le brevet WO 00/51788 délivré à Stoetzel, et al., mentionne des articles abrasifs ayant un support, un liant organique contenant des particules inorganiques dures dispersées à l’intérieur de celui-ci, et des agglomérats de particules abrasives agglomérées au support. Les particules abrasives dans les agglomérats et les particules inorganiques dures dans le liant organique sont essentiellement de la même taille. Les agglomérats peuvent être taillés de manière aléatoire ou précise et sont fabriqués avec un liant organique. Les particules inorganiques dures peuvent être n’importe lesquelles de nombreuses particules de grain abrasif.
Le brevet US-6 086 467 délivré à Imai, et al., mentionne des meules qui contiennent des grains et des motifs de grain abrasifs de grains de charge ayant une plus petite taille que le grain abrasif. Le liant vitrifié peut être utilisé et le grain de charge peut être de l’oxyde de chrome. La taille des motifs de grain est de 1/3 ou supérieure à la taille du grain abrasif. Les bénéfices incluant une érosion contrôlée du liant et une rétention du grain abrasif dans des applications de rectification de forces faibles utilisant un grain superabrasif dans lequel le grain superabrasif peut être dilué pour réduire les forces de rectification. Les motifs de grain de charge peuvent être formés avec de la cire. Aucun frittage des motifs n’est mentionné.
Le brevet WO 01/04227 A2 délivré à Adefris, et al., mentionne un article abrasif qui comprend un support rigide et des composites abrasifs en céramique fabriqués à partir de particules abrasives dans une matrice céramique poreuse. Les composites sont maintenus au support avec un enrobage métallique, tel qu’un métal électrodéposé.
Aucun de ces développements de l’art antérieur ne suggère la fabrication d’articles abrasifs utilisant du grain abrasif aggloméré, poreux, et des particules liantes pour réguler le pourcentage et le caractère de porosité et pour maintenir la porosité sous la forme d’une porosité perméable, interconnectée dans les articles abrasifs agglomérés. Aucune suggestion n’est effectuée concernant l’utilisation d’un procédé par appareil de cuisson rotatif pour fabriquer une variété d’agglomérats de grains abrasifs pour l’utilisation dans les articles abrasifs. Les procédés et les outils de l’invention produisent de nouvelles structures à partir de mélanges agglomérés de grains abrasifs existants et de combinaisons liantes, et ils sont sophistiqués en ce qu’ils permettent la conception et la fabrication contrôlées de larges gammes de structures d’articles abrasifs ayant des caractéristiques de porosité bénéfique, bi-modale, interconnectée. Une telle porosité bi-modale, interconnectée renforce la performance de l’outil abrasif, particulièrement dans les zones de grand contact, les opérations de rectification de précision, telles que rectification de surface à passe profonde unique, rectification de diamètre interne et procédés de rectification d’outillage.
L’invention est un outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 5 à 75 % en volume d’agglomérats frittés, comprenant une multitude de grains abrasifs maintenus à l’aide d’un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion située entre 500 et 1 400°C et les agglomérats frittés ayant une forme à trois dimensions et une distribution granulométrique initiale avant la fabrication de l’outil b) un liant ; et c) environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité connectée ; dans lequel au moins 50 % en poids, des agglomérats frittés à l’intérieur de l’outil abrasif aggloméré retiennent une multitude de grains abrasifs maintenus en une forme à trois dimensions après la fabrication de l’outil.
Dans un autre mode de réalisation, l’invention inclut un outil abrasif aggloméré, vitrifié, a) environ 5 à 75 % en volume d’agglomérats frittés d’une multitude de grains abrasifs avec un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une viscosité A à la température de fusion du matériau agglomérant ; b) un liant vitrifié caractérisé par une viscosité B à la température de fusion du matériau agglomérant, la viscosité B étant au moins de 33 % inférieure à la viscosité A ; et c) une porosité d’environ 35 à 80 % en volume, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée.
L’invention inclut en outre un outil abrasif aggloméré, vitrifié, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 5 à 60 % en volume d’agglomérats frittés d’une multitude de grains abrasifs avec un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion A ; b) un liant vitrifié, caractérisé par une température de fusion B, la température de fusion B étant au moins 150°C inférieure à la température de fusion A ; et c) une porosité d’environ 35 à 80 % en volume, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée.
Dans encore un autre aspect de l’invention, l’outil est un outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 34 à 56 % en volume de grains abrasifs ; b) environ 3 à 25 % en volume de liant ; et c) environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée ; dans lequel la porosité interconnectée a été créée sans l’addition de milieux d’induction de pores et sans l’addition de matériaux de forme allongée ayant un rapport de forme longueur sur largeur transversale d’au moins 5:1.
L’invention inclut en outre des procédés de fabrication des agglomérats et des outils de l’invention.
L’invention inclut un procédé d’agglomération de grains abrasifs, comprenant les étapes : a) d’alimentation du grain et d’un matériau agglomérant, choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux liants vitrifiés, de matériaux vitrifiés, de matériaux en céramique, de liants inorganiques, de liants organiques, d’eau, de solvants et de combinaisons de ceux-ci, à l’intérieur d’un four rotatif de calcination à une vitesse d’alimentation contrôlée ; b) de rotation du four à une vitesse contrôlée ; c) de chauffage du mélange à une vitesse de chauffage déterminée par la vitesse d’alimentation et la vitesse du four à des températures d’environ 145 à 1 300°C, d) de mise en rotation du grain et du matériau agglomérant dans le four jusqu’à ce que le matériau agglomérant adhère au grain et qu’une multitude de grains adhèrent les uns aux autres pour créer une multitude d’agglomérats frittés ; et e) de récupération des agglomérats frittés du four.
L’invention inclut également des agglomérats frittés de grains abrasifs, fabriqués par l’intermédiaire d’un procédé comprenant les étapes : a) d’alimentation du grain abrasif avec un matériau agglomérant à l’intérieur d’un four rotatif de calcination à une vitesse d’alimentation contrôlée ; b) de rotation du four à une vitesse contrôlée ; c) de chauffage du mélange à une vitesse de chauffage déterminée par la vitesse d’alimentation et la vitesse du four à des températures d’environ 145 à 1 300°C, d) de mise en rotation du grain et du matériau agglomérant dans le four jusqu à ce que le matériau agglomérant adhère au grain et qu’une multitude de grains adhèrent les uns aux autres pour créer une multitude d’agglomérats frittés ; et e) de récupération des agglomérats frittés du four, moyennant quoi les agglomérats frittés ont une forme initiale à trois dimensions, une densité de tassement en vrac < 1,6 g/cm3 et comprennent une multitude de grains abrasifs.
En utilisant ce procédé, un outil abrasif, comprenant 5 à 75 % en volume d’agglomérats de grains abrasifs, est fabriqué par l’intermédiaire d’un procédé comprenant les étapes : a) d’alimentation des grains abrasifs et d’un matériau agglomérant, choisis parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux liants vitrifiés, de matériaux vitrifiés, de matériaux en céramique, de liants inorganiques, de liants organiques et de combinaisons de ceux-ci, à l’intérieur d’un four rotatif de calcination à une vitesse d’alimentation contrôlée ; b) de rotation du four à une vitesse contrôlée ; c) de chauffage du mélange à une vitesse de chauffage déterminée par la vitesse d’alimentation et la vitesse du four à des températures d’environ 145 à 1 300°C ; d) de mise en rotation du mélange dans le four jusqu’à ce que le matériau agglomérant adhère aux grains et qu’une multitude de grains adhèrent les uns aux autres pour créer une multitude d’agglomérats frittés ; e) de récupération des agglomérats frittés du four, les agglomérats frittés étant constitués d’une multitude de grains abrasifs agglomérés par le matériau agglomérant ayant une forme initiale à trois dimensions et une densité de tassement en vrac < 1,6 g/cm3 ; f) de moulage des agglomérats frittés en un corps composite mis en forme ; et g) de traitement thermique du corps composite mis en forme pour donner l’outil abrasif.
Les procédés de rectification utilisant les outils abrasifs de l’invention, en particulier, les procédés de rectification de surface, sont également mentionnés.
La figure 1 est un dessin schématique d’un four rotatif pour conduire le procédé de fabrication des agglomérats de grains abrasifs de l’invention.
La figure 2 est une photomicrographie d’une section transversale d’une meule abrasive de l’invention fabriquée avec des grains agglomérés (zones plus claires des photos), et ayant une porosité intra-agglomérats (zones plus foncées plus petites de la photo) et inter-agglomérats, la porosité interconnectée (zones plus sombres de la photo).
La figure 3 est une photomicrographie d’une section transversale d’une meule abrasive comparative de l’art antérieur, montrant l’absence de grains agglomérés et l’absence de grande porosité interconnectée dans la structure de la meule.
Les agglomérats de grains abrasifs de l’invention sont des structures ou des granules à trois dimensions incluant des composites poreux frittés de grains abrasifs et de matériau agglomérant. Les agglomérats ont une densité de tassement en vrac (LPD) < 1,6 g/cm3, une dimension moyenne d’environ 2 à 20 fois la taille moyenne du grain abrasif, et une porosité d’environ 30 à 88 % en volume. Les agglomérats de grains abrasifs ont de préférence une valeur minimale de résistance à l’écrasement de 0,2 MPa.
Le grain abrasif peut inclure un ou plusieurs grain(s) abrasif(s) connu(s) pour l’utilisation dans les outils abrasifs, tels que les grains d’alumine, incluant l’alumine fondue, frittée et l’alumine frittée sol gel, la bauxite frittée, et similaires, le carbure de silicium, l’alumine-zircone, l’aluminoxynitrure, l’oxyde de cérium, le sous-oxyde de bore, le grenat, le silex, le diamant, incluant le diamant naturel et synthétique, le nitrure de bore cubique (CBN), et les combinaisons de ceux-ci. Toutes formes ou tailles de grain abrasif peuvent être utilisées. Par exemple, le grain peut comprendre des grains d’alumine sol gel frittés, allongés ayant un rapport d’aspect élevé du type de celui mentionné dans le brevet US n° 5 129 919.
Les tailles de grain appropriées pour l’utilisation dans la présente invention s’étendent des grains abrasifs ordinaires (par exemple, supérieures à 60 jusqu’à 7 000 microns) aux grains microabrasifs (par exemple, 0,5 à 60 microns), et aux mélanges de ces tailles. Pour une opération donnée de rectification abrasive, il peut être souhaitable d’agglomérer un grain abrasif avec une taille de grain inférieure à celle d’une taille de grain de grain (non aggloméré) abrasif normalement choisie pour cette opération de rectification abrasif. Par exemple, l’abrasif aggloméré de taille de grain 80 peut être substitué par l’abrasif de grain 54, le grain aggloméré de 100 par l’abrasif de grain 60 et le grain aggloméré de 120 par l’abrasif de grain 80.
Les tailles préférées d’agglomérat fritté pour les grains abrasifs typiques s’étendent d’environ 200 à 3 000, plus préférablement 350 à 2 000, de manière préférée entre toutes 425 à 1 000 micromètres de diamètre moyen. Pour le grain microabrasif, les tailles préférées d’agglomérat fritté s’étendent de 5 à 180, plus préférablement de 20 à 150, de manière préférée entre toutes de 70 à 120 micromètres de diamètre moyen.
Le grain abrasif est présent à environ 10 à 65 % en volume, plus préférablement 35 à 55 % en volume, et de manière préférée entre toutes 48 à 52 % en volume de l’agglomérat.
Les matériaux agglomérants utiles dans la fabrication des agglomérats incluent de préférence les matériaux céramiques et vitrifiés, de préférence du type de ceux utilisés comme systèmes liants pour les outils abrasifs agglomérés, vitrifiés. Ces matériaux agglomérés, vitrifiés peuvent être un verre pré-calciné broyé en une poudre (une fritte), ou un matériau de plusieurs matières premières telles que argile, feldspath, chaux, borax, et carbonate de sodium, ou une combinaison de matières frittées et de matières brutes. De tels matériaux fondent et forment une phase vitreuse liquide à dans températures s’étendant d’environ 500 à 1 400°C et mouillent la surface du grain abrasif pour créer des tiges liantes au moment du refroidissement, maintenant ainsi le grain abrasif à l’intérieur d’une structure composite. Des exemples de matériaux agglomérants appropriés à l’utilisation dans les agglomérats sont donnés dans le tableau 2, ci-dessous. Les matériaux agglomérants préférés sont caractérisés par une viscosité d’environ 345 à 55 330 poises à 1 180°C, et par une température de fusion d’environ 800 à 1 300°C.
Dans un mode de réalisation préféré, le matériau agglomérant est une composition liante, vitrifiée comprenant une composition d’oxydes calcinés de 71 % en poids de S1O2 et de B2O3, 14 % en poids d’AfeOa, moins de 0,5 % en poids d’oxydes alcalino-terreux et 13 % en poids d’oxydes alcalins.
Le matériau agglomérant peut également être un matériau céramique incluant, mais sans être limité à, la silice, les alcalis, les alcalino-terreux, les silicates mixtes d’alcali et d’alcalino-terreux, les silicates d’aluminium, les silicates de zirconium, les silicates hydratés, les aluminates, les oxydes, les nitrures, les oxynitrures, les carbures, les oxycarbures et les combinaisons et dérivés de ceux-ci. En général, les matériaux céramiques diffèrent des matériaux vitreux ou vitrifiés en ce que les matériaux céramiques comprennent des structures cristallines. Certaines phases vitreuses peuvent être présentes en association avec des structures cristallines, particulièrement dans les matériaux céramiques sous un état non raffiné. Les matériaux céramiques en un état brut, tels que les argiles, les ciments et les minéraux, peuvent être utilisés dans la présente invention. Des exemples de matériaux céramiques spécifiques appropriés pour l’utilisation en la présente invention incluent, mais ne sont pas limités, à la silice, aux silicates de sodium, à la mullite et aux autres aluminosilicates, à la zircone-mullite, à l’aluminate de magnésium, au silicate de magnésium, aux silicates de zirconium, au feldspath et aux autres alcali-alumino-silicates, aux spinelles, à l’aluminate de calcium, à l’aluminate de magnésium et aux autres aluminates alcalins, à l’oxyde de zirconium, à l’oxyde de zirconium stabilisé avec du trioxyde de diyttrium, à l’oxyde de magnésium, à l’oxyde de calcium, à l’oxyde de cérium, à l’oxyde de titane ou aux autres additifs de terres rares, au talc, à l’oxyde de fer, à l’oxyde d’aluminium, à la bohémite, à l’oxyde de bore, à l’oxyde de cérium, à l’oxyde d’aluminium-oxynitrure, au nitrure de bore, au nitrure de silicium, au graphite et aux combinaisons de ces matériaux céramiques.
Le matériau agglomérant est utilisé sous la forme en poudres et peut être ajouté à un véhicule liquide pour assurer un mélange uniforme, homogène du matériau agglomérant avec le grain abrasif durant la fabrication des agglomérats.
Une dispersion des liants organiques est de préférence ajoutée aux composants de matériaux agglomérants en poudres tels que moulage ou auxiliaires de transformation. Ces liants peuvent comprendre les dextrines, l’amidon, la colle de protéine d'origine animale, et d’autres types de colles ; un composant liquide, tel que l’eau, un solvant, des modificateurs de viscosité ou de pH ; et des auxiliaires de mélange. L’utilisation de liants organiques améliore l’uniformité des agglomérats particulièrement l’uniformité de la dispersion du matériau liant sur le grain, et la qualité structurelle des agglomérats pré-calcinés ou bruts, ainsi que l’outil abrasif calciné contenant les agglomérats. Du fait que les liants s’éliminent par combustion durant la cuisson des agglomérats, ils ne deviennent pas des parties intégrantes de l’agglomérat fini ni de l’outil abrasif fini.
Un promoteur d’adhérence inorganique peut être ajouté au mélange pour améliorer l’adhérence des matériaux agglomérants aux grains abrasifs tel que nécessaire pour améliorer la qualité du mélange. Le promoteur inorganique d’adhérence peut être utilisé avec ou sans un liant organique dans la préparation des agglomérats.
Bien que les matériaux agglomérants fondant à température élevée soient préférés dans les agglomérats de l’invention, le matériau agglomérant peut également comprendre d’autres liants inorganiques, liants organiques, matériaux liants organiques, matériaux liants métalliques et des combinaisons de ceux-ci. Les matériaux agglomérants utilisés dans l’industrie de l’outil abrasif pour servir de liants pour les abrasifs organiques agglomérés, les abrasifs enrobés, les abrasifs agglomérés métalliques et similaires sont préférés.
Le matériau agglomérant est présent environ en 0,5 à 15 % en volume, plus préférablement 1 à 10 % en volume et de manière préférée entre toutes 2 à 8 % en volume de l’agglomérat.
Le pourcentage préféré en volume de porosité à l’intérieur de l’agglomérat est aussi élevé techniquement que possible à l’intérieur des limitations de résistance mécanique des agglomérats nécessaire à la fabrication d’un outil abrasif et de rectification avec celui-ci. La porosité peut s’étendre de 30 à 88 % en volume, de préférence 40 à 80 % en volume et de manière préférée entre toutes de 50 à 75 % en volume. Une partie (par exemple, jusqu’à environ 75 % en volume) de la porosité à l’intérieur des agglomérats est de préférence présente comme porosité interconnectée, ou porosité perméable à l’écoulement des fluides, incluant les liquides (par exemple, fluide de refroidissement du rectification et copeaux) et air.
La densité des agglomérats peut être exprimée de nombreuses manières. La masse volumique apparente des agglomérats peut être exprimée comme le LPD. La densité relative dans la masse volumique relative des agglomérats peut être exprimée comme un pourcentage de la densité relative initiale, ou comme un rapport de la densité relative des agglomérats par rapport aux composants utilisés pour fabriquer les agglomérats, en prenant en compte le volume de porosité interconnectée dans les agglomérats.
La densité moyenne initiale, exprimée sous la forme d’un pourcentage, peut être calculée en divisant la LPD (p) par une densité théorique des agglomérats (po), en faisant l’hypothèse d’une porosité nulle. La densité théorique peut être calculée en fonction des règles volumétriques des procédés de mélange à partir du pourcentage en poids et de la densité du matériau agglomérant et du grain abrasif contenu dans les agglomérats. Pour les agglomérats frittés de l’invention, un pourcentage maximum de densité est de 50 % en volume, avec un pourcentage maximum de densité de 30 % en volume étant plus apprécié.
La densité peut être mesurée par une technique volumique de déplacement de fluide afin d’inclure la porosité interconnectée et d’exclure la porosité des cellules fermées. La densité est le rapport du volume de l’agglomérat fritté mesuré par déplacement de fluide sur le volume des matériaux employés pour fabriquer les agglomérats frittés. Le volume des matériaux utilisés pour fabriquer les agglomérats est une mesure du volume apparent basé sur les quantités et les densités de tassement du grain abrasif et du matériau liant utilisé pour fabriquer les agglomérats. Pour les agglomérats frittés de l’invention, une densité maximale des agglomérats frittés est de préférence 0,7, avec une densité maximale de 0,5 étant plus appréciée.
Les agglomérats peuvent être formés selon une variété de techniques en des tailles et formes nombreuses. Ces techniques peuvent être conduites avant, pendant ou après la cuisson du mélange du stade initial (« cru ») du grain et du matériau agglomérant. L’étape de chauffage du mélange pour faire fondre et s’écouler le matériau agglomérant, faisant adhérer ainsi le matériau agglomérant au grain et fixant le grain en une forme agglomérée est désignée par cuisson, calcination ou frittage. Tous procédés connus dans le métier pour agglomérer des mélanges de particules peuvent être utilisés pour préparer les agglomérats abrasifs.
Dans un premier mode de réalisation du procédé utilisé dans ce présent document pour fabriquer les agglomérats, le mélange initial de grains et de matériaux agglomérants est aggloméré avant la cuisson du mélange afin de créer une structure mécanique relativement faible désignée par « agglomérat cru » ou « agglomérat pré-cuit ».
Pour conduire le premier mode de réalisation, le grain abrasif et les matériaux agglomérants peuvent être agglomérés en l’état cru selon de nombreuses techniques différentes, par exemple, dans un granulateur à plateau, et ensuite alimenté dans un appareil rotatif de calcination pour le frittage. Les agglomérats crus peuvent être placés sur un plateau ou une grille et cuits au four, sans mise en rotation, en un procédé continu ou discontinu.
Le grain abrasif peut être convoyé à l'intérieur d'un lit fluidisé, ensuite humidifié avec un liquide contenant le matériau agglomérant pour faire adhérer le matériau agglomérant au grain, trié pour la taille des agglomérats, et ensuite cuit dans un four ou dans un appareil de calcination.
La granulation en plateau peut être conduite en ajoutant le grain à un bol mélangeur, et en mesurant un composant liquide contenant le matériau agglomérant (par exemple, de l’eau, ou du liant organique et de l’eau) sur le grain, avec mélange, pour les agglomérer ensemble. Une dispersion liquide du matériau agglomérant, éventuellement avec un liant organique, peut être pulvérisée sur le grain, et ensuite le grain enrobé peut être mélangé pour former les agglomérats.
Un appareil d’extrusion à basse pression peut être utilisé pour extruder une pâte de grains et de matériau agglomérant en des tailles et des formes qui sont séchées pour former les agglomérats. Une pâte peut être fabriquée à partir des matériaux agglomérants et du grain avec une solution liante organique et extrudée en des particules allongées avec l’appareil et les procédés mentionnés dans le brevet US-A-4 393 021.
Dans un procédé de granulation à sec, une feuille ou un bloc fabriqué(e) à partir de grains abrasifs enchâssés dans une dispersion ou une pâte du matériau agglomérant peut être séché(e) et ensuite un compacteur à cylindre peut être utilisé pour concasser le composite de grain et de matériau agglomérant.
Dans un autre procédé de fabrication d’agglomérats crus ou précurseurs, le mélange du matériau agglomérant et du grain peut être ajouté à un dispositif de moulage et le mélange moulé sous des formes et des tailles précises, par exemple, à la manière mentionnée dans le brevet US n0o6 217 413 B1.
Dans un second mode de réalisation du procédé utile dans le présent document pour fabriquer les agglomérats, un mélange simple du grain et du matériau agglomérant (éventuellement avec un liant organique) est alimenté dans un appareil rotatif de calcination du type présenté dans la figure 1. Le mélange est mis en rotation à un tr/min prédéterminé, avec également une inclinaison prédéterminée avec application de chaleur. Les agglomérats sont formés alors que le mélange de matériau agglomérant chauffe, fond, s’écoule et adhère au grain. Les étapes de cuisson et d’agglomération sont conduites simultanément à des vitesses et des volumes d’alimentation et d’application de chaleur contrôlée. La vitesse d’alimentation est généralement fixée pour produire un écoulement occupant grossièrement 8 à 12 %, en volume, du tube (c’est-à-dire, la portion du four) de l’appareil rotatif de calcination. L’exposition maximale à la température à l’intérieur de l’appareil est choisie pour maintenir la viscosité des matériaux agglomérants en un état liquide à une viscosité d’au moins environ 1 000 poises. Ceci évite un écoulement excessif du matériau agglomérant sur la surface du tube et une perte de matériau agglomérant à partir de la surface du grain abrasif.
Un appareil rotatif de calcination du type illustré dans la figure 1 peut être utilisé pour conduire le procédé d’agglomération pour agglomérer et cuire les agglomérats en une unique étape de procédé. Tel que montré dans la figure 1, une trémie d’alimentation (10) contenant le mélange charge d’alimentation (11) des matériaux agglomérants et du grain abrasif est alimentée à l’intérieur d’un moyen (12) de mesure du mélange dans un tube chauffant creux (13). Le tube (13) est positionné sous un angle d’inclinaison (14) d’approximativement 0,5 à 5,0 degrés de sorte que la charge d’alimentation (11) peut être alimentée par gravité à l’intérieur du tube creux (13). Simultanément, le tube creux (13) est mis en rotation dans le sens de la flèche (a) à un niveau de vitesse contrôlé pour mettre en rotation la charge d’alimentation (11) et le mélange chauffé (18) au fur et à mesure qu’il passe dans la longueur du tube creux.
Une portion du tube creux (13) est chauffée. Dans un mode de réalisation, la portion chauffante peut comprendre trois zones chauffantes (15, 16, 17) ayant une dimension en longueur (d1) de 60 pouces (152 mm) dans la longueur (d2) de 120 pouces (305 mm) du tube creux (13). Les zones chauffantes permettent à l’opérateur de réguler la température de transformation et de la faire varier tel que nécessaire pour fritter les agglomérats. Dans d’autres modèles d’appareil, le tube creux peut seulement comprendre une ou deux zones chauffante(s), ou il peut comprendre plus de trois zones chauffantes. Bien que non illustré en figure 1, l’appareil est équipé d’un dispositif de chauffage et de commande mécanique, électronique et de température et de dispositifs de détection fonctionnels pour conduire le procédé thermique. Comme cela peut être observé dans la coupe transversale du tube creux (13), la charge d’alimentation (11) est transformée en un mélange chauffé (18) à l’intérieur du tube et elle sort du tube et est recueillie sous la forme de granules d’agglomérats (19). La paroi du tube creux a une dimension de diamètre interne (d3) qui peut s’étendre de 5,5 à 30 pouces (14 à 76 mm) et un diamètre (d4) qui peut s’étendre de 6 à 36 pouces (15 à 91 mm), en fonction du modèle et du type de matériau utilisé pour construire le tube creux (par exemple, alliage de métal réfractaire, brique réfractaire, carbure de silicium, mullite).
L’angle d’inclinaison du tube peut s’étendre de 0,5 à 5,0 degrés et la rotation du tube peut fonctionner à 0,5 à 10tr/min. La vitesse d’alimentation d’un appareil de calcination rotatif à petite échelle peut s’étendre d’environ 5 à 10 kg/heure, et une vitesse d’alimentation d’échelle de production industrielle peut s’étendre d’environ 227 à 910 kg/heure. L’appareil de calcination rotatif peut être chauffé à une température de frittage de 800 à 1 400°C, et le matériau alimenté peut être chauffé à une vitesse allant jusqu’à 200°C/minute au fur et à mesure que la charge d’alimentation entre dans la zone chauffée. Le refroidissement survient dans la dernière portion du tube alors que la charge d’alimentation se déplace à partir d’une zone chauffée vers une zone non chauffée. Le produit est refroidi, par exemple, avec un système de refroidissement hydraulique, à la température ambiante et recueilli.
Des machines appropriées de calcination rotatives peuvent être obtenues auprès de Harper International, Buffalo, New York, ou de Alstom Power, Inc., Applied Test Systems, Inc. et d’autres fabricants d’équipements. L’appareil peut être équipé éventuellement de dispositifs électroniques, de régulation et de détection en cours de procédé, d’un système de refroidissement, de modèles variés d’appareil d’alimentation et d’autres dispositifs facultatifs.
Lors de l’agglomération du grain abrasif avec des matériaux agglomérants à traitement à températures inférieures (par exemple, d’environ de 145 à environ 500°C), un mode de réalisation alternatif de cet appareil four rotatif peut être utilisé. Le mode de réalisation alternatif, un séchoir rotatif, est équipé pour fournir de l’air chauffé à l’extrémité d’évacuation du tube pour chauffer le mélange de grain abrasif, traiter le matériau agglomérant, le lier au grain, et de là agglomérer le grain abrasif alors qu’il est recueilli de l’appareil. Tel qu’utilisé dans le présent document, le terme « four rotatif de calcination » inclut de tels dispositifs de séchoir rotatif.
Dans un troisième mode de réalisation du procédé utile dans le présent document pour fabriquer les agglomérats, un mélange du grain abrasif, des matériaux agglomérants et d’un système liant organique est alimenté dans un four, sans pré-agglomération et chauffé. Le mélange est chauffé à une température suffisamment élevée pour entraîner la fonte, l’écoulement et l’adhérence du matériau agglomérant au grain, ensuite refroidi pour fabriquer un composite. Le composite est concassé et trié pour fabriquer les agglomérats frittés.
Dans le quatrième mode de réalisation, les agglomérats ne sont pas frittés avant de fabriquer l’outil abrasif, plutôt les agglomérats « crus » sont moulés avec le matériau liant pour former un corps d’outil et le corps est cuit pour former l’outil abrasif. Dans un mode préféré de réalisation de ce procédé, un matériau agglomérant, vitrifié de viscosité élevée (formant un liquide lorsqu’il est fondu) est utilisé pour agglomérer le grain en l’état cru. Les grains crus sont séchés au four et mélangés avec une seconde composition liante, vitrifiée, de préférence de viscosité inférieure, et ils sont moulés sous la forme d’un outil abrasif cru. Cet outil cru est cuit à une température efficace pour faire fondre, mais pour éviter l’écoulement, du matériau agglomérant, vitrifié, de viscosité élevée. La température de cuisson est choisie pour être suffisamment élevée pour faire fondre la composition de matériau agglomérant en un verre ; agglomérant de là le grain, et faisant s’écouler la composition liante, liant les agglomérats et formant l’outil. Il n’est pas essentiel de choisir des matériaux de viscosités différentes et des matériaux avec des températures de fusion différentes pour conduire ce procédé. D’autres combinaisons de matériaux agglomérants et de matériaux liants connus dans le métier peuvent être utilisées dans cette technique pour fabriquer les outils abrasifs à partir d’agglomérats a l’état cru.
Les outils abrasifs agglomérés de l’invention incluent des meules abrasives, des meules segmentées, des disques, des pierres à aiguiser, des pierres et d’autres composites abrasifs taillés monolithiques, ou segmentés. Les outils abrasifs de l’invention comprennent environ 5 à 75 % en volume, de préférence 10 à 60 % en volume, de manière préférée entre toutes 20 à 52 % en volume d’agglomérats de grain abrasif.
Dans un mode de réalisation préféré, les outils abrasifs, agglomérés, vitrifiés comprennent environ 3 à 25 % en volume, plus préférablement 4 à 20 % en volume, et de manière préférée entre toutes 5 à 19 % en volume de liant. Conjointement aux agglomérats de grain abrasif et de liant, ces outils comprennent environ 35 à 80 % en volume de porosité, cette porosité incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée, de préférence 55 à 80 % en volume de porosité, cette porosité incluant au moins 50 % en volume de porosité interconnectée. Les outils abrasifs, agglomérés, vitrifiés peuvent comprendre 35 à 52 % en volume d’agglomérats frittés, 3 à 13 % en volume de liant vitrifié et 35 à 70 % en volume de porosité.
La quantité de porosité interconnectée est déterminée en mesurant la perméabilité de l’outil aux fluides conformément au procédé du brevet US n° -A-5 738 696. Tel qu’utilisé ci-inclus, Q/P = la perméabilité aux fluides d’un outil abrasif, où Q signifie la vitesse d’écoulement exprimée en cm3 d’écoulement d’air, et P signifie la pression différentielle. Le terme Q/P représente le différentiel de pression mesuré entre la structure de l’outil abrasif et l’atmosphère à une vitesse d’écoulement donnée d’un fluide (par exemple, air). Cette perméabilité Q/P relative est proportionnelle au produit du volume des pores et au carré de la taille des pores. Les tailles des pores plus grandes sont préférées. La géométrie des pores et la taille du grain abrasif sont d’autres facteurs influençant Q/P, avec la plus grande taille de grain produisant la perméabilité relative la plus élevée.
Les outils abrasifs de l’invention sont caractérisés par des valeurs supérieures de perméabilité aux fluides à celles d’outils comparables de l’art antérieur. Tel qu’utilisé dans le présent document, les « outils comparables de l’art antérieur » sont ces outils fabriqués avec le même grain abrasif et matériaux liants à la même porosité et aux mêmes pourcentages en volume de liant que ceux de l’invention. En général, les outils abrasifs de l’invention ont des valeurs de perméabilité aux fluides d’environ 30 à 100 % supérieures aux valeurs d’outils abrasifs comparables de l’art antérieur. Les outils abrasifs sont de préférence caractérisés par des valeurs de perméabilité aux fluides d’au moins 10 % supérieures, plus préférablement d’au moins 30 % supérieures, à celles d’outils comparables de l’art antérieur.
Les paramètres relatifs exacts de perméabilité aux fluides pour des tailles et des formes particulières d’agglomérats, des types de liant et des niveaux de porosité peuvent être déterminés par le praticien en appliquant la loi de D’Arey à des données empiriques pour un type donné d’outil abrasif.
La porosité à l’intérieur de la meule provient de l’espacement ouvert proposé par la densité naturelle de compactage des composants de l’outil, particulièrement les agglomérats abrasifs, et, éventuellement, par l’ajout de milieux classiques d’induction de pores. Les milieux appropriés d’induction de pores incluent, mais ne sont pas limités, aux sphères creuses de verre, aux coques de noix broyées, aux sphères ou aux billes creuses de matériau plastique ou de composés organiques, aux particules en verre cellulaire, à la mullite ventilée et à l’alumine ventilée, et aux combinaisons de ceux-ci. Les outils peuvent être fabriqués avec des inducteurs de pores à cellules ouvertes, tels que les billes de naphtalène, ou aux autres granules organiques qui brûlent durant la cuisson de l’outil pour laisser des espaces vides à l’intérieur de la matrice de l’outil, ou ils peuvent être fabriqués avec des milieux d’induction de pores creux, à cellules fermées (par exemple, les sphères en verre creux). Les outils abrasifs préférés de l’invention soit ne contiennent pas de milieux d’induction de pores, soit contiennent une quantité mineure de milieux d’induction de pores ajoutés efficaces pour produire un outil abrasif avec un niveau de porosité incluant au moins 30 % en volume est une porosité interconnectée.
Les outils abrasifs agglomérés de l’invention ont une structure poreuse. Dans cette structure, le diamètre moyen des agglomérats frittés est inférieur ou égal à la dimension moyenne de la porosité interconnectée lorsque la porosité interconnectée est mesurée à un point d’ouverture maximum.
Les outils finis contiennent éventuellement des grains abrasifs secondaires ajoutés, des charges, des auxiliaires de broyage et des milieux d’induction de pores, et des combinaisons de ces matériaux. Le pourcentage total en volume de grain abrasif dans les outils (grain aggloméré et non-aggloméré) peut s’étendre d’environ 34 à environ 56 % en volume, plus préférablement d’environ 36 à environ 54 % en volume, et de manière préférée entre toutes d’environ 36 à environ 46 % en volume de l’outil. Les outils abrasifs agglomérés ont de préférence une densité d’au moins 2,2 g/cm3.
Lorsqu’un grain abrasif est utilisé en combinaison avec les agglomérats abrasifs, les agglomérats proposent de préférence d’environ 5 à environ 100 % en volume du grain abrasif total de l’outil et plus préférablement d’environ 30 à environ 70 % en volume de l’abrasif total dans l’outil. Lorsque de tels grains abrasifs secondaires sont utilisés, ces grains abrasifs proposent de préférence d’environ 0,1 à environ 95 % en volume du grain abrasif total de l’outil, et plus préférablement, d’environ 30 à environ 70 % en volume. Les grains abrasifs secondaires appropriés incluent, mais ne sont pas limités, aux oxydes d’aluminium variés, à l’alumine sol gel, à la bauxite frittée, au carbure de silicium, à l’alumine-zircone, à l’aluminoxynitrure, à l'oxyde de cérium, au sous-oxyde de bore, au nitrure de bore cubique, au diamant, aux grains de grenat et de silex, et aux combinaisons de ceux-ci.
Les outils abrasifs de la présente invention sont de préférence agglomérés avec un liant vitreux. Tous les liants variés connus dans le métier de la fabrication des outils abrasifs peuvent être choisis pour l’utilisation dans la présente invention. Des exemples de liants appropriés peuvent être trouvés dans les brevets US nos 4 543 107 ; 4 898 597 ; 5 203 886 ; 5 401 284 ; 5 536 283 ; 5 095 665 ; 5 863 308 ; et 5 094 672, qui sont par le présent document incorporés en référence.
Après cuisson, ces compositions liantes vitreuses incluent de préférence, mais ne sont pas limitées à une combinaison des oxydes suivants : S1O2, AI2O3, Na20, L12O et B2O3. D’autres oxydes, tels que K2O, ZnO, ZrC>2 et les oxydes alcalino-terreux, tels que CaO, MgO et BaO, peuvent être présents. De l’oxyde de cobalt (CoO) et d’autres sources colorantes peuvent être inclus lorsqu’il est souhaité une couleur de liant. D’autres oxydes, tels que Fe203, Ti02 et P2O5, et d’autres composés existant sous la forme d’impureté dans les matières premières peuvent être inclus dans le liant. Des frittes peuvent être utilisées en plus des matières premières (ou non cuites) liantes, ou à la place des matières premières liantes. Les matières premières pour le liant peuvent inclure l’argile, le kaolin, l’alumine, le carbonate de lithium, le borax pentahydraté ou l’acide borique, le carbonate de sodium commercial, le silex et la wollastonite, et de tels autres matériaux liants tels que connus dans le métier. Le liant vitrifié peut être un matériau vitreux ou un matériau céramique, avec ou sans régions amorphes.
Les liants organiques sont de préférence ajoutés à des composants liants en poudre, frittés ou bruts, sous la forme d’auxiliaires de moulage ou de transformation. Ces liants peuvent inclure les dextrines, l’amidon, la colle protéique d’origine animale et d’autres types de colle, un composant liquide, tel que l’eau, des agents de modification de la viscosité ou du pH et des auxiliaires de mélange. L’utilisation de liants améliore l’uniformité de la meule et la qualité structurelle de la meule pressée à cru ou pré-cuite et de la meule cuite. Du fait que les liants sont brûlés durant la cuisson, ils ne deviennent pas partie intégrante du liant fini ou de l’outil abrasif.
Un promoteur inorganique d’adhérence peut être ajouté au mélange pour améliorer l’adhérence des liants vitreux aux agglomérats de grain abrasif tel que nécessaire durant les procédés de mélange et de moulage. Le promoteur inorganique d’adhérence peut être utilisé avec ou sans liant organique dans la préparation des agglomérats.
Pour certains des agglomérats, l’outil abrasif peut être fabriqué sans matériau liant ajouté, à condition que suffisamment de matériau liant soit présent dans l’outil pour produire les propriétés appropriées de résistance mécanique dans l’outil abrasif durant la fabrication de l’outil et l’utilisation de l’outil dans les opérations de broyage. Par exemple, un outil abrasif peut être construit à partir d’au moins 70 % en volume d’agglomérat, ayant une teneur en matériau liant d’au moins 5 % en volume de l’agglomérat.
La densité et la dureté des outils abrasifs sont déterminées par le choix des agglomérats, le type de liant et d’autres composants de l’outil, le niveau de porosité, conjointement à la taille et au type de moule et de procédé de presse choisis.
Les meules abrasives peuvent être moulées et pressées par l’intermédiaire de tous moyens connus dans le métier, incluant les techniques de pressage très chaudes, chaudes et à froid. Un soin doit être pris dans la sélection de la pression de moulage pour former les meules crues pour éviter le broyage d’une quantité excessive d’agglomérats de grain abrasif (par exemple, plus de 50 % en poids, des agglomérats) et pour préserver la structure à trois dimensions des agglomérats. La pression maximale appliquée, appropriée pour la fabrication des meules de l’invention dépend de la forme, de la taille, de l’épaisseur et du composant liant de la meule abrasive, et de la température de moulage. Dans les procédés courants de fabrication, la pression maximale peut s’étendre d’environ 3 100 à 20 000 pbs/pouce carré (218 à 1 406 kg/cm2). Le moulage et le pressage sont de préférence conduits à environ 775 à 1 550 kg/cm2, plus préférablement à 465 à 1 085 kg/cm2. Les agglomérats de l’invention ont une résistance mécanique suffisante pour supporter les étapes de moulage et de pressage conduites dans les procédés typiques de fabrication commerciale pour fabriquer des outils abrasifs.
Les meules abrasives peuvent être cuites selon des procédés connus des personnes expérimentées du métier. Les conditions de cuisson sont principalement déterminées par le liant et les abrasifs réels utilisés, et par le type de matériau agglomérant contenu dans l’agglomérat de grain abrasif. En fonction de la composition chimique du liant choisi, un liant vitrifié peut être cuit à 600 à 1 250°C, de préférence 850 à 1 200°C, pour proposer les propriétés mécaniques nécessaires pour broyer les métaux, céramiques ou autres matériaux. Le corps aggloméré vitrifié peut en outre être également imprégné après cuisson d’une manière classique avec un auxiliaire de broyage, tel que le soufre, ou avec un véhicule, tel que la résine époxy, pour conduire un auxiliaire de broyage à l’intérieur des pores de la meule.
Le choix du liant vitrifié approprié dépendra du procédé d’agglomération qui est utilisé et du fait qu’une température de fonte ou de fusion ou qu’un différentiel de viscosité doit être maintenu entre le liant et le matériau agglomérant de l’agglomérat.
Dans la fabrication d’une meule agglomérée vitrifiée ou d’autres outils abrasifs à partir des agglomérats abrasifs, une technique parmi plusieurs techniques générales peut être choisie. Dans la première, un matériau agglomérant vitrifié, de température de cuisson relativement supérieure (par exemple, qui fond au-dessus d’environ 1 000°C), est appliqué pour agglomérer le grain. Ensuite une seconde composition liante vitrifiée, de température de cuisson inférieure (par exemple, qui fond à environ 650 à 975°C), en poudre, est mélangée aux agglomérats de grain et moulée sous la forme d’un outil abrasif. L’outil à l’étape crue est cuit à la température de cuisson inférieure du second matériau liant pour créer un outil abrasif fini. Dans un mode de réalisation préféré, le liant vitrifié a une température de cuisson du liant d’au moins 150°C inférieure à la température de fonte ou de fusion de l’outil agglomérant.
Dans la seconde technique, les différentiels de viscosité entre les verres fondus en leur état liquide sont exploités pour utiliser la même température de cuisson pour fabriquer l’agglomérat et cuire la meule abrasive. Un matériau agglomérant vitrifié de viscosité élevée est utilisé pour agglomérer le grain en une première étape de cuisson. Ensuite les agglomérats cuits sont mélangés avec une seconde composition liante vitrifiée de viscosité inférieure, et moulés sous la forme d’un outil abrasif cru. L’outil moulé peut être cuit environ à la même température que la température de la première étape de cuisson utilisée pour fabriquer les agglomérats, du fait que lorsqu’il est en un état liquide chaud, le matériau agglomérant ne sera pas excessivement éclairci et ne laissera pas le grain s’échapper. La configuration originale à trois dimensions de l’agglomérat peut être ainsi maintenue.
Dans un mode de réalisation préféré de cette technique, la viscosité du liant vitrifié à la température de fusion du matériau agglomérant est au moins 33 % inférieure à la viscosité du matériau agglomérant à sa température de fusion. Ainsi, lorsque la viscosité du matériau agglomérant est environ de 345 à 55 300 poises à 1 180°C, le matériau liant vitrifié préféré est caractérisé par une viscosité d'environ 30 à 37 000 poises à 1 180°C.
Dans la troisième technique, un matériau agglomérant de température de cuisson intermédiaire (par exemple d'environ 850-975°C) est utilisé pour agglomérer le grain, mais l'agglomération est effectuée à une température supérieure à la température de fonte ou de fusion du matériau agglomérant (par exemple, 1000 à 1 200°C). les agglomérats sont mélangés avec le même matériau agglomérant que celui utilisé comme composition liante vitrifiée et le mélange est moulé sous la forme d'un outil abrasif cru. L'outil cru est cuit à une température inférieure (par exemple, environ 850 à 975°C) à la température utilisée pour faire fondre le matériau agglomérant pour agglomérer le grain. La température inférieure est efficace pour lier les agglomérats ensemble. Ce procédé maintient la structure à trois dimensions des agglomérats du fait que la première couche de matériau agglomérant ne s'écoule pas à la température de cuisson de l'outil abrasif.
Dans une quatrième technique, on utilise la même composition pour servir de matériau agglomérant et de liant pour la meule et on conduit l’agglomération et la cuisson à la même température. En théorie on considère que du fait que le matériau agglomérant a été fondu pour former un verre qui a adhéré au grain abrasif durant l’agglomération, les propriétés des matériaux agglomérants ont été modifiées. Ainsi, le matériau agglomérant fondu à l’intérieur des agglomérats frittés s’écoule à une température supérieure à celle du matériau liant non fondu, et les agglomérats maintiennent leur forme au moment où la meule est en cours de cuisson. Dans un mode de réalisation préféré la composition utilisée pour le matériau agglomérant et le liant contient certains matériaux bruts et ne consiste pas en une composition vitreuse frittée.
Dans une cinquième technique de fabrication des outils abrasifs vitrifiés, l’outil est fabriqué sans matériau liant ajouté. Les agglomérats sont tassés à l’intérieur d’un moule pour outils, pressés et cuits à une température située dans la gamme d’environ 500 à 1 400°C pour former l’outil. Les matériaux agglomérants utilisés pour fabriquer les agglomérats comprennent une composition liante vitrifiée et le matériau agglomérant est présent en une quantité suffisante dans l’agglomérat (par exemple, environ 5 à 15 % en volume de l’agglomérat) pour lier les agglomérats ensemble dans l’outil abrasif vitrifié fini.
Les agglomérats peuvent être agglomérés avec tout type connu de liants, tel que les liants organiques ou de résine et les liants métalliques, connus dans le métier de la fabrication des outils abrasifs agglomérés. La gamme de pourcentage en volume pour les agglomérats appropriés pour l’utilisation dans les outils abrasifs vitrifiés est également satisfaisante pour les outils agglomérés métallique et organique. Les outils agglomérés organiques et métalliques comprennent habituellement des pourcentages en volume de liant supérieurs et des pourcentages en volume de porosité inférieurs à ceux des outils agglomérés vitrifiés, et la teneur en grains abrasifs peut être supérieure. Les outils agglomérés organiques et métalliques peuvent être mélangés, moulés et traités ou frittés selon des procédés de transformation variés, et avec des proportions variées de grains abrasifs ou d’agglomérats, de liants et de composants de porosité tels que connus dans le métier. Les agglomérats de l’invention peuvent être utilisés en outils agglomérés métalliques à simple couche, ainsi qu’en outils monolithiques, de structures à trois dimensions, multicouches, et outils abrasifs à matrice segmentée tels que connus dans le métier.
Les outils abrasifs de l’invention incluent des meules, des disques, des pierres à aiguiser et des pierres et des bâtonnets et ils sont particulièrement efficaces dans les applications de rectification ayant une grande surface de contact entre l’outil abrasif et la pièce à usiner. De telles applications ou opérations de rectification incluent, mais ne sont pas limitées aux rectifications à passe profonde unique et autre rectifications de précision des surfaces, aux opérations de rectification d’outillage poreux, aux opérations de rectification de diamètre interne et au rectification de surface fine des céramiques et autres pièces à travailler cassantes.
Des opérations fines de rectification ou de polissage utilisant un grain abrasif de la taille du micron ou du sous-micron bénéficieront de l’utilisation des outils fabriqués avec les agglomérats de l’invention. Par rapport aux outils et systèmes classiques de superfinition ou de polissage, les outils de l’invention fabriqués avec de tels agglomérats abrasifs de grain fin s'éroderont à des forces de rectification inférieures avec peu ou aucun dégât de surface de la pièce à usiner durant les opérations de finissage de précision (par exemple, pour produire des finis miroir sur des composants vitreux et céramiques). La durée de vie demeure satisfaisante due aux structures agglomérées, particulièrement dans les outils simple couche, mais également dans les outils à suspension épaisse et à matrice à trois dimensions.
' Dans la rectification et le meulage de précision, la friabilité des agglomérats contribue à un plus petit nombre de cycles de surfaçage. Dû à la porosité interconnectée des outils, l’approvisionnement en fluide de refroidissement et l’élimination des débris sont renforcés résultant en des opérations de rectification plus froides, à moins de dégât thermique des pièces à travailler et à moins d’usure des machines de rectification. Du fait de la taille plus petite des grains, les grains abrasifs sous la forme agglomérée donnent une efficacité de rectification d’un grain de taille de grain plus grande, mais laissent un fini de surface plus doux, la qualité de base de la pièce à usiner s’améliore souvent de manière significative.
Les exemples suivants sont proposés aux fins d’illustration de l’invention, et non à des fins de limitation.
Exemple 1
On a préparé une série d’échantillons de grains abrasifs agglomérés dans un appareil de calcination rotatif (modèle à cuisson électrique # HOU-5D34-RT-28, température maximale de 1 200°C, entrée 30 KW, équipé d’un tube métallique réfractaire de diamètre interne 5,5" (14 cm), 72" (183 cm) de long, fabriqué par Harper International, Buffalo, New York). On a remplacé le tube métallique réfractaire par un tube en carbure de silicium des mêmes dimensions, et on a modifié l’appareil de sorte qu’il fonctionne à une température maximale de 1 550°C. On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, à une valeur de réglage du contrôle de la température de la zone chaude de 1 180°C, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 9 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 à 3 degrés, et une vitesse d’alimentation en matériau de 6 à 10 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré en figure 1. Le rendement des granules utilisables à écoulement libre (définies comme -12mesh sur plateau) était de 60 à 90 % du poids total de la charge d’alimentation avant calcination.
On fabriquait des échantillons d’agglomérats à partir d’un simple mélange de grains abrasifs, de matériau agglomérant et des mélanges aqueux décrits dans le tableau 1-1. Les compositions de matériaux agglomérants vitrifiés utilisées pour préparer les échantillons sont listées dans le tableau 2. On a préparé les échantillons à partir de trois types de grains abrasifs : alumine fondue 38A, alumine fondue 32A et grains Norton SG d’alpha-alumine frittée sol gel, obtenus auprès de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA, dans les tailles de grain listées dans le tableau 1.
Après agglomération dans l’appareil de calcination rotatif, les échantillons de grains abrasifs agglomérés étaient triés et testés concernant leur densité de tassement en vrac (LPD), leur distribution granulométrique et la résistance des agglomérats. Ces résultats sont montrés dans le tableau 1.
Tableau 1-1 Caractéristiques des granules agglomérés
Figure LU91109A1D00331
Figure LU91109A1D00341
j ( < < r α Le pourcentage en volume de matériau agglomérant est un pourcentage des matières solides à l’intérieur de la granule (c'est à dire, matériau agglomérant et grain) après cuisson, et n’inclut pas le pourcentage en volume de porosité.
On a calculé le pourcentage en volume de matériau agglomérant des agglomérats cuits en utilisant la LOI (loss of ignition - perte d’ignition) moyenne en matières premières du matériau agglomérant.
On a calibré les agglomérats frittés avec des cribles de test aux normes des E-U montés sur un appareil vibrant de criblage (Ro-Tap ; modèle RX-29 ; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH). Les dimensions de maille du crible s’étendaient de 18 à 140, tel qu’approprié pour les différents échantillons. On a mesuré la densité de tassement en vrac des agglomérats frittés (LPD) par l’intermédiaire du mode opératoire American National Standard pour les Bulk Density of Abrasive Grains.
La densité relative initiale moyenne, exprimée sous la forme d’un pourcentage, était calculée en divisant la LPD (p) par une densité théorique des agglomérats (po), en faisant l’hypothèse d’une porosité nulle. On a calculé la densité théorique conformément aux règles volumétriques des procédés de mélange à partir du pourcentage en poids et de la densité du matériau agglomérant et du grain abrasif contenu dans les agglomérats.
On a mesuré la résistance des agglomérats par l’intermédiaire d’un test de compactage. On a effectué les tests de compactage en utilisant une filière lubrifiée en acier de un pouce (2,54 cm) de diamètre sur une machine de test universel Instron® (modèle MTS 1125, 20 000 livres (9 072 kg)) avec un échantillon d’agglomérat de 5 grammes. On a versé l’échantillon d’agglomérat dans la filière et on a légèrement mis à niveau par un tapotement de l’extérieur de la filière. On insérait un poinçon par le haut et une traverse s’abaissait jusqu’à ce qu’une force (« position initiale ») soit observée sur l’appareil d’enregistrement. La pression à la vitesse constante d’augmentation (2 mm/min) était appliquée à l’échantillon jusqu’à un maximum de 180 MPa de pression. Le volume de l’échantillon d’agglomérats (la LPD compactée de l’échantillon), observé sous la forme d’un déplacement de la traverse (la contrainte), était enregistré sous la forme de la densité relative comme une fonction du logarithme de la pression appliquée. On criblait ensuite le matériau résiduel pour déterminer la fraction broyée en pourcentage. On mesurait différentes pressions pour établir un graphe de la relation entre le logarithme de la pression appliquée et la fraction broyée en pourcentage. Les résultats sont rapportés dans le tableau 1 sous la forme du logarithme de la pression au point où la fraction broyée équivaut à 50 pour cent en poids de l’échantillon d’agglomérats. La fraction broyée est le rapport du poids des particules broyées passant à travers le plus petit crible par rapport au poids du poids initial de l’échantillon.
Ces agglomérats avaient une LPD, une distribution granulométrique, et des caractéristiques de résistance au moulage et de rétention de la taille des granules appropriées à l’utilisation dans la fabrication commerciale de meules abrasives. Les agglomérats finis, frittés avaient des formes à trois dimensions variant parmi les formes triangulaire, sphérique, cubique, rectangulaire et d'autres formes géométriques. Les agglomérats consistaient en une multitude de grains abrasifs individuels (par exemple, 2 à 20 grains) agglomérés ensemble par le matériau agglomérant vitreux aux points de contact grain-à-grain.
La taille des granules d’agglomérats augmentait avec une augmentation en quantité du matériau agglomérant dans la granule d’agglomérat sur la gamme allant de 3 à 20 % en poids du matériau agglomérant.
On observait des résistances adéquates de compactage pour tous les échantillons 1 à 9, indiquant que le matériau agglomérant vitreux avait évolué et s’écoulait pour créer un liant efficace parmi les grains abrasifs à l’intérieur de l’agglomérat. Les agglomérats fabriqués avec 10% en poids de matériau agglomérant avaient une résistance significativement supérieure au compactage par rapport à ceux fabriqués avec 2 ou 6 % en poids de matériau agglomérant.
Des valeurs de LPD inférieures étaient un indicateur d’un degré supérieur d’agglomération. La LPD des agglomérats décroissait avec l’élévation du pourcentage en poids du matériau agglomérant et avec la baisse de la taille des grains abrasifs. De relativement grandes différences entre 2 et 6 % en poids de matériau agglomérant, comparées à de relativement petites différences entre 6 et 10 % en poids de matériau agglomérant indiquent qu’un pourcentage en poids de matériau agglomérant inférieur à 2 % en poids peut être inadéquat pour la formation d’agglomérats. Aux pourcentages en poids supérieurs, situés au-dessus d’environ 6 % en poids, l’addition de plus de matériaux agglomérants peut ne pas être bénéfique pour donner des agglomérats significativement plus grands ou plus solides.
Tel que suggéré par les résultats concernant la taille des granules d’agglomérat, les échantillons de matériau agglomérant C, ayant la viscosité vitreuse fondue la plus faible à la température d’agglomération, avaient la LPD la plus basse parmi les trois matériaux agglomérants. Le type d’abrasif n’avait pas d’effet significatif sur la LPD.
Tableau 2 Matériau agglomérant utilisé dans les agglomérats
Figure LU91109A1D00371
d. La variation de matériau agglomérant A-1 exposée entre parenthèses était utilisée pour les échantillons de l’exemple 2.
b. Des impuretés (par exemple, Fe203 et Ti02) sont présentes à environ 0,1 à 2 %. Exemple 2
On a fabriqué des échantillons supplémentaires d’agglomérats en utilisant d’autres modes de réalisation de la transformation et matériaux de charges d’alimentation variées.
On a formé une série d’agglomérats (échantillons nos10 à 13) à différentes températures de frittage, s’étendant de 1 100 à 1 250°C, utilisant un appareil rotatif de calcination (modèle #HOU-6D60-RTA-28, équipé d’un tube en mullite, de 120 pouces (305 cm) de long, 5,75 pouces (15,6 cm) de diamètre interne, 3/8 pouces (0,95 cm) d’épaisseur, ayant une longueur chauffée de 60 pouces (152 cm) avec trois zones de régulation de la température. L’appareil était fabriqué par Harper International, Buffalo, New York). On a utilisé une unité d’alimentation Brabender avec vitesse d’alimentation à régulation volumétrique pour mesurer le grain abrasif et le mélange de matériau agglomérant dans le tube chauffant de l’appareil rotatif de calcination. On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 4 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 degrés, et une vitesse d’alimentation de 8 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1. Les choix de température et des autres variables utilisés pour fabriquer ces agglomérats sont exposés dans le tableau 2-1.
Tous les échantillons contenaient un mélange, sur une base de pourcentage en poids, de 89,86 % de grain abrasif (grain d’alumine 38A de grain 60 obtenu auprès de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.), de 140,16 ^ de mélange liant (6,3 % en poids de liant à base de protéine liquide AR30, 1,0% de Carbowax® 3350 PEG et de 2,86% du matériau agglomérant A). Ce mélange produisait 4,77 % en volume de matériau agglomérant et 95,23 % en volume de grain dans les granules d’agglomérats frittés. La densité théorique calculée des granules d’agglomérats (en faisant l’hypothèse d’une porosité nulle) était de 3,852 g/cm3.
Avant de placer le mélange dans l’unité d’alimentation, les agglomérats à I état cru étaient formés par extrusion simulée. Pour préparer les agglomérats extrudés, on chauffait le liant de protéine liquide pour dissoudre le Carbowax® 3350 PEG. Ensuite on ajoutait lentement le matériau agglomérant tout en agitant le mélange. On ajoutait des grains abrasifs à un mélangeur à cisaillement élevé (44 pouces (112 cm) de diamètre) et le mélange préparé de matériau agglomérant-liant était lentement ajouté au grain dans le mélangeur. On mélangeait la combinaison durant 3 minutes. On criblait la combinaison mixte à l’état humide à travers un crible en forme de boîte de 12 mesh (taille de crible aux normes des E-U) sur des plateaux en une couche d’un maximum de profondeur de un pouce (2,5 cm) pour former des agglomérats humides, crus (non cuits) extrudés. On séchait au four à 90°C durant 24 heures la couche d’agglomérats extrudés. Après séchage, on passait à nouveau au crible les agglomérats en utilisant un crible en forme de boîte de 12 à 16 mesh (taille de crible aux normes des E-U).
Il était observé durant la calcination rotative que les agglomérats fabriqués à l’état cru apparaissaient comme se brisant lorsqu’ils étaient chauffés, et, ensuite, se reformaient alors qu’ils sortaient en vrac de l’extrémité de la portion chauffée du tube rotatif de calcination. La taille la plus grande des granules agglomérées fabriquées en l’état cru, par rapport à celles des granules agglomérées après cuisson, apparaissait facilement sur inspection visuelle des échantillons.
Après cuisson, on observait que les tailles des particules agglomérées étaient suffisamment uniformes pour être utilisées à des fins commerciales, avec une distribution granulométrique située au-dessus d’une gamme d’environ 500 à 1 200 microns. Les mesures de distribution granulométrique sont exposées dans le tableau 2-2 ci-dessous. Le rendement, la taille, la résistance à l’écrasement et la LPD étaient acceptables pour l’utilisation commerciale dans la fabrication de meules.
Tableau 2-1
Figure LU91109A1D00391
°) valeur de réglage du contrôle de température de l’appareil rotatif de calcination (pour toutes les 3 zones).
b) « n/a » indique qu’aucune mesure n’était effectuée.
Tableau 2-2 Distribution granulométrique des particules pour les agglomérats cuits
Figure LU91109A1D00401
Exemple 3
On préparait des agglomérats (échantillons n°s 14 à 23) tel que décrit dans l’exemple 2, excepté qu’on maintenait la température constante à 1 000°C, et qu’on utilisait un appareil rotatif de calcination de modèle #KOU-8D48-RTA-20, équipé d’un tube en silice fondue de 108 pouces (274 cm) de long, 8 pouces (20 cm) de diamètre interne, ayant une longueur chauffée de 48 pouces (122 cm) avec trois zones de régulation de la température. L’appareil était fabriqué par Harper International, Buffalo, New York. On examinait des procédés variés pour la préparation du mélange précuit de grain et de matériau agglomérant. On conduisait le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 3 à 4tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 degrés, et une vitesse d’alimentation de 8 à 10 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1.
Tous les échantillons contenaient 30 livres (13,6 kg) de grain abrasif (le même grain utilisé dans l’exemple 2, excepté que l’échantillon 16 contenait 25 livres (11,3 kg) de grains d’alumine sol gel de Norton SG® de grain 70 obtenus auprès de Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) et 0,9 livres (0,41 kg) de matériau agglomérant A (produisant 4,89 % en volume de matériau agglomérant dans les agglomérats frittés. On dispersait le matériau agglomérant dans différents systèmes liants avant l’addition du grain. Le système liant de l’exemple 2 (« liant 2 ») était utilisé pour certains échantillons et d’autres échantillons étaient fabriqués en utilisant du liant de protéine liquide AR30 (« liant 3 ») dans les pourcentages en poids listés ci-dessous dans le tableau 3. On a utilisé l’échantillon 20 pour préparer des agglomérats en l’état cru, non cuits par le procédé d’extrusion simulée de l’exemple 2.
Les variables testées et les résultats de test des tests sont résumés ci-dessous dans le tableau 3.
Tableau 3 Traitements liants à l’état cru
Figure LU91109A1D00411
Ces résultats confirment que l’agglomération à l’état cru n’est pas nécessaire pour former une qualité et des rendements acceptables de granules agglomérées frittés (comparer les échantillons 18 et 20). Dans la mesure où le pourcentage en pds du liant 3 utilisé dans le mélange initial augmentait de 1 à 8 %, la LPD montre une tendance vers une baisse modérée, indiquant que l’utilisation d’un liant avait un effet bénéfique, mais non essentielle sur le procédé d’agglomération. Ainsi, plutôt de manière inattendue, il n’apparaît pas nécessaire de préformer une forme ou une taille souhaitée de granule d agglomérats avant de la fritter dans un appareil rotatif de calcination. On atteignait la même LPD simplement en alimentant un mélange humide des composants d’agglomérats dans l’appareil rotatif de calcination et en mettant en rotation le mélange au fur et à mesure qu’il passe à travers la portion chauffée de l’appareil.
Exemple 4
On a préparé des agglomérats (échantillons nos 24 à 29) tel que décrit dans l’exemple 2, excepté que l’on maintenait la température constante à 1 200 C et que l'on examinait des procédés variés pour la préparation du mélange précuit de grain et de matériau liant. Tous les échantillons (exceptés les échantillons 28 à 29) contenaient un mélange de 300 livres (136, 4 kg) de grain abrasif (même grain que l’exemple 2 : alumine 38 A de grain 60) et 9,0 livres (4,1 kg) du matériau agglomérant A (produisant 4,89 % en volume de matériau agglomérant dans l’agglomérat fritté).
L’échantillon 28 (même composition que l’exemple 2) contenait 44,9 livres (20,4 kg) de grain et 1,43 livres (0,6 kg) de matériau agglomérant A. On associait le matériau agglomérant au mélange de liant liquide (37,8 % en poids (3,1 livres) de liant AR30 dans de l’eau) et on ajoutait au grain 4,98 livres de cette combinaison. La viscosité de la combinaison liquide était de 784 CP à 22°C (viscosimètre LVF de Brookfield).
L’échantillon 29 (même composition que l’exemple 2) contenait 28,6 livres (13 kg) de grain et 0,92 livre (0,4 kg) du matériau agglomérant A (produisant 4,89 % en volume de matériau agglomérant dans l’agglomérat fritté). On associait le matériau agglomérant au mélange de liant liquide (54,7 % en poids (0,48 livre) de résine Duramax® B1052 et 30,1% en poids (1,456 livres) de résine Duramax B1051 résine dans de l’eau) et on ajoutait cette combinaison au grain abrasif. Les résines Duramax étaient obtenues auprès de Rohm et Haas, Philadelphie, PA.
On conduisait le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 4 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 degrés, et une vitesse d’alimentation de 8 à 12 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1.
On a pré-aggloméré l’échantillon 28, avant calcination, dans un appareil à lit fluidisé fabriqué par Niro, Inc., Columbia, Maryland (modèle MP-2/3 Multi-Processor™, équipé d’un cône de taille MP-1 (3 pieds (0,9 mètre) de diamètre à sa largeur la plus grande). On a choisi les variables de procédé suivantes pour la conduite de l’échantillon du procédé à lit fluidisé : température de l’air d’entrée 64 à 70°C écoulement de l’air à l’entrée 100 300 mètres cube/heure vitesse d’écoulement du liquide de granulation 440 g/min profondeur du lit (charge initiale 3 à 4 kg) environ 10 cm pression de l’air 1 bar buse de mélange externe à deux fluides, orifice de 800 microns
On a chargé le grain abrasif à l’intérieur par le fond de l’appareil et on a dirigé l’air à travers le diffuseur du plateau du lit fluidisé vers le haut et à l’intérieur du grain. Dans le même temps, on a pompé le mélange liquide de matériau agglomérant et de liant vers la buse de mélange externe et ensuite pulvérisé à partir des buses à travers le diffuseur en plateau et dans le grain, enrobant de là les grains abrasifs individuels. Des agglomérats au stade cru étaient formés durant le séchage du matériau agglomérant et du mélange liant.
On a pré-aggloméré l’échantillon 29, avant calcination, en un procédé d’extrusion à basse pression utilisant un Benchtop Granulator™ fabriqué par LCI Corporation, Charlotte, Caroline du Nord (équipé d’un panier perforé ayant des trous de 0,5 mm de diamètre). On chargeait manuellement le mélange de grain, de matériau agglomérant et de liant dans le panier perforé (le crible de l’extrudeuse), on forçait à travers le crible par des couteaux en rotation et on le recueillait dans un plateau de réception. On séchait au four les pré-agglomérats extrudés à 90°C durant 24 heures et on les utilisait comme charges d’alimentation pour le procédé de calcination rotatif.
Les variables testées et les résultats des tests sont résumés ci-dessous et dans les tableaux 4-1 et 4-2. Ces tests confirmant les résultats exposés dans I exemple 3 sont également observés à une température de cuisson supérieure (1 200 par rapport à 1 000°C). Ces tests illustrent également que l’extrusion à basse pression et la pré-agglomération en lit fluidisé peuvent être utilisées pour fabriquer des granules agglomérées, mais qu’une étape d’agglomération avant la calcination rotative n’est pas nécessaire pour fabriquer les agglomérats de l’invention.
Tableau 4-1 Caractéristiques des agglomérats
Figure LU91109A1D00441
Tableau 4-2 Distribution granulométrique des particules pour les agglomérats
Figure LU91109A1D00442
Exemple 5
On a préparé des agglomérats supplémentaires (échantillons numéros 30 à 37) tel que décrit dans l’exemple 3, excepté qu’on a effectué le frittage à 1 180°C, que différents types de grains abrasifs étaient testés, et . qu’on a mélangé 30 livres (13,6 kg) de grains abrasifs avec 1,91 livres (0,9 kg) de matériaux agglomérants A (pour produire 8,94 % en volume de matériaux agglomérants dans les granules d’agglomérats frittés). Le liant 3 de l’exemple 3 était comparé à l’eau comme liant pour l’agglomération au stade cru. Les échantillons 30 à 34 utilisaient 0,9 livre (0,4 kg) d’eau comme liant. Les échantillons 35 à 37 utilisaient 0,72 livre (0;3 kg) de liant 3. Les variables testés sont résumés ci-dessous dans le tableau 5.
On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 8,5 à 9,5 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 degrés, et une vitesse d’alimentation de 5 à 8 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1.
Après agglomération, on a criblé les échantillons de grains abrasifs agglomérés et testé concernant leur densité de tassement en vrac (LPD), leur distribution granulométrique et la résistance des agglomérats. Ces résultats sont montrés dans le tableau 5.
Tableau 5
Figure LU91109A1D00451
Figure LU91109A1D00461
Ces résultats démontrent à nouveau l’utilité de l’eau comme liant temporaire pour les agglomérats dans le procédé rotatif de calcination. En outre, des mélanges de types de grains, de tailles de grains, ou les deux, peuvent être agglomérés par le procédé de l’invention et ces agglomérats peuvent être enrobés à une température de 1 180°C dans l’appareil de calcination rotatif. Une augmentation significative dans la résistance à l’écrasement était observée lorsqu’un grain abrasif allongé de rapport d’aspect élevé (c’est-à-dire, > 4 : 1), était utilisé dans les agglomérats (échantillon 33). Exemple 6
On a préparé une autre série d’agglomérats (échantillon numéros 38 à 45) tel que décrit dans l’exemple 3, excepté que l’on a utilisé différentes températures de frittage, et que l’on a testé différents types de mélanges de taille de grain de grains abrasifs, différents matériaux agglomérants. Dans certains des mélanges de charge d’alimentation, on a utilisé des coques de noix pour servir de matériaux charge organiques à induction de pores (la coque de noix était obtenue auprès de Composition Materials Co., Inc., Fairfield, Connecticut, dans une taille de crible US 40/60). Les variables testés sont résumés ci-dessous dans le tableau 6. Tous les échantillons contenaient un mélange de 30 livres (13,6 kg) de grains abrasifs et de 2,5 % en pds de liant 3, sur une base en poids de grain, avec des quantités variées de matériaux agglomérants tel que montré dans le tableau 6.
On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 8,5 à 9,5 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 degrés, et une vitesse d’alimentation de 5 à 8 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1.
Après agglomération, on a criblé les échantillons de grains abrasifs agglomérés et on les a testés concernant leur densité de tassement en vrac (LPD), leur taille moyenne et la résistance à l’écrasement des agglomérats (voir tableau 6). Les propriétés de tous les agglomérats étaient acceptables pour l’utilisation dans la fabrication de meules abrasives. Il apparaît que ces données indiquent que l’utilisation des inducteurs organiques de pores, c’est-à-dire, les coques de noix, ne présentaient aucun impact significatif sur les caractéristiques des agglomérats.
Tableau 6
Figure LU91109A1D00481
a. Le % est sur la base des matières solides totales (grain, matériau agglomérant et inducteur de pores) et n'inclut pas la porosité de l’agglomérat.
Exemple 7
On a utilisé des échantillons d’agglomérats 10 à 13 et 24 à 27 préparés selon les exemples 2 et 4, respectivement, pour fabriquer des meules (taille finie : 20 x 1 x 8 pouces) 50,8 x 2,54 x 20,3 cm). On a testé ces meules au cours d’une opération de rectification à passe profonde unique par rapport à des meules comparatives fabriquées sans agglomérat, mais contenant un matériau charge inducteur de pores.
Pour fabriquer les meules, on a ajouté les agglomérats à un mélangeur accompagné d’un liant liquide et d’une composition liante vitrifiée en poudre correspondant au matériau agglomérante du tableau 1-2. Ensuite on moulait, séchait, cuisait les meules à une température maximale de 900°C, on les calibrait, finissait, équilibrait et inspectait selon les techniques de fabrication commerciale de meules connues dans le métier.
La composition des meules (incluant le pourcentage en volume d’abrasif, de liant et la porosité dans les meules cuites), la densité, et les propriétés de module des meules sont décrites dans le tableau 7-1. On a formulé les meules à un module d’élasticité correspondant à une qualité de dureté standard des meules située entre les qualités D et E sur l’échelle de qualité de dureté de la Norton Company. Les tests préliminaires ont établi que les meules formulées à partir de grains agglomérés avec une structure en % en volume (c’est-à-dire, % en volume de grain, de liant et de pores, jusqu’à un total de 100 %) identique à celle d’une meule comparative fabriquée sans grain aggloméré étaient en fait de densité considérablement inférieure, avaient un module élastique inférieur, et étaient plus douces que la meule comparative. Ainsi, la densité et le module élastique supérieurs à la structure calculée du % en volume, étaient choisis comme indicateurs critiques de dureté de la meule pour des meules fabriquées avec les grains agglomérés et testées dans ces études de rectification.
Tableau 7-1 Caractéristiques des meules abrasives
Figure LU91109A1D00501
a) A 37,50 % en volume de grain abrasif, les meules comparatives contenaient un pourcentage en volume supérieur de grain abrasif (c’est-à-dire, de 1 à 3 % en volume de plus) que les meules expérimentales fabriquées avec 37,50 % en volume de grain aggloméré, de matériau agglomérant et de porosité intra-agglomérats.
b) On a mesuré la perméabilité aux fluides (air) par des procédés de test mentionnés dans les brevets US nos 5 738 696 et 5 738 697, attribués à Norton Company. Les valeurs relatives de la perméabilité à l’air sont exprimées en cm3/seconde/pouce d'unités d’eau.
c) Les échantillons comparatifs de meule étaient des produits commerciaux obtenus auprès de Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA, et notés avec les désignations des meules indiquées pour chacun des échantillons dans le tableau 7-1.
d) Les valeurs pour le % en volume de liant dans les meules expérimentales n’incluent pas le % en volume de matériau agglomérant vitreux utilisé sur les grains pour fabriquer les agglomérats. Le % en volume de liant représente seulement les matériaux ajoutés pour fabriquer les meules.
On a testé les meules dans une opération de rectification à passe profonde unique par rapport à des meules commerciales comparatives recommandées pour l’utilisation dans les opérations de rectification à passe profonde unique (les meules comparatives sont décrites dans les tableaux 7-1 et 7-2). Les meules comparatives avaient les mêmes cotes de forme, comparables aux qualités de dureté et étaient par ailleurs appropriées aux meules comparatives par rapport aux meules expérimentales dans une étude de rectification à passe profonde unique, mais elles étaient fabriquées sans agglomérat.
Conditions de rectification :
Machine : Hauni-Blohm Profimat410
Mode : rectification à passe profonde unique à mèche simple
Profondeur de coupe : 0,125 pouce (0,318 cm)
Vitesse de la meule : vitesse superficielle de 5 500 pieds par minute (28 m/sec) Vitesse de la table : des incréments variés de 2,5 pouces/min (6,4 cm/min) à partir de 5 à 17,5 pouces/minute (12,7 à 44,4 cm/minute) ou jusqu’à ce qu’une défaillance soit observée (brûlure de la pièce à usiner ou défaillance de la meule ou de la machine) Fluide de refroidissement: Master Chemical Trim E210 200, à une concentration de 10% avec de l’eau de puits désionisée, 95 gal/min (360 L/min)
Matériau de la pièce à usiner : acier AISI 4340 dureté 48-50 Rc Mode de surfaçage : diamant rotatif, non continu Compensation du surfaçage : 40 micro-pouces/rev (1 micromètre/rev) Compensation totale du surfaçage radial : 0,02 pouce/rev (0,5 mm/rev)
Rapport de vitesse : +0,8
Dans ces passages de rectification, on augmentait la vitesse de la table jusqu’à ce que la défaillance soit observée. La défaillance était indiquée par une brûlure de la pièce à usiner ou par l’usure excessive de la meule tel qu’indiqué par les données de puissance, les mesure d’usure de la meule (WWR), les mesures du fini de surface et l’inspection visuelle de la surface rectifiée. Le taux d'enlèvement de matière (MRR maximum) auquel survenait la défaillance était noté.
Tel qu’exposé dans le tableau 7-2, ci-dessous, ces tests de rectification démontraient que les meules expérimentales contenant lés agglomérats étaient capables de manière cohérente d’atteindre des taux maxima d'enlèvement de matière, supérieurs à ceux des meules comparatives. Les meules expérimentales faisaient également prëuve de valeurs acceptables concernant les autres paramètres moins critiques, de rectification observés dans les opérations de rectification à passe unique (c’est-à-dire, WWR, puissance et fini de surface au MRR maximum).
Tableau 7-2 Résultats du test de rectification
Figure LU91109A1D00521
a) A 37,50 % en vol. de grain abrasif, les
Figure LU91109A1D00531
meules comparatives contenaient un % en vol. supérieur de grain abrasif (c’est-à-dire, 1 à 3 % en vol. ou plus) que les meules expérimentales fabriquées avec 37,50 % en vol. de grain aggloméré, de matériau aggloméré, de matériau agglomérant et de porosité intra-agglomérats.
Exemple 8
On a préparé un échantillon de grain abrasif aggloméré (60) dans l’appareil rotatif de calcination, avec un tube en carbure de silicium, décrit dans l’exemple 1 et illustré en figure 1. On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, à 1 350°C, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 9 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 3 degrés, et une vitesse d’alimentation de 6 à 10 kg/heure.
On a fabriqué l’échantillon d’agglomérat à partir d’un mélange de grains abrasifs d’alumine 38A, de taille de grain 60 (même grain qu’utilisé dans les exemples 1 et 6), de 5,0 % en poids de matériau agglomérant F (basé sur le poids du grain abrasif) et de 2,5 % en poids de liant 3 dans de l’eau (mélange de 50/50 en poids basé sur le poids du grain abrasif).
Après agglomération dans l’appareil rotatif de calcination, on a trié le grain abrasif aggloméré et testé concernant la densité de tassement en vrac (LPD) et d’autres attributs par les procédés décrits ci-dessus. Le rendement des agglomérats utilisables s’écoulant librement (définis comme -12mesh sur plateau) était de 72,6 % de la charge d’alimentation avant frittage. La LPD des agglomérats était de 1,11 g/cm3 et la densité relative était de 28,9%. On a utilisé ces agglomérats frittés pour fabriquer des meules ayant une taille finie de 16,25 X 0,75 X 5,00 pouces (41,3 x 2,4 x 12,8 cm).
Pour fabriquer les meules, on a ajouté les agglomérats à un mélangeur conjointement à une composition liante vitrifiée en poudre (correspondant au matériau agglomérant C du tableau 1-2) et du liant liquide 3 pour fabriquer un mélange. On a ensuite moulé les meules à partir de ce mélange, séchées, cuites à une température maximale de 900°C, classées, finies, équilibrées et inspectées conformément aux techniques de fabrication de meules commerciales connues dans le métier. On a fabriqué les meules pour correspondre en termes de valeur de module d’élasticité aux meules comparatives ayant une qualité de dureté standard de meule située dans la gamme de qualité E sur l’échelle de qualité de dureté de la Norton Company.
Les caractéristiques des meules cuites et d’une meule commerciale comparative, obtenues auprès de Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA, sont décrites dans le tableau 8-1 ci-dessous.
Tableau 8-1 Meules abrasives
Figure LU91109A1D00541
u) A 3^,50 % en vol. de composant de grain abrasif, les meules de l’échantillon comparatif contenaient un pourcentage en volume plus grand de grain abrasif (par exemple, environ 1 à 3 % en vol. de plus) que les meules expérimentales de l’invention contenant un mélange de 37,50 % en vol. de grain aggloméré, de matériau agglomérant et de porosité intra-agglomérats.
b) On a mesuré la perméabilité aux fluides (air) par les procédés de test mentionnés dans les brevets US n° 5 738 696 et 5 738 697, attribués à la Norton Company. Les valeurs relatives de perméabilité à l’air sont exprimées en cm3/seconde/pouce d’unités d’eau.
c) Les valeurs pour le % en vol. de liant n’incluent pas le % en vol. de matériau agglomérant utilisé sur les grains pour fabriquer les agglomérats. Le % en vol. de liant représente seulement les matériaux ajoutés pour fabriquer les meules.
On a testé les meules de rectification décrites dans le tableau 8-1 dans un test de rectification à passe profonde unique. On a fixé les paramètres du test de rectification à passe profonde unique pour produire les conditions suivantes de rectification.
Conditions de rectification :
Machine : Hauni-Blohm Profimat410
Mode : rectification à passe profonde unique à mèche simple
Profondeur de coupe : 0,125 pouce (0,318 cm)
Vitesse de la meule : 5 500 pieds par minute (28 m/sec)
Vitesse de la table : des incréments variés de 2,5 pouces/min (6,4 cm/min) à partir de 5 à 15 pouces/minute (12,7 à 38,1 cm/minute) ou jusqu’à ce qu’une défaillance soit observée (brûlure de la pièce à usiner ou défaillance de la meule ou de la machine) Fluide de refroidissement: Master Chemical Trim E210 200, à une concentration de 10% avec de l’eau de puits désionisée, 95 gal/min (360 L/min)
Matériau de la pièce à usiner : acier AISI 4340 dureté 48-50 Rc
Mode de surfaçage : diamant rotatif, non continu
Compensation du surfaçage : 40 micro-pouces/rev (1 micromètre/rev)
Compensation totale du surfaçage radial : 0,02 pouce
Rapport de vitesse : +0,8
Dans ces passages de rectification, on augmentait la vitesse de la table jusqu’à ce que la défaillance soit observée. La défaillance était indiquée par une brûlure de la pièce à usiner ou par l’usure excessive de la meule tel qu’indiqué par les données de puissance, les mesures d’usure de la meule (WWR), les mesures du fini de surface et l’inspection visuelle de la surface rectifiée. Le taux d'enlèvement de matière (MRR) (c’est-à-dire, MRR maximum avant défaillance) auquel survenait la défaillance était noté. On a également effectué des mesures du fini de surface.
Tel qu’exposé dans le tableau 3-2 ci-dessous, ces tests de rectification démontraient que les meules expérimentales contenant les agglomérats étaient capables d’atteindre de manière cohérente des taux maxima d'enlèvement de matière avant de brûler la pièce à usiner. Le MRR maximum pour la meule comparative apparaissait à une vitesse de table de seulement 12,5 pouces/minute (5,29 mm/sec), tandis que le MRR maximum de la meule expérimentale apparaissait à une vitesse de table de 15 pouces/minute (6,35 mm/sec).
Les meules expérimentales faisaient également preuve de valeurs comparables, et commercialement acceptables pour les autres paramètres de rectification observés au MRR le plus élevé atteint par les meules comparatives dans cette opération de passe profonde unique (c’est-à-dire, puissance et fini de surface à la vitesse de table de 5,29 mm/sec).
Tableau 8-2 Résultats des tests de rectification
Figure LU91109A1D00561
Figure LU91109A1D00571
Exemple 9
On a testé des meules fabriquées avec l’échantillon d’agglomérat 35 de l’exemple 5 dans un procédé de rectification à avance transversale, à surface sèche, typique des procédés utilisés dans les opérations de rectification d’atelier d’outillage. On a comparé une meule commerciale comparative aux meules de l’invention dans ce test.
On a fabriqué les meules contenant des agglomérats par le procédé de l’exemple 8 et on les a cuites à une température maximale de 900°C, cependant, la taille des meules était de 7 x 0,5 x 1,25 pouces (17,8 x 1,3 x 3,2 cm). Les meules cuites contenaient 40 % d’agglomérats, 11 à 12,1 % de liant vitrifié et 47,9 à 49 % de porosité, sur une base de pourcentage en volume. Les conditions de cuisson pour les meules de l’invention et les propriétés des meules cuites et des meules comparatives sont dans le tableau 9-1.
Tableau 9-1 Meules abrasives
Figure LU91109A1D00581
a) A 40,0 % en vol. de composant de grain abrasif, les meules de l’échantillon comparatif contenaient un pourcentage en volume plus grand de grain abrasif (voir tableau 9-2, ci-dessous) que les meules expérimentales de l’invention contenant 40,0 % en vol. de grain aggloméré (incluant le matériau agglomérant et la porosité intra-agglomérats).
b) On a mesuré la perméabilité à l’air par les procédés de test mentionnés dans les brevets US nos 5 738 696 et 5 738 697, attribués à la Norton Company.
c) Les valeurs pour le % en vol. de liant n’incluent pas le % en vol. de matériau agglomérant utilisé sur les grains pour fabriquer les agglomérats. Le % en vol. de liant représente seulement les matériaux ajoutés pour fabriquer les meules.
Le pourcentage en volume de grain abrasif et de matériau agglomérant vitreux des agglomérats utilisés dans les meules expérimentales est exposé dans le tableau 9-2, ci-dessous.
Tableau 9-2 Composition de la meule ajustée pour les composants des agglomérats
Figure LU91109A1D00591
a) A 40,0 % en vol. de grain abrasif, es meules comparatives contenaient un % en vol. plus grand de grain abrasif (c’est-à-dire, 1 à 3 % en vol. de plus) que les meules expérimentales fabriquées avec 40,0 % en vol. de grain aggloméré, de matériau agglomérant et de porosité intra-agglomérats. Conditions de rectification :
Machine : rectificateur de surface Brown & Sharpe
Mode : rectification en surface sèche
Avance transversale : 0,508 mm
Vitesse de la meule : 3 500 tr/min ; 6 500 sfpm
Vitesse de la table : 50 sfpm (15 240 mm/min)
Fluide de refroidissement : aucun
Matériau de la pièce à usiner : acier D3 dureté Rc 60 203,2 mm de long X 47,8 mm de large Mode de surfaçage : diamant à pointe unique Compensation du surfaçage : 0,025 Correction du surfaçage : 254 mm/min
Dans ces passages de rectification, on augmentait la distribution par le sommet jusqu’à ce que la défaillance soit observée. Dans les opérations de rectification de surface de l’outillage, comme dans les opérations de rectification à passe profonde unique, le paramètre de performance le plus significatif est la capacité relative au taux maximum d'enlèvement de matière (MRR) de la meule. Ainsi, un MRR maximum auquel la défaillance de rectification survenait était noté pour chaque meule, et la défaillance était indiquée par les observations de brûlure visuelle de la pièce à usiner, une puissance excessive, ou par un taux excessif d’usure de la meule (WWR). On a également effectué des mesures du fini de surface.
Tel qu’exposé dans les tableaux 9-3 et 9-4, ci-dessous, ce test de rectification démontrait que les meules expérimentales contenant les agglomérats atteignaient de manière cohérente des taux maximaux supérieurs d'enlèvement de matière avant la dégradation de la meule par usure. En outre, les MRR supérieurs étaient atteints avec une puissance inférieure tout en maintenant des valeurs comparables de rugosité de surface.
Tableau 9-3 Résultats des tests de rectification
Figure LU91109A1D00601
Figure LU91109A1D00611
Tableau 9-4 Résultats des tests de rectification-mesures d’usure des meules3
Figure LU91109A1D00612
a) On a mesuré l’usure de la meule par variation du procédé (« test de maintien des angles ») décrit dans le brevet US no 5 401 284, attribué à la Norton Company. Pour les données dans ce tableau, on a mesuré les valeurs A et D au niveau du périmètre de la meule, le long de la face de rectification de la meule, et on a mesuré les valeurs B et C à des points équidistants proches du centre de la face de rectification de la meule. Au fur et à mesure que progresse la rectification, la stabilité relative des valeurs A et D, comparées aux valeurs B
et C, est un indicateur de la résistance de la meule à l’usure. La « surface » est la quantité de matière éliminée de la meule. Le % d’usure de la face de la meule reflète la largeur de l’usure de la meule au centre de la face de rectification de la meule, proche des points où les valeurs B et C sont mesurées.
Exemple 10
On a testé des meules fabriquées avec des agglomérats de grain abrasif dans un test de rectification de diamètre intérieur (Di).
On a préparé les agglomérats (échantillon 61) tel que décrit dans l’exemple 2, excepté que l’on maintenait la température constante à 1 170°C (échantillon 61). De manière supplémentaire, on a utilisé un appareil rotatif de calcination de modèle #KOU-8D48-RTA-20 équipé d’un tube en carbure de silicium, de 108 pouces (274 cm) de long, 8 pouces (20 cm) de diamètre intérieur, ayant une longueur chauffée de 48 pouces (122 cm) avec trois zones de régulation de la température. Cet appareil était fabriqué par Harper International, Buffalo, New York. On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 6 tr/min, un angle d’inclinaison du tube de 2,5 à 3,0 degrés, et une vitesse d’alimentation de 8 à 10kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1.
On a fabriqué l’échantillon d’agglomérat 61 avec 30 livres (13,63 kg) de grain abrasif (grain d’alumine 32A grain 120, obtenu auprès de Saint-Gobain Ceramics et Plastics, Inc.) et 1,91 livres (0,87 kg) de matériau agglomérant A (produisant 6,36 % en pds de matériau agglomérant dans l’agglomérat fritté). On a dispersé le matériau agglomérant dans de l’eau (0,9 livre ; 0,41 kg) avant l’addition du grain. Les agglomérats avaient une taille moyenne de 260 microns et une densité de tassement en vrac (LPD) de 1,13 g/cm3.
Dans ce test, on a comparé une meule commerciale comparative aux meules de l’invention. La meule comparative avait les mêmes cotes de forme et était fabriquée avec le même grain abrasif, mais sans agglomérats. La meule comparative du modèle 32A120-LVFL et était obtenue auprès de Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA.
Pour fabriquer la meule expérimentale, on a ajouté les agglomérats à un mélangeur en même temps qu’une composition liante vitrifiée en poudre et que du liant liquide 3 pour fabriquer un mélange. On a ensuite moulé les meules à partir de ce mélange, séchées, cuites à une température maximale de 900°C, calibrées, finies, équilibrées et inspectées selon des techniques de fabrication de meules commerciales connues dans le métier.
Les meules étaient des meules de type 1A, ayant une taille finie de 1,8 X 1,0 X 0,63 pouces (4,57 x 2,54 x 1,60 cm). La composition et les caractéristiques des meules expérimentale et comparative sont listées ci-dessous dans lê tableau 10-1.
Tableau 10-1 Meules
Figure LU91109A1D00631
a) A 52 % en vol. de composant de grain abrasif, les meules de l’échantillon comparatif contenaient un pourcentage en volume plus grand en grain que les meules de l’invention contenant 48 % en vol. d’un mélange de grain aggloméré avec du matériau agglomérant. Après déduction du pourcentage de matériau agglomérant, les meules expérimentales contenaient seulement 43,4 % en vol. de grain, 8,6 % en vol. de grain en moins que la meule comparative standard de la même qualité.
b) La taille de grain du grain abrasif de 120 correspond à 142 microns.
c) Les valeurs pour le % en vol. de liant n’incluent pas le % en vol. de matériau agglomérant utilisé sur les grains pour fabriquer les agglomérats. Le % en vol. de liant représente seulement les matériaux ajoutés pour fabriquer les meules.
On a testé les meules abrasives décrites dans le tableau 10-1 dans un test de rectification de diamètre intérieur (Di). On a fixé les paramètres du test de rectification du Di pour produire les conditions suivantes de rectification. Conditions de rectifications :
Machine : rectificateur Okuma ID
Mode : Di à l’état humide, rectification en avalant, en plongée Vitesse de la meule : 18 000 tr/min Vitesse de travail : 600 tr/min
Fluide de refroidissement : Master Chemical Trim E210, 5 % dans de l’eau de puits désionisée
Matériau de la pièce à usiner : acier 52 100 dureté Rc 60
Anneaux : 2,225 x 0,50 pouces (5,65 x 1,28 cm)
Mode de surfaçage : diamant rotatif à pointe unique Rapport de surfaçage : 0,650 Correction du surfaçage : 0,364 mm/rev
Dans ces tests, on a conduit trois ensembles de rectification à des vitesses constantes d'entrée et on a conduit cinq rectifications pour chaque ensemble. La vitesse d'entrée règle un taux nominal d'enlèvement de matière pour chaque test. Dans les opérations de rectification de Di, les paramètres de performance les plus significatifs sont les rapport G (MRR/taux d’usure de la meule (WWR)), l’énergie spécifique nécessaire pour rectifier à une vitesse d'entrée fixée et le fini de surface résultant. Les données dans le tableau ci-dessous sont données pour chaque ensemble de vitesses d'entrée ; les données de fini de surface représentent la valeur après la cinquième rectification de chaque ensemble.
Tel qu’exposé dans le tableau 10-2, ci-dessous, ces tests de rectification démontraient que la performance de la meule expérimentale contenant les agglomérats était comparable à, ou meilleure que, celle de la meule comparative en termes de rapport G (MRR/taux d’usure de la meule (WWR)), énergie spécifique de rectification et fini de surface. Ces résultats sont surprenants en vue du pourcentage en volume significativement inférieur de grain abrasif dans la meule expérimentale. Avec des structures normales de meule, le % en vol. de grain abrasif est la variable la plus significative dans la détermination du rapport G. En l’absence d’autres variables, une teneur supérieure en grain résulte en un rapport G proportionnellement supérieur. Une réduction du pourcentage en volume de grain nécessaire pour atteindre le même rapport G ou meilleur représente une amélioration technique significative au niveau de l’outil abrasif.
Tableau 10-2 Résultats des tests de rectification
Figure LU91109A1D00651
a. Le rapport G donné (pour la meule expérimentale) est une valeur ajustée pour le volume en pourcentage inférieur du grain abrasif dans la meule expérimentale. En d’autres mots, le pourcentage en volume de grain dans les meules expérimentales est seulement de 83,46 % du pourcentage en volume du grain dans les meules comparatives. Ainsi, les valeurs de rapport G des meules expérimentales dans les parenthèses ont été normalisées au % en vol. des grain des meules comparatives afin d’obtenir une mesure de performance basée sur l’usage total de grain abrasif.
Exemple 11
On a utilisé le grain abrasif aggloméré de l’invention pour fabriquer de grandes meules afin de confirmer la faisabilité de la fabrication de telles meules sans utilisation d’inducteurs de pores ajoutés et utilisant de telles meules dans la rectification à passe profonde unique.
On a préparé le grain abrasif aggloméré (échantillon 62) dans l’appareil rotatif de calcination, avec un tube en carbure de silicium, décrit dans l’exemple 1 et illustré en figure 1. On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques, à 1 350°C, avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 9 tr/min, à un angle d’inclinaison du tube de 3 degrés, et une vitesse d’alimentation de 6 à 10 kg/heure.
On a fabriqué l’échantillon de grain aggloméré 62 à partir d’un mélange 50/50 de grain abrasif d’alumines 32A et 38A, toutes les deux de taille de grain 60 (même grain qu’utilisé dans les exemples 1 et 6), de 5,0 % en pds du matériau agglomérant E (basé sur le poids du grain abrasif) et de 2,5 % en pds de liant 3 (50/50 du mélange en poids dans de l’eau basé sur le poids du grain abrasif).
Après agglomération dans l’appareil rotatif de calcination, on a trié les échantillons de grain abrasif aggloméré et testé concernant la densité de tassement en vrac (LPD) et d’autres attributs par les procédés décrits ci-dessus. La production des granules utilisables à écoulement libre (définies comme -12 mesh sur plateau) était de 74,1 % du poids total de la charge d’alimentation avant calcination. La LPD de l’agglomérat était de 1,14 g/cm3 et la densité était de 30,0 %.
On a utilisé ces agglomérats frittés pour fabriquer des meules à passe profonde unique relativement grandes (par exemple, 20 pouces (50,8 cm) de diamètre). Les meules comparatives de cette taille sont normalement fabriquées avec de l’alumine ventilée ou d’autres inducteurs de pores solides ou à cellules fermées comme auxiliaires pour rigidifier la structure et empêcher la distorsion de la forme de la meule provenant de l’affaissement durant la cuisson au fur et à mesure que le liant vitrifié fond et s’écoule. L’alumine ventilée est particulièrement efficace pour empêcher l’affaissement mais n’est pas souhaitable en termes de performance de rectification dans la mesure où elle crée une porosité à cellules fermées.
Pour fabriquer les meules abrasives expérimentales, on a ajouté les agglomérats à un mélangeur en même temps qu’une composition liante vitrifiée en poudre (correspondant au matériau liant C du tableau 2) et qu’un liant liquide 3 pour fabriquer un mélange. On a ensuite moulé les meules à partir de ce mélange, séchées, cuites à une température une température maximale de 900°C, calibrées, finies, équilibrées et inspectées selon les techniques de fabrication de meules commerciales connues dans le métier. Les meules cuites étaient ensuite achevées à une taille de 20 x 1 x 8 pouces (50,8 x 2,5 x 20,3 cm). Un degré d’affaissement modéré, mais commercialement acceptable des meules expérimentales était observé durant la cuisson des meules.
Les meules étaient conçues pour correspondre en pourcentage en volume de composition et de densité à des meules comparatives commerciales ayant une qualité de dureté standard de meule située entre la qualité C et D sur l’échelle de qualité de dureté de la Norton Company.
Les caractéristiques des meules abrasives finies expérimentales et comparatives sont décrites dans le tableau 11-1 ci-dessous. Bien que les pourcentages de composition et les densités de la meule auraient permis de prédire que les meules ayant des valeurs équivalentes de dureté de meule, en fait, le module d’élasticité confirmait que les meules expérimentales étaient d’une qualité plus douce que les meules comparatives. Les valeurs de perméabilité à l’air montrent que la porosité de la meule expérimentale, en contraste avec celles de la meule comparative, est une porosité ayant une perméabilité ouverte, permettant l’écoulement libre du fluide de refroidissement dans la meule et l’élimination facile des débris de rectification à partir de la face de rectification de la meule.
Tableau 11-1 Meules abrasives
Figure LU91109A1D00671
a) A 36,0 % en vol. de composant de grain abrasif, les meules de l’échantillon comparatif contenaient un pourcentage en volume plus grand en grain (c’est-à-dire, environ 1 à 2 % en vol. ou plus) que les meules de l’invention contenant un mélange de 36,0 % en vol. d’une combinaison de grain aggloméré et de matériau agglomérant.
b) On a mesuré la perméabilité aux fluides (air) par les procédés de test décrits dans les brevets US nos 5 738 696 et 5 738 697, attribués à la Norton Company. Des valeurs relatives de perméabilité à l’air sont exprimées en cm3/seconde/pouce d'unités d’eau.
On a testé les meules dans l’opération de rectification à passe profonde unique décrit dans l’exemple 7 en même temps que la meule comparative de rectification à passe profonde unique décrite dans le tableau 11-2. La meule comparative était un produit commercial standard disponible auprès de Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA. Elle avait les mêmes cotes de forme et était par ailleurs comparable aux meules expérimentales, mais elle avait été fabriquée avec une charge d’alumine ventilée et aucun agglomérat de grain abrasif.
Tableau 11-2 Résultats du test de rectification
Figure LU91109A1D00681
Ces résultats démontrent la faisabilité de la fabrication et de l’utilisation d’une meule de rectification à passe profonde unique des dimensions testées sans l’utilisation d’un matériau de charge de porosité fermée tel que l’alumine ventilée.
Exemple 12
La distribution granulométrique des agglomérats était comparée avant et après le moulage des meules abrasives de l’invention pour examiner l’intégrité et la résistance des agglomérats dans les procédés de fabrication des meules abrasives. La distribution granulométrique des agglomérats était ensuite comparée avec la distribution granulométrique des grains abrasifs du grain utilisé pour fabriquer les agglomérats pour confirmer que les agglomérats comprenaient encore une multitude de grains abrasifs après le moulage des meules.
On a préparé des agglomérats (échantillons nos 63, 64, 65) tels que décrits dans l’exemple 2, excepté que la température était maintenue constante à 1 200°C (pour les échantillons 63 et 64) ou à 1 300°C (échantillon 65). De manière supplémentaire, on a utilisé un appareil rotatif de calcination (modèle Bartlett-Snow TM), fabriqué par Alstom Power, Naperville, IL, équipé d’un tube en alliage métallique breveté de haute température de 120 pouces (305 cm) de long, 6,5 pouces (16,5 cm) de diamètre interne ayant une longueur chauffée de 72 pouces (183 cm) avec quatre zones de régulation de température. On a conduit le procédé d’agglomération sous des conditions atmosphériques avec une vitesse de rotation du tube de l’appareil de 9 tr/min, un angle d'inclinaison du tube de 2,5 degrés, et un débit d'alimentation de 10 à 14 kg/heure. L’appareil utilisé était substantiellement identique à l’appareil illustré dans la figure 1.
On a fabriqué des échantillons d’agglomérats 63, 64 et 65 avec des grains abrasifs obtenus auprès de Saint-Gobain Ceramics et Plasitics, Inc. et différents matériaux agglomérants tel que décrit dans le tableau 12-1 ci-dessous.
Tableau 12-1 : compositions des agglomérats
Figure LU91109A1D00701
On a mélangé et moulé à la taille et aux formes décrites dans l’exemple 10 des meules expérimentales en utilisant une composition liante vitrifiée en poudre et du liant liquide 3. La composition liante utilisée pour les meules contenant les agglomérats 63 et 64 correspondait au matériau agglomérant C, et pour les meules contenant l’agglomérat 65 correspondait au matériau agglomérant E, décrit dans le tableau 2. Les pourcentages en volume d'agglomérats, de liant et de porosité sont décrits dans le tableau 12-2 ci-dessous.
Après moulage des meules sous pression pour obtenir une meule « crue » et avant de cuire ces meules moulées, on a éliminé par lavage les matériaux liants des meules de la structure des meules crues sous de l’eau courante et on a récupéré les agglomérats et les grains abrasifs. La taille des agglomérats et des grains récupérés était déterminée en les criblant à travers une série de cribles de dimension de maille de crible US et en mesurant la fraction en poids de chaque crible. Les résultats sont montrés dans le tableau 12-2, ci-dessous, pour les meules fabriquées de trois groupes de caractéristiques techniques différentes.
Tableau 12-2 : distribution granulométrique des agglomérats suite au moulage des meules
Figure LU91109A1D00711
Les données du tableau 12-2 démontrent qu’à partir des dimensions moyennes des agglomérats frittés (avant et après la transformation) une multitude de grains abrasifs ont été retenus dans les agglomérats frittés après qu’ils aient été moulés pour former une meule. Tandis que la taille initiale des agglomérats a été réduite d’un pourcentage mineur (par exemple une chute de 998 à 824 pm, ou une réduction de 17 %, pour l’échantillon 12-1), la majorité des agglomérats ont conservé leur taille initiale.
La distribution des fractions de poids après criblage de chaque échantillon est donnée dans tableau 12-2a, 12-2b et 12-2c, ci-dessous pour les échantillons 12-1,12-2 et 12-3, respectivement.
Tableau 12-2a : Distributions granulométriques des particules pour l’échantillon 12-1
Figure LU91109A1D00721
Les données dans le tableau 12-2a montrent que les grains uniques les plus grands dans la distribution granulométrique de l’échantillon initial des grains sont de 425 pm de taille. Les données concernant la distribution granulométrique initiale des agglomérats montrent que tous les agglomérats excèdent 425 %m. Après moulage et lavage, les agglomérats retenus pressés sont tous supérieurs à 300 %m, et 91,4 % en poids des agglomérats sont plus grands que le grain unique le plus grand (425 pm), confirmant la rétention d’une multitude de grains après moulage d’une meule comprenant les agglomérats frittés.
Tableau 12-2b : distributions granulométriques des particules pour l’échantillon 12-2
Figure LU91109A1D00731
Les données dans le tableau 12-2b montrent que les grains uniques les plus grands dans la distribution granulométrique de l’échantillon initial de grains sont de 425 pm de taille. Les données concernant la distribution granulométrique initiale des agglomérats montrent que 99,8 % en poids des agglomérats excèdent 425 pm. Après moulage et lavage, les agglomérats retenus pressés sont plus grands que 300 pm, et 91,4 % des agglomérats sont plus grands que le grain unique le plus grand (425 pm), confirmant la rétention d’une multitude de grains après moulage.
Tableau 12-2c : distributions granulométrique des particules pour l’échantillon 12-3
Figure LU91109A1D00741
Les données dans le tableau 12-2c montrent que les grains uniques les plus grands dans la distribution granulométrique de l’échantillon initial de grain sont de 425 pm de taille. Les données concernant la distribution granulométrique initiale des agglomérats montrent que 97,5 % en poids des agglomérats excèdent 425 pm. Après moulage et lavage, les agglomérats retenus, pressés sont tous plus grands que 300 pm, et 89,99 % en poids des agglomérats sont plus grands que le grain unique le plus grand (425 pm) confirmant la rétention d’une multitude de grains après moulage.
Ces résultats démontrent que les agglomérats fabriqués selon l’invention ont une résistance suffisante pour supporter les opérations de moulage et de manipulation de meule abrasive commerciale. Les grains abrasifs présents dans la meule moulée conservent les caractéristiques de structure à trois dimensions des agglomérats des grains abrasifs initiaux. Un pourcentage majeur (c’est-à-dire, au moins 85 % en poids) des agglomérats concerne une multitude de gains abrasifs maintenus dans une forme à trois dimensions d’approximativement la même taille que la taille initiale des agglomérats frittés après manipulation et moulage.
Exemple 13
On a comparé les structures des meules abrasives fabriquées avec les agglomérats de l’invention sous un microscope à balayage électronique aux structures de meules comparatives. Les meules comparatives étaient fabriquées sans les agglomérats mais comprenaient les mêmes grain abrasif et matériaux liants dans les mêmes pourcentages en volume de grain, de liant et de porosité que les meules de l’invention.
On a préparé les agglomérats (échantillon n° 66) tel que décrit dans l’exemple 10, excepté que la température était maintenue constante à 1 150^0.
On a fabriqué l’échantillon d’agglomérat 66 avec 150 livres (68,04 Kg) de grain abrasif (grain d’alumine 32A grain 80, obtenu auprès de Saint-Gobain Ceramics et Plastics, Inc.) et 10,23 livres (4,64 Kg) de matériau agglomérante (produisant 6,82 % en poids de matériau agglomérant dans l’agglomérat fritté). On a dispersé le matériau agglomérant dans du liant 3 (3,75 livres ; 1,701 Kg) avant l’addition au grain.
On a fabriqué des meules expérimentales tel que décrit dans l’exemple 10 à partir de l’échantillon d’agglomérat 66. Les meules commerciales comparatives de modèle 32A80L8VFL, obtenues auprès de Saint-Gobain Abrasives, Inc., étaient choisies pour comparaison.
On a pris une photographie d’une section transversale de chaque meule à un grossissement de 40X. Ces photographies sont montrées dans les figures 2 (meules expérimentales avec agglomérats) et 3 (meules comparative sans agglomérats). Il peut être observé que les agglomérats et les pores sont irrégulièrement et de manière aléatoire formés et dimensionnés. La meule comparative a une structure bien plus ordonnée et régulière. Il est possible d’observer deux types de pores dans les meules fabriqués avec les agglomérats : les pores intra-agglomérats et les pores inter-agglomérats plus grands apparaissant sous la forme de canaux distincts entre les agglomérats. A
partir du test de la perméabilité des meules expérimentales, il a été établi que les pores intra-agglomérats sont interconnectés et qu'ils rendent la meule entière perméable aux fluides. Ainsi, les meules abrasives de l’invention font preuve d’une porosité qui inclut une quantité majeure de porosité interconnectée (c’est-à-dire, au moins 30 % en volume de porosité interconnectée) et, de préférence, une distribution de porosité bimodale. Les meules abrasives de l’invention sont caractérisées par une structure composite bien plus ouverte que les meules classiques.
Comme cela peut être observé dans les figures 2 et 3, la dimension maximale des pores intra-agglomérats est d’environ 2 à 20 fois plus grande que la dimension maximale des pores intra-agglomérats. Le rapport exact de la taille de pore dépend de la composition des meules. Le rapport de 2 à 20 s'applique à ces meules fabriquées avec une gamme d’environ 8 à 10 % en volume de liant, et une moyenne de taille de grain abrasif d’environ 260 microns. En général, pour les meules abrasives de l’invention, comme le pourcentage en volume de liant augmente à partir de cette gamme, les pores intra-agglomérats deviennent plus petits, mais les pores inter-agglomérats conservent une dimension maximale globalement équivalente à la dimension maximale du grain abrasif utilisé dans les agglomérats. Comme le pourcentage en volume de liant décroît à partir de cette gamme, les pores intra-agglomérats deviennent relativement plus grands mais les pores inter-agglomérats conservent une dimension maximale globalement équivalent à la dimension maximale du grain abrasif utilisé dans les agglomérats.
Dans les examens microscopiques supplémentaires des meules fabriquées avec les agglomérats, particulièrement avec les agglomérats contenant au moins 6 % en poids de matériau agglomérants, il a été observé que l’augmentation du pourcentage en poids de matériau liant ajouté résulte en une structure de meule ayant des pores intra-agglomérats bien plus petits. Par exemple, avec un matériau agglomérant de pourcentage en poids supérieur et un pourcentage en volume supérieur de liant, le rapport des tailles peut être environ 20 à 200 fois plus grand que les pores inter-agglomérats que pour les pores intra-agglomérats. Il est considéré que le matériau liant ajouté aux agglomérats est tiré à l’intérieur de la zone interconnectée des agglomérats durant le mélange, le moulage et la transformation thermique des meules, rendant plus étroit ou fermant de là une partie de la porosité intra-agglomérat et à la fin provoquant une perte de distribution de pore bimodal.
Exemple 14
On a préparé des agglomérats frittés par un procédé au four discontinu à partir des matériaux décrits dans le tableau 14-1. Le grain abrasif était du grain d’alumine 38A de taille de grain 100 (0,173 mm) obtenu auprès de Saint-Gobain Ceramics et Plastics, Inc., Worcester, MA.
Tableau 14-1 : composition d’agglomérats frittés
Figure LU91109A1D00771
Dans la première étape de formation des particules d’agglomérat, on a mélangé les particules de grain abrasif et de coque de noix dans un mélangeur Hobart® (modèle de laboratoire N-50). On a par la suite mouillé ce mélange avec une quantité efficace de liant organique liquide (un mélange de 40 % en poids de colle liquide d’origine animale, 30 % en poids d’acide maléique en poudre et 3 % en poids d’eau) pour l’adhérence de la poudre de matériau agglomérant au grain. Après mouillage de ces particules, on a ajouté et mélangé un mélange en poudre contenant les composants de matériau agglomérant (une composition liante vitrifiée ayant la composition cuite présentée ci-dessus comme « matériau agglomérant A »). Le matériau agglomérant adhéré aux particules mouillées et ce mélange étaient ensuite dispersés de manière lâche sur une dalle mince de cuisson de céramique.
On a cuit le mélange à 1 230°C durant quatre heures dans un four électrique. Après cuisson, on a obtenu les agglomérats frittés à partir du mélange cuit par broyage du mélange dans un mortier avec un pilon. Les agglomérats frittés étaient dimensionnés en trois tailles avec des cribles de test de norme US. montés sur un appareil de criblage vibrant (Ro-Tap ; Modèle RX-29 ; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH). La densité de tassement en vrac des agglomérats frittés (LPD) était mesurée selon le mode opératoire de l’American National Standard pour la Bulk Density of Abrasive Grains.
Après le procédé de dimensionnement, les agglomérats frittés avaient des formes à trois dimensions (variant entre triangulaire, cubique, rectangulaire et d’autres formes géométriques variées) et étaient de taille et de LPD montrées dans le tableau 14-2.
Tableau 14-2 : agglomérats frittés dimensionnés
Figure LU91109A1D00781
On a fabriqué les agglomérats supplémentaires par des variations légères de ce procédé. Les variations incluaient les suivantes. On criblait à l’état mouillé le mélange préparé à travers des cribles en forme de boîtes (8 à 12 mesh) sur des plateaux. Le matériau criblé était ensuite séché à l’air ou au four. On chargeait le matériau dans des dalles minces en céramique. On cuisait les dalles minces en céramique contenant le matériau dans des fours intermittents ou tunnels sous des conditions de cuisson s’étendant de 1 225 à 1 280°C pour des périodes s’étendant de 30 à 360 minutes. On éliminait le matériau cuit des plaques minces en céramique et on le transformait à travers un concasseur à cylindre pour briser le matériau en agglomérats.
Le matériau concassé était calibré à la gamme souhaitée en utilisant un appareil Ro-Tap.
Meules abrasives
Les meules finies étaient de 3,0 x 0,525 x 1,25 pouces (7,6 X 1,34 X 3,2 cm) de taille. La composition des meules (pourcentage en volume des meules cuites), la densité, la perméabilité à l’air, la qualité et les propriétés de module des meules sont décrites dans le tableau 14-3.
Tableau 14-3 : Meules abrasives
Figure LU91109A1D00791
a. Les agglomérats contenaient 97 % en poids de grain d’alumine 38A grain 100 et 3 % en poids de matériau agglomérant A et on les a criblés jusqu’à une taille de particule de -40/+60 mesh (250 à 425 pm).
b. On a mesuré la perméabilité aux fluides (air) selon les procédés de test mentionnés dans les brevets US nos 5 738 696 et 5 738 697, attribués à la Norton Company. Les valeurs relatives de perméabilité à l’air sont exprimées en cm3/seconde/pouce d’unités d’eau. (On a utilisé sur l’appareil une buse de taille 2.2).
c. A 36 % en volume de grain abrasif, les meules comparatives contenaient un pourcentage en volume de grain abrasif supérieur (c'est-à-dire 1 à 3 % en volume de plus) que les meules expérimentales fabriquées avec 36 à 40 % en volume de grain aggloméré, de matériau agglomérant et de porosité intra-agglomérats.
Le liant utilisé pour les échantillons de meule 1, 2 et 3 de l’invention était un matériau liant vitrifié ayant la composition molaire cuite du matériau agglomérant B du tableau 2, ci-dessus. Le liant utilisé dans l’échantillon de meule comparatif avait la composition molaire cuite du matériau liant A du tableau 2.
Les agglomérats frittés et le mélange liant des échantillons 1, 2 et 3 de l’invention étaient mélangés à sec dans un mélangeur Hobart, placés dans des moules, pressés à froid et cuits à une température maximale de 735°C durant 4 heures pour former la meule.
On a fabriqué l’échantillon de meule comparatif en mélangeant les composants liants vitrifiés avec le grain abrasif dans un mélangeur Hobart. Le grain abrasif utilisé dans l’échantillon comparatif était un grain d’alumine 38A, de taille de grain 100 (125 pm), obtenu auprès de Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA. Après mélange, on a moulé, pressé et cuit le mélange à 1 230°C durant 4 heures pour former la meule.
Test de rectification 14-A
On a testé les meules de l’invention et les meules comparatives dans un test de rectification à passe profonde unique, de diamètre interne utilisant les conditions suivantes.
Conditions de rectification :
Machine : Heald CF, rectificateur OD/ID
Mode : Rectification à passe profonde unique de diamètre interne (DI)
Vitesse de la meule : 6 319 tr/min ; surface en pied par minute 4 968 (25 M/sec)
Vitesse de travail : 20 tr/min
Mode de rectification : DI inclinaison en avalant
Vitesse d'entrée: 0,025 pouce (0,64 mm)/0,050 pouce (1,27 mm) sur le diamètre
Fluide de refroidissement : Trim E210, rapport de 5 % avec de l’eau de puits désionisée, 9 gal/min (34 L/min)
Matériau de la pièce à usiner: Acier 52100 4 pouces DI
(10,2 cm) X 0,250 pouce (1 cm), dureté Rc-62,0
Surfaçage rotatif: AX1440, comp. 0,0005 pouce, correction 0,005 pouce, 2 600 tr/min.
Dans ces passages de rectification, les taux maxima d'enlèvement de matière du matériau (MRR) à la brûlure initiale de la pièce à usiner (ou à la défaillance initiale de la meule) étaient mesurés et les résultats observés. Les résultats de ces tests de rectification sont montrés dans le tableau 14-4.
Tableau 14-4 : Résultats des tests de rectification
Figure LU91109A1D00811
Les résultats montrent que les meules fabriquées selon l’invention étaient supérieures en termes de MRR aux meules comparatives les plus proches, et la performance supérieure ne provoque pas d'absorption excessive de courant (énergie spécifique W.s/mm3) ni de dégât à la surface de la pièce à usiner. Les meules expérimentales présentaient également des améliorations du rapport G et de l’indice d’aptitude à la rectification. En outre, la taille de grain du grain utilisé dans les agglomérats frittés des meules de l’invention était inférieure à la taille de grain du grain utilisé dans la meule comparative. Toutes les autres variables étant égales, les tailles de grain inférieures produisaient des rapports G et un indice d’aptitude à la rectification inférieur. Ainsi, la performance supérieure des meules inventives est significative et inattendue. Test de rectification 14-B
On a conduit une seconde série de passages rectifications avec le même groupe d’échantillons de meule sous les conditions suivantes de rectification de surface en utilisant de l’acier 4340 comme pièce à usiner.
Conditions de rectification :
Machine : Brown & Sharp Micr-a-size Grinder
Mode : Rectification de surface à passe profonde unique
Vitesse de la meule : 6 000 tr/min
Vitesse de la table : 0
Alimentation descendante : 1,270 mm
Avance d'entrée : 1,270 mm
Fluide de refroidissement: Trim VHPE 210, rapport 1 :20 avec de l’eau de puits désionisée, 9 gal/min (34 L/min)
Matériau de la pièce à usiner: Acier 4340; dureté 51 Rc ; longueur de 95,4 mm ; largeur de 203,2 mm
Surfaçage : outil en diamant à pointe unique, comp. 0,025 mm, vitesse 254 mm/min
Tableau 14-5 : Résultats des tests de rectification (moyenne des passages multiples)
Figure LU91109A1D00831
Le Rapport G et l’aptitude à la rectification ne pouvaient pas être mesurés pour ce passage.
Les résultats montrent que les meules fabriquées selon l’invention étaient supérieures en termes de rapport G et d’indice d’aptitude à la rectification aux meules comparatives les plus proches, et la performance supérieure ne provoquait pas d'absorption excessive de courant ni de dégât à la surface de la pièce à usiner.
Exemple 15
On a fabriqué des meules abrasives supplémentaires à partir d’agglomérats frittés préparés selon le procédé de l’exemple 14, excepté que différents types de grains abrasifs et de matériaux agglomérants étaient utilisés dans les échantillons d’agglomérat frittés. Les compositions des agglomérats et des meules abrasives sont exposées dans le tableau 15-1. Dans les meules de l’invention, on a choisi les matériaux liants vitrifiés pour avoir une température de fusion d’au moins 150°C supérieure à la température de fusion des matériaux agglomérants dans les agglomérats utilisés pour fabriquer les meules.
Tous les agglomérats frittés contenaient 3 % en poids de matériau agglomérant et 97 % en poids de grain et étaient criblés à une taille de particule de -20/+45 mesh (taille de crible aux normes des E-U) (355 à 850 pm).
Les meules finies étaient de 7,0 x 0,50 x 1,25 pouces (17,8 X 1,27 X 3,2 cm) de taille. La composition des meules (pourcentage en volume des meules cuites), la densité, et les propriétés de module des meules sont décrites dans le tableau 15-1.
Le liant pour les meules expérimentales avait la composition molaire du matériau agglomérant B du tableau 2 et les meules fabriquées avec ce liant étaient cuites à 735°C durant 4 heures. On a fabriqué les meules comparatives avec un liant vitrifié ayant la composition molaire du matériau agglomérant C du tableau 2 et ces meules étaient cuites à 900°C durant 8 heures. Des meules comparatives fabriquées sans agglomérats frittés contenaient 40 % en volume de grain abrasif et soit 10,26 % en volume (dureté de qualité H) soit 6,41 % en volume (dureté de qualité F) de liant vitrifié.
Tableau 15-1 : Agglomérats et meules abrasives
Figure LU91109A1D00851
Figure LU91109A1D00861
a A 40 % en volume de grain abrasif, les meules comparatives contenaient un pourcentage en volume supérieur de grain abrasif (c'est-à-dire, environ 2 à 8 % en volume de plus) que les meules expérimentales fabriquées avec 40 % en volume de grain aggloméré, de matériau agglomérant et de porosité intra-agglomérats.
b On a mesuré la perméabilité aux fluides (air) selon les procédés de test mentionnés dans les brevets US nos 5 738 696 et 5 738 697, attribués à la Norton Company. Les valeurs de perméabilité relatives à l’air sont exprimées en cm3/seconde/pouce d’unités d’eau. (On a utilisé une buse de taille 2,2).
Les propriétés de ces meules, spécialement les valeurs de perméabilité à l’air à l’intérieur d’une qualité unique de meule, démontrent un degré supérieur de porosité interconnectée dans les structures des meules expérimentales fabriquées à partir de grain abrasif aggloméré par rapport aux meules comparatives fabriquées au même pourcentage de porosité en volume et à la même qualité avec les mêmes grains et matériaux liants. Cette différence structurelle a été observée dans différentes qualités de dureté de meule, avec différents types de grain et de liant et pour différents pourcentages en volume de composants de meule abrasive.

Claims (93)

1. Outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 5 à 75 % en volume d’agglomérats frittés, comprenant une multitude de grains abrasifs maintenus à l’aide d’un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion située entre 500 et 1 400°C et les agglomérats frittés ayant une forme à trois dimensions et une distribution granulométrique initiale avant la fabrication de l’outil ; b) un liant ; et c) environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée ; dans lequel au moins 50 % en poids, des agglomérats frittés à l’intérieur de l’outil abrasif aggloméré retiennent une multitude de grains abrasifs maintenus en une forme à trois dimensions après la fabrication de l’outil.
2. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel les agglomérats frittés possèdent une densité de tassement en vrac < 1,6g/cm3 avant la fabrication de l’outil.
3. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 2, dans lequel le liant est un liant vitrifié.
4. Outil abrasif aggloméré, vitrifié, selon la revendication 3, dans lequel l’outil comprend une distribution de porosité bimodale de pores intra-agglomérats et de porosité interconnectée.
5. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel au moins 50 %, en poids, des agglomérats frittés ont une taille située à l’intérieur de la distribution granulométrique initiale après fabrication de l’outil.
6. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel le matériau agglomérant comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux en céramique, de matériaux vitrifiés, de compositions liantes vitrifiées et de combinaisons de ceux-ci.
7. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 6, dans lequel la température de fusion du matériau agglomérant est d’environ 800 à 1 300°C.
8. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 6, dans lequel le matériau agglomérant est une composition liante vitrifiée comprenant une composition d’oxyde calciné de 71 % en poids de S1O2 et de B2O3, 14 % en poids d’Al203, moins de 0,5 % en poids d’oxydes alcalino-terreux et 13 % en poids d’oxydes alcalins.
9. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 5, dans lequel le matériau agglomérant est un matériau en céramique choisi parmi la silice, les alcalis, les alcalino-terreux, les silicates mixtes d’alcalis et d’alcalino-terreux, les silicates d’aluminium, les silicates de zirconium, les silicates hydratés, les aluminates, les oxydes, les nitrures, les oxynitrures, les carbures, les oxycarbures et les combinaisons et dérivés de ceux-ci.
10. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel la porosité interconnectée est obtenue sans l’utilisation de milieux d'induction de pores durant la fabrication de l’outil.
11. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel l’outil abrasif aggloméré a une densité maximum de 2,2 g/cm3.
12. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel la porosité interconnectée de l’outil est caractérisée par une valeur relative de perméabilité à l’air (Q/P) en cm3/seconde/pouce de l’eau d’au moins 10 % supérieure à la Q/P d’un outil abrasif aggloméré comparable fabriqué avec le même grain abrasif et les mêmes matériaux liants à la même porosité et aux mêmes pourcentages de liant en volume mais fabriqué sans agglomérats frittés.
13. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel les agglomérats frittés ont une taille moyenne deux à vingt fois plus grande que la taille moyenne du grain abrasif.
14. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 13, dans lequel la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés est de 200 à 3 000 micromètres de diamètre moyen.
15. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 13, dans lequel les grains abrasifs sont des grains microabrasifs et la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés sont de 5 à 180 micromètres de diamètre moyen.
16. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel le diamètre moyen des agglomérats frittés n’est pas supérieur à la dimension moyenne de la porosité interconnectée lorsque la porosité interconnectée est mesurée à un point d’ouverture maximum.
17. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 2, dans lequel l’outil comprend 35 à 52 % en volume d’agglomérats frittés, 3 à 13 % en volume de liant vitrifié et 35 à 70 % en volume de porosité.
18. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 17, dans lequel le liant est choisi parmi le groupe constitué de liants organiques et de liants métalliques.
19. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 1, dans lequel l’outil comprend en outre au moins un composant choisi parmi le groupe constitué de grains abrasifs secondaires, de charges, d’auxiliaires de broyage, de milieux d’induction de pores et de combinaisons de ceux-ci.
20. Outil abrasif aggloméré, vitrifié, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 5 à 75 % en volume d’agglomérats frittés d’une multitude de grains abrasifs avec un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une viscosité A à la température de fusion du matériau agglomérant ; b) un liant vitrifié caractérisé par une viscosité B à la température de fusion du matériau agglomérant, la viscosité B étant au moins de 33 % inférieure à la viscosité A ; et c) une porosité d’environ 35 à 80 % en volume, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée.
21. Outil abrasif aggloméré, vitrifié, selon la revendication 20, dans lequel la viscosité A du matériau agglomérant est de 345 à 55 300 poises à 1 180°C.
22. Outil abrasif aggloméré, vitrifié, selon la revendication 20, dans lequel la viscosité B du matériau liant vitrifié est de 30 à 37 000 poises à 1 180°C.
23. Outil abrasif aggloméré, vitrifié selon la revendication 20, dans lequel les agglomérats frittés ont une forme initiale à trois dimensions et une distribution granulométrique initiale, et, après fabrication de l’outil avec les agglomérats frittés, au moins 50 %, en poids, des agglomérats frittés à l’intérieur de l’outil retiennent une multitude de grains abrasifs maintenus en une forme à trois dimensions, et au moins 50 %, en poids, des agglomérats frittés ont une taille située à l’intérieur de la distribution granulométrique initiale.
24. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel l’outil a une densité maximum de 2,2 g/cm3.
25. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel le matériau agglomérant comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux en céramique, de matériaux vitrifiés, de compositions liantes vitrifiées et de combinaisons de ceux-ci.
26. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel la température de fusion du matériau agglomérant est de 800 à 1 300°C.
27. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel la porosité interconnectée est obtenue sans l’utilisation de milieux d'induction de pores durant la fabrication de l’outil.
28. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel la porosité interconnectée de l’outil est caractérisée par une valeur relative de perméabilité à l’air (Q/P) en cm3/seconde/pouce d’eau d’au moins 10 % supérieure à la Q/P d’un outil abrasif aggloméré, comparable, fabriqué avec le même grain abrasif et les mêmes matériaux liants à la même porosité et au même pourcentage de liant en volume, mais fabriqué sans les agglomérats frittés.
29. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel les agglomérats frittés ont une densité initiale de tassement en vrac < 1,6 g/cm3 avant la fabrication de l’outil.
30. Outil abrasif aggloméré, vitrifié, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 5 à 60 % en volume d’agglomérats frittés d’une multitude de grains abrasifs avec un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion A ; b) un liant vitrifié, caractérisé par une température de fusion B, la température de fusion B étant au moins 150°C inférieure à la température de fusion A ; et c) une porosité d’environ 35 à 80 % en volume, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée.
31. Outil abrasif aggloméré, vitrifié selon la revendication 30, dans lequel les agglomérats frittés ont une forme initiale à trois dimensions et une distribution granulométrique initiale, et, après fabrication de l’outil avec les agglomérats frittés, au moins 50 % en poids des agglomérats frittés à l’intérieur de l’outil retiennent une multitude de grains abrasifs maintenus en une forme à trois dimensions, et au moins 50 %, en poids, des agglomérats frittés ont une taille située à l’intérieur de la distribution granulométrique initiale.
32. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 30, dans lequel l’outil a une densité maximum de 2,2 g/cm3.
33. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 30, dans lequel le matériau agglomérant comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux en céramique, de matériaux vitrifiés, de compositions liantes vitrifiées et de combinaisons de ceux-ci.
34. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 30, dans lequel la température de fusion A du matériau agglomérant est de 950 à 1 300°C.
35. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 30, dans lequel la porosité interconnectée est obtenue sans utilisation de milieux d’induction de pores durant la fabrication de l’outil.
36. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 30, dans lequel la porosité interconnectée de l’outil est caractérisée par une valeur relative de perméabilité à l’air (Q/P) en cm3/seconde/pouce d’eau d’au moins 10 % supérieure à la Q/P d’un outil abrasif aggloméré, comparable fabriqué avec le même grain abrasif et les mêmes matériaux liants à la même porosité et aux mêmes pourcentages de liant en volume, mais fabriqué sans les agglomérats frittés.
37. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 20, dans lequel les agglomérats frittés ont une densité initiale de tassement en vrac <1.6 g/cm3, avant la fabrication de l’outil.
38. Outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : a) environ 34 à 56 % en volume de grains abrasifs ; b) environ 3 à 25 % en volume de liant ; et c) environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée ; et l’outil étant substantiellement exempt de milieux d’induction de porosité et de matériaux de forme allongée ayant un rapport de forme longueur sur largeur transversale d’au moins 5:1.
39. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 38, dans lequel 5 à 100 % en volume des grains abrasifs sont constitués de grains abrasifs maintenus à l’intérieur d’agglomérats frittés à trois dimensions, et les agglomérats frittés comprennent une multitude de grains abrasifs avec un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion située entre 500 et 1 400°C.
40. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 38, dans lequel le liant est un liant vitrifié.
41. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel le matériau agglomérant comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux en céramique, de matériaux vitrifiés, de compositions liantes vitrifiées et de combinaisons de ceux-ci.
42. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 38, dans lequel la porosité interconnectée de l’outil est caractérisée par une valeur relative de perméabilité à l’air (Q/P) en cm3/seconde/pouce d’eau d’au moins 10 % supérieure à la Q/P d’un outil abrasif aggloméré comparable, fabriqué avec le même grain abrasif et les mêmes matériaux liants à la même porosité et aux mêmes pourcentages de liant en volume, mais fabriqué sans agglomérats frittés.
43. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel les agglomérats frittés ont une densité de tassement en vrac <1,6 g/cm3 avant la fabrication de l’outil.
44. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel l’outil abrasif aggloméré a une distribution de porosité bimodale de pores intra-agglomérats et de porosité interconnectée.
45. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel l’outil comprend en outre au moins un composant choisi parmi le groupe constitué de grains abrasifs secondaires, de charges, d’auxiliaires de broyage et de combinaisons de ceux-ci.
46. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés est de 200 à 3 000 micromètres de diamètre moyen.
47. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel les grains abrasifs sont des grains microabrasifs et la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés est de 5 à 180 micromètres de diamètre moyen.
48. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 39, dans lequel le diamètre moyen des agglomérats frittés n’est pas supérieur à une dimension moyenne de la porosité interconnectée lorsque la porosité interconnectée est mesurée à un point d’ouverture maximum.
49. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 40, dans lequel l’outil a une densité maximum de 2,2 g/cm3.
50. Outil abrasif comprenant 5 à 75 % en volume d’agglomérats de grains abrasifs, fabriqué selon un procédé comprenant les étapes : a) d’alimentation des grains abrasifs et d’un matériau agglomérant, choisis parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux liants vitrifiés, de matériaux vitrifiés, de matériaux en céramique, de liants inorganiques, de liants organiques et de combinaisons de ceux-ci, à l’intérieur d’un four rotatif de calcination à une vitesse d’alimentation contrôlée ; b) de rotation du four à une vitesse contrôlée ; c) de chauffage du mélange à une vitesse de chauffage déterminée par la vitesse d’alimentation et la vitesse du four à des températures d’environ 145 à 1 300°C ; d) de mise en rotation du mélange dans le four jusqu’à ce que le matériau agglomérant adhère aux grains et qu’une multitude de grains adhèrent les uns aux autres pour créer une multitude d’agglomérats frittés ; e) de récupération des agglomérats frittés du four, les agglomérats frittés étant constitués d’une multitude de grains abrasifs agglomérés par le matériau agglomérant ayant une forme initiale à trois dimensions et une densité de tassement en vrac <1,6 g/cm3 ; f) de moulage des agglomérats frittés en un corps composite mis en forme ; et g) de traitement thermique du corps composite mis en forme pour donner l’outil abrasif.
51. Outil abrasif selon la revendication 50, incluant en outre l’étape de mélange des agglomérats frittés avec un matériau liant pour former un mélange d’agglomérats.
52. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 51, dans lequel le matériau liant est un matériau liant vitrifié.
53. Outil abrasif aggloméré, vitrifié selon la revendication 52, dans lequel le liant vitrifié a une température de calcination du liant au moins 150°C inférieure à la température de fusion du matériau agglomérant.
54. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel le matériau agglomérant comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux en céramique, de matériaux vitrifiés, de compositions liantes vitrifiées et de combinaisons de ceux-ci.
55. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 54, dans lequel la température de fusion du matériau agglomérant est d’environ 800 à 1 300°C.
56. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 55, dans lequel le matériau agglomérant est caractérisé par une viscosité d’environ 30 à 55 300 poises à la température de fusion du matériau agglomérant.
57. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 55, dans lequel le matériau agglomérant est une composition liante, vitrifiée comprenant une composition d’oxydes calcinés de 71 % en poids de S1O2 et de B2O3, 14 % en poids d’Al203, moins de 0,5 % en poids d’oxydes alcalino-terreux et 13 % en poids d’oxydes alcalins.
58. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 54, dans lequel le matériau agglomérant est un matériau en céramique choisi parmi la silice, les alcalis, les alcalino-terreux, les silicates mixtes d’alcalis et d’alcalino-terreux, les silicates d’aluminium, les silicates de zirconium, les silicates hydratés, les aluminates, les oxydes, les nitrures, les oxynitrures, les carbures, les oxycarbures et les combinaisons et dérivés de ceux-ci.
59. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel la porosité interconnectée est obtenue sans ajout de milieux d’induction de pores.
60. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel l’outil comprend en outre environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée.
61. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 52, dans lequel l’outil a une densité maximum de 2,2 g/cm3.
62. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel les agglomérats frittés ont une dimension moyenne deux à vingt fois plus grande que la taille moyenne du grain abrasif.
63. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés est de 200 à 3 000 micromètres de diamètre moyen.
64. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel les grains abrasifs sont des grains microabrasifs et la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés est de 5 à 180 micromètres de diamètre moyen.
65. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 60, dans lequel la porosité interconnectée de l’outil est caractérisée par une valeur relative de perméabilité à l’air (Q/P), en cm3/s/pouce d’eau d’au moins 10 % supérieure à la Q/P d’un outil abrasif aggloméré comparable fabriqué avec le même grain abrasif et les mêmes matériaux liants à la même porosité et aux mêmes pourcentages de liant en volume, mais fabriqué sans agglomérats frittés.
66. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 51, dans lequel l’outil comprend 35 à 52 % en volume d’agglomérats frittés, 3 à 13 % en volume de liant vitrifié et 35 à 70 % en volume de porosité.
67. Outil abrasif aggloméré selon la revendication 50, dans lequel l’outil comprend en outre au moins un composant choisi parmi le groupe constitué de grain abrasif secondaire, de charges, d’auxiliaires de broyage, de milieux d’induction de pores et de combinaisons de ceux-ci.
68. Procédé de broyage, comprenant les étapes de : a) fourniture d’un outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : 1. environ 5 à 75 % en volume d’agglomérats frittés, comprenant une multitude de grains abrasifs maintenus à l’aide d’un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion située entre 500 et 1 400°C et les agglomérats frittés ayant une forme à trois dimensions et une distribution granulomètrique initiale avant la fabrication de l’outil ; 2. un liant ; et 3. environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée ; dans lequel au moins 50 % en poids, des agglomérats frittés à l’intérieur de l’outil abrasif aggloméré retiennent une multitude de grains abrasifs maintenus dans une forme à trois dimensions après la fabrication de l’outil ; b) la mise en contact de l’outil abrasif aggloméré avec une pièce à travailler ; et c) l'abrasion de la surface de la pièce à travailler avec l’outil abrasif aggloméré.
69. Procédé de broyage, comprenant les étapes de : a) fourniture d’un outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l’écoulement des fluides, l’outil comprenant : 1. environ 34 à 56 % en volume de grain abrasif ; 2. environ 3 à 25 % en volume de liant ; et 3. environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée ; l’outil étant substantiellement exempt de milieux d’induction de porosité et de matériaux de forme allongée ayant un rapport de forme longueur/largeur transversale d’au moins 5:1. b) mise en contact de l’outil abrasif aggloméré avec une pièce à travailler ; et c) l'abrasion de la surface de la pièce à travailler avec l’outil abrasif aggloméré.
70. Procédé d’agglomération de grains abrasifs, comprenant les étapes : a) d’alimentation du grain et d'un matériau agglomérant, choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux liants vitrifiés, de matériaux vitrifiés, de matériaux en céramique, de liants inorganiques, de liants organiques, d’eau, de solvants et de combinaisons de ceux-ci, à l’intérieur d’un four rotatif de calcination à une vitesse d’alimentation contrôlée ; b) de rotation du four à une vitesse contrôlée ; c) de chauffage du mélange à une vitesse de chauffage déterminée par la vitesse d’alimentation et la vitesse du four à des températures d’environ 145 à 1 300°C, d) de mise en rotation du grain et du matériau agglomérant dans le four jusqu’à ce que le matériau agglomérant adhère au grain et qu’une multitude de grains adhèrent les uns aux autres pour créer une multitude d’agglomérats frittés ; et e) de récupération des agglomérats frittés du four, moyennant quoi les agglomérats frittés ont une forme initiale à trois dimensions, une densité de tassement en vrac <1,6 g/cm3et comprennent une multitude de grains abrasifs.
71. Procédé selon la revendication 70, comprenant en outre l’étape de fabrication d’un mélange uniforme du grain abrasif et du matériau agglomérant et ensuite l’alimentation du mélange dans le four rotatif de calcination.
72. Procédé selon la revendication 70, dans lequel le mélange est mis en rotation dans le four chauffant durant environ 0,25 à 2,0 heures.
73. Procédé selon la revendication 70, dans lequel les agglomérats frittés sont deux à vingt fois plus grands en taille que le grain abrasif.
74. Procédé selon la revendication 70, dans lequel le four est incliné selon un angle d’inclinaison d’environ 0,5 à 5 degrés.
75. Procédé selon la revendication 70, dans lequel le four est mis en rotation à une vitesse de 0,5 à 10 tr/min.
76. Procédé selon la revendication 71, dans lequel le mélange est alimenté dans le four à une vitesse d’alimentation d’environ 5 à 910 kg/h.
77. Procédé selon la revendication 71, dans lequel la vitesse d’alimentation du mélange est fixée de sorte que le mélange occupe 8 à 12 % en volume du volume du four.
78. Procédé selon la revendication 70, dans lequel les agglomérats frittés ont une résistance minimum à l’écrasement de 0,5 à 50 % de la fraction écrasée dans un test de compactage.
79. Procédé selon la revendication 71, dans lequel le mélange comprend en outre au moins un composant choisi parmi le groupe constitué de grain abrasif secondaire, de charges, d’auxiliaires de broyage, de milieux d’induction de pores et de combinaisons de ceux-ci.
80. Procédé selon la revendication 71, dans lequel le mélange comprend en outre des milieux d’induction de pores choisis parmi le groupe constitué de sphères creuses en verre, de coques de noix broyées, de sphères ou de billes creuses en matériau plastique ou de composés organiques, de particules en verre cellulaire, de mullite ventilée et d’alumine ventilée, et de combinaisons de ceux-ci.
81. Procédé selon la revendication 70, dans lequel le grain et le matériau agglomérant sont chauffés à une température de 800 à 1 200°C dans le four.
82. Procédé selon la revendication 81, dans lequel la température est suffisamment efficace pour provoquer la fusion et l’écoulement du matériau agglomérant et la viscosité du matériau agglomérant fondu est d’au moins 300 poises.
83. Procédé selon la revendication 71, dans lequel le mélange uniforme est aggloméré pour former des agglomérats crus et ensuite les agglomérats crus sont alimentés à l’intérieur du four rotatif de calcination ;
84. Agglomérats frittés de grain abrasif fabriqués par l'intermédiaire d'un procédé comprenant les étapes : a) d’alimentation du grain abrasif avec un matériau agglomérant à l’intérieur d’un four rotatif de calcination à une vitesse d’alimentation contrôlée ; b) de rotation du four à une vitesse contrôlée ; c) de chauffage du mélange à une vitesse de chauffage déterminée par la vitesse d’alimentation et la vitesse du four à des températures d’environ 145 à 1 300°C, d) de mise en rotation du grain et du matériau agglomérant dans le four jusqu’à ce que le matériau agglomérant adhère au grain et qu’une multitude de grains adhèrent les uns aux autres pour créer une multitude d’agglomérats frittés ; et e) de récupération des agglomérats frittés du four, moyennant quoi les agglomérats frittés ont une forme initiale à trois dimensions, une densité de tassement en vrac <1,6 g/cm3 et comprennent une multitude de grains abrasifs.
85. Agglomérats frittés selon la revendication 84, comprenant en outre au moins un composant choisi parmi le groupe constitué de grain abrasif secondaire, de charges, d’auxiliaires de broyage, de milieux d’induction de pores et de combinaisons de ceux-ci.
86. Agglomérats frittés selon la revendication 84, dans lequel le matériau agglomérant comprend un matériau choisi parmi le groupe constitué essentiellement de matériaux liants vitrifiés, de matériaux vitrifiés, de matériaux en céramique, d’agglomérants inorganiques, d’agglomérants organiques, de matériaux liants organiques, de matériaux liants métalliques et de combinaisons de ceux-ci.
87. Agglomérats frittés selon la revendication 84, comprenant en outre l’étape de fabrication d’un mélange uniforme des grains abrasifs et du matériau agglomérant et ensuite à alimenter le mélange dans le four rotatif de calcination.
88. Agglomérats frittés selon la revendication 84, dans lesquels les agglomérats frittés ont une taille moyenne deux à vingt fois plus grande que la taille moyenne du grain abrasif.
89. Agglomérats frittés selon la revendication 84, dans lesquels la gamme initial de dimension des agglomérats frittés est de 200 à 3 000 micromètres de diamètre moyen.
90. Agglomérats frittés selon la revendication 84, dans lesquels les grains abrasifs sont des grains microabrasifs et la gamme initiale de dimension des agglomérats frittés est de 5 à 180 micromètres de diamètre moyen.
91. Agglomérats frittés selon la revendication 84, dans lesquels le granule comprend environ 30 à 88 % en volume de porosité.
92. Agglomérats frittés selon la revendication 91, dans lesquels jusqu’à 75 % en volume de la porosité comprend la porosité interconnectée.
93. Agglomérats frittés selon la revendication 84, dans lesquels la densité relative des agglomérats, telle que mesurée à l’aide d’une technique volumique de déplacement de fluide et exprimée sous la forme d’un rapport du volume des agglomérats sur le volume apparent du grain abrasif et du matériau agglomérant employé pour fabriquer les agglomérats, est d’un maximum de 0,7. ABREGE Un outil abrasif aggloméré, ayant une structure perméable à l'écoulement des fluides, comprend des agglomérats frittés d'une multitude de grains abrasifs et un matériau agglomérant, le matériau agglomérant étant caractérisé par une température de fusion située entre 500 et 1 400°C, et les agglomérats frittés ayant une densité de tassement en vrac <1,6g/cm3 et une forme à trois dimensions ; un matériau liant; et environ 35 à 80 % en volume de porosité totale, incluant au moins 30 % en volume de porosité interconnectée. Des procédés de fabrication des agglomérats frittés et des outils abrasifs contenant les agglomérats frittés sont décrits.
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