專利名稱：高滲透性磨輪的制造方法
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及使用細(xì)長磨粒制造磨料制品的方法，來獲得適用于高性能研磨用途的高滲透性的磨料制品。所述磨料制品具有前所未有的互相連通的孔隙度、開放度(openness)和研磨性能。
孔隙，尤其是在磨具中相互連接的孔隙在兩個(gè)方面起著關(guān)鍵的作用。孔隙為研磨流體(如冷卻劑)提供通道來散發(fā)在研磨過程產(chǎn)生的熱量，使得研磨環(huán)境保持恒冷，以及為潤滑劑提供通道，以便降低運(yùn)動(dòng)的磨粒和工件表面之間的摩擦力和提高磨削與摩損之比。該流體和潤滑劑使金屬損耗(如燒毀)減至最小程度并使磨具的壽命延長至最長。這在沿一個(gè)深的研磨通道除去大量物料而不影響工件尺寸精度的高效率深磨削和現(xiàn)代精確加工工藝(如蠕動(dòng)進(jìn)料研磨)中尤為重要?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，研磨性能并不能根據(jù)以磨具的體積百分?jǐn)?shù)表示的孔隙度預(yù)測。決定磨具性能的卻是以對流體(空氣，冷卻劑。潤滑劑等)的滲透性為量度的磨輪的結(jié)構(gòu)開放度(即孔的互通性)。
磨具有了滲透性也便于清除從被研磨物體上磨去的物料(如金屬碎片和碎屑)。當(dāng)被研磨的工件材料是“難以磨削加工”的柔軟材料或粘性材料(如鋁或某些合金)并產(chǎn)生長的金屬屑時(shí)，必須清除這些碎屑。如果磨輪沒有滲透性，磨輪的研磨表面容易發(fā)生堵塞，就難于進(jìn)行研磨操作。
為了使磨具滿足孔隙度要求，近年來采取了一系列的方法。
Carman等的美國專利NO.A-5,221,294公開了用一步法制得的磨輪。它的體積孔隙度為5-65％。在該方法中通過在固化過程燒掉有機(jī)成孔物質(zhì)來產(chǎn)生網(wǎng)狀的磨料結(jié)構(gòu)。
Gotoh等的日本專利No.A-91-161293公開了具有大體積孔隙的磨料制品，各個(gè)孔隙的直徑是方該制品中所用磨粒的平均直徑的1-10倍。所述孔隙是使用固化過程中燒去的材料形成的。
Satoh等的日本專利No.A-91-281174公開了具有大體積孔隙的磨料制品，各個(gè)孔隙的直徑是該制品中所用磨粒平均直徑的至少10倍。在固化過程中燒去有機(jī)成孔材料，來獲得50％體積的孔隙度。
Gary等的美國專利No.A-5,037,452公開了一種用于表示形成多孔磨輪所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù)。
Sheldon等的美國專利No.A-5,203,886公開了用于制造高孔隙度玻璃化粘結(jié)磨輪的有機(jī)孔隙形成劑(如胡桃殼)和閉孔孔隙形成劑(如多孔氧化鋁)的混合物。一種“天然的或殘留的孔隙度”(計(jì)算值約28-53％)被描述為磨輪總孔隙度的一部分。
Rue等的美國專利No.A-5,244,477公開了絲狀磨粒。這些磨粒用來與孔隙形成劑一起制造含0-73體積％孔隙的磨料制品。
Nelson的美國專利A-3,273,984報(bào)導(dǎo)了含有機(jī)的或樹脂粘結(jié)劑和至少30％體積磨粒的磨料制品，該制品最多具有68％體積的孔隙度。
Wu的美國專利No.A-5,429,648公開了含有有機(jī)孔隙形成劑的玻璃化磨料，燒去孔隙形成劑就形成具有35-65體積％孔隙度的磨料制品。
這些和其它類似的方法可分為下面的兩大類別。但沒有一類能真正滿足高滲透性磨具的要求。
第一類是燃燒法。通過在磨輪原料的混合階段加入有機(jī)成孔介質(zhì)(如胡桃殼)形成孔隙結(jié)構(gòu)。在燒成磨具的生坯時(shí)這些介質(zhì)發(fā)生熱分解，從而在固化的磨具中留下空隙或孔隙。這種方法的缺點(diǎn)包括在孔隙形成劑的儲存過程中吸收水分；混合效果重復(fù)性差并且混合物會發(fā)生分離，這部分是由于水分，部分是由于磨粒和孔隙形成劑的密度差異造成的；由于生坯從模具中取出后孔隙形成劑隨時(shí)間的應(yīng)變釋放，使得壓制生坯厚度增大，即“回彈”，導(dǎo)致磨具的尺寸難以控制；如果加熱速率不足夠慢，或者玻璃化粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)不足夠高，燒成磨料制品中孔隙形成劑就不能完全燃燒或發(fā)生“核化”或“黑化”；當(dāng)孔隙形成劑熱分解時(shí)，產(chǎn)生氣體中的排放物和氣味常對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。
第二類是閉孔或氣泡法。通過在磨具中加入多孔氧化鋁之類的物料產(chǎn)生孔隙度，而不是采取燒掉有機(jī)成孔物質(zhì)的辦法。但是，由這些氣泡產(chǎn)生的孔隙是在磨具的內(nèi)部，而且是封閉的。因此，這種孔隙結(jié)構(gòu)不能滲透冷卻劑和潤滑劑。而且其孔隙尺寸一般沒有大到足以清除金屬屑的程度。
為了克服這些缺點(diǎn)并保持和最大限度地提高孔隙形成法的各種優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明利用長度與直徑之比，即長徑比(L/D)至少為5∶1的細(xì)長或纖維狀磨粒填充度差特性，來提高磨輪的滲透性和孔隙度?？梢赃x用纖維狀填料或與纖維狀磨粒組合使用。
當(dāng)細(xì)長的磨粒用于磨料制品組合物時(shí)，在燒成或固化后就能產(chǎn)生高孔隙度、高滲透性和高研磨性能的磨具，而沒有煅燒法和孔隙形成法的缺點(diǎn)。
發(fā)明的概述本發(fā)明是一種磨料制品的制造方法。該磨料制品含有約55-80％體積的相互連接孔度隙和研磨有效量的磨粒和粘結(jié)劑；該方法包括如下步驟a)把包含長度對截面寬度之比至少為5∶1的細(xì)長磨粒與玻璃化粘結(jié)劑的混合物混和，形成磨料混合物；b)在模具中壓制該磨料混合物，形成磨料制品生坯；c)在能有效地固化磨料制品生坯從而形成磨料制品的條件下于600-1200℃燒成磨料制品生坯。燒成步驟所用的時(shí)間至少是在相同條件下燒成不含細(xì)長磨粒的相同磨料制品生坯所需時(shí)間的一半。該磨料制品的空氣滲透性(以毫升空氣/秒/英寸水為單位)至少為磨粒截面寬度的0.44倍。
本發(fā)明包括一種磨料制品的制造方法。該磨料制品含有約40-55％體積的相互連接孔隙度和研磨有效量的磨粒和粘結(jié)劑；該方法包括如下步驟a)把包含長度截面寬度比至少為5∶1的細(xì)長磨粒與玻璃化粘結(jié)劑的混合物混和，形成磨料混合物；b)在模具中壓制該磨料混合物，形成磨料制品生坯；c)在能有效地固化磨料制品生坯和形成磨料制品的條件下于600-1200℃燒成磨料制品生坯。燒成步驟所用的時(shí)間至少是在相同條件下燒成不含細(xì)長磨粒的相同磨料制品生坯所需時(shí)間的一半。該磨料制品的空氣滲透性(以毫升空氣/秒/英寸水為單位)至少為磨粒截面寬度的0.22倍。
固化后，用這種方法制得的磨料制品相對磨料制品生坯的尺寸差別小于3％體積，而且在壓制后磨料制品生坯基本上沒有回彈。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明的磨料制品包含研磨操作所需的有效量的磨粒和粘結(jié)劑，以及任選的填料、潤滑劑或其它組分。該磨料制品最好包含能獲得的最大可滲透孔隙度，同時(shí)又能保持足夠大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受研磨力。磨料制品包括磨具，如磨輪、磨石和磨片以及用于研磨工件的其它形式的粘結(jié)磨粒。
磨料制品可包含約40-80體積％，較好45-75體積％，最好50-70％體積的相互連接孔隙度。相互連接的孔隙是磨料制品的中由粘結(jié)磨料顆粒之間的空隙構(gòu)成且能流過流體的孔隙。
其余的體積(20-60％)是磨粒和粘結(jié)劑，磨粒與粘結(jié)劑的體積比約為20∶1-1∶1(磨粒/粘結(jié)劑)。這些量對研磨是有效的，對于較大的磨輪以及對于含有機(jī)粘結(jié)劑而非玻璃化粘結(jié)劑的配方，需要更高量的粘結(jié)劑和磨粒。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，磨料制品由玻璃化的粘結(jié)劑制成，并包含15-40％磨粒和3-15％粘結(jié)劑。為了顯示觀察到的磨輪壽命、研磨性能和工件表面質(zhì)量的明顯改進(jìn)，本發(fā)明磨料制品必須至少具有一定的滲透能力(capacity)，以讓流體自由流過磨料制品。本文中所用的磨具的滲透性是Q/P，其中Q指以空氣流動(dòng)的毫升數(shù)表示的流速，P指壓力差。Q/P是在給定的流體(如空氣)流速下，磨具結(jié)構(gòu)和大氣之間測得的壓力差。該相對滲透性Q/P與孔隙體積和孔隙尺寸平方的乘積成比例。較大的孔隙尺寸是較好的。孔隙的幾何形狀和磨粒的尺寸即粒度是影響Q/P的其它因素，較大的粒度形成較高的相對滲透性。Q/P用下面實(shí)施例6所述的設(shè)備和方法測得。
因此，對于在玻璃化粘結(jié)劑中含約55-80％孔隙度并使用截面寬度80-120粒度(grit)(132-194微米)的磨粒的磨具，空氣滲透性至少需要44cc/秒/英寸水才能獲得本發(fā)明的效果。對于大于80粒度(194微米)的磨粒，空氣滲透性至少需要50cc/秒/英寸水。
對于55-80％孔隙度，滲透性與粒度之間的關(guān)系可用下列公式表示最小滲透性=0.44×磨粒的截面寬度。截面寬度至少為220粒度(70微米)較好。
對于在玻璃化粘結(jié)劑中約含40到小于55％孔隙度并使用80-120粒度(132-194微米)的磨粒的磨具，空氣滲透性至少需要29cc/秒/英寸水才能獲得本發(fā)明的效果。對于大于80粒度(194微米)的磨粒，空氣滲透性至少需要42cc/秒/英寸水。
對于40到小于55％孔隙度，滲透性與粒度之間的關(guān)系可用下列公式表示最小滲透性=0.22×磨粒的截面寬度。
對于給定類型的磨料制品，專業(yè)人員可將這些關(guān)系和D’Arcy定律用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確定其它粒度、粘結(jié)劑類型和孔隙度情況下與上面類似的最小相對滲透性。
為了在壓制和燒成步驟中保持所需的滲透性，采用較小截面寬度的磨粒，就需要使用纖維狀間隔物(如多孔氧化鋁)。也可使用較大粒度的磨粒。增加粒度的唯一限制在于粒度必須與工件、研磨機(jī)械、磨輪組成和幾何形狀、表面光潔度等、專業(yè)人員根據(jù)具體的研磨操作的需要所選擇并執(zhí)行的其它條件相適應(yīng)。
本發(fā)明增大的滲透性和改進(jìn)的研磨性能來自于由纖維狀顆粒(“纖維”)基體所限定的獨(dú)特的、穩(wěn)定的、相互連接的孔隙。該纖維可以細(xì)長磨粒或細(xì)長磨粒和纖維狀填料的混合物。將纖維與粘結(jié)劑組分和其它磨具組分相混合，隨后壓制并固化或燒成以形成磨具。
如果用另一種方法(如加入少量的孔隙形成劑)，進(jìn)一步隔開纖維顆粒使顆粒排列得更松散，則可獲得更高的孔隙度。由于孔隙形成劑在燒成時(shí)發(fā)生熱分解，含有機(jī)孔隙形成劑顆粒的生坯會收縮成尺寸較小的制品，因?yàn)轭w粒必須相互連接使制品成為一個(gè)整體。因此，較好避免使用有機(jī)孔隙形成劑，如果使用，也要限制到至多占磨輪體積的5％。磨具燒成后的最終尺寸和形成的最終滲透性是纖維的長徑比的函數(shù)。L/D越大，纖維填充陣列的滲透性也就越高。
人們認(rèn)為，細(xì)長的磨粒在磨輪中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)各向異性，而且與粒狀磨粒相比它增加了磨輪磨削點(diǎn)的實(shí)際數(shù)目。因此，磨輪更鋒利。另外，如果使用細(xì)長磨粒，每個(gè)磨粒會有更多的粘結(jié)部位(bond posts)。因此粘結(jié)得就更牢，磨粒就具有更長的使用壽命。相對于L/D短的相同類型的磨粒，由于上述作用，采用細(xì)長磨粒就能制造孔隙度和滲透性更高以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相同或更高的磨輪。
任何磨料混合物配方可用于制備本發(fā)明磨料制品的本發(fā)明方法，只要該混合物含有長徑比至少為5∶1的磨粒，且在壓制燒成以后能形成具有本申請規(guī)定的最低滲透性能(minimun permeability)和相互連接孔隙度特性的磨具即可。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，磨料制品包含混有燒結(jié)的溶膠凝膠法α-氧化鋁基多晶研磨材料的絲狀磨粒，所述多晶研磨材料的晶體尺寸較好不超過1-2微米，最好小于0.4微米。合適的絲狀顆粒公開在Rue等的美國專利No.A-5,244,477、Kalinowski等的美國專利A-5,129,919、Kalinowski等的美國專利A-5,035,723和Rue等的美國專利A-5,009,676中。這些專利參考結(jié)合于此?？捎糜诒景l(fā)明中獲得絲狀磨粒的晶粒較大的其它類型的多晶氧化鋁磨粒公開在，例如Leitheisen等的美國專利No.A-4,314,705和Wood的A-5,431,705中，這些文獻(xiàn)參考結(jié)合于此。由這些原料制得的絲狀磨粒的L/D較好至少為5∶1，較好為6∶1?？墒褂酶鞣N絲的形狀，包括如直的、曲線的、螺旋的和彎曲的纖維。在一個(gè)較好的實(shí)例中，氧化鋁纖維是空心的。
在本發(fā)明制品中可使用任何磨粒，無論其是否是絲狀的(絲狀顆粒占主要部分)?？墒褂昧６燃s0.5-5,000微米，較好約2-200微米的常規(guī)磨粒，它包括，但不限于氧化鋁、碳化硅、氧化鋯-氧化鋁、石榴石和金剛砂。可以使用常規(guī)磨?；蜷L徑比超過4∶1的細(xì)長磨粒形式的磨料或超級磨料(superabrasive)?？蓪⒘６认嗤某壞チ嫌米鞒Ｒ?guī)磨粒。超級磨料包括，但不限于金剛石、立方氮化硼和低氧化硼(如美國專利No.A-5,135,892所述，在此引為參考)。
盡管可使用常用于磨料制品中的粘結(jié)劑與纖維狀顆粒一起形成粘結(jié)的磨料制品，但對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和精密研磨用途來說，玻璃化的粘結(jié)劑是較好的。對于例如相互連接的孔隙度約為40-70％的制品，可將本領(lǐng)域已知的其它粘結(jié)劑(如有機(jī)、金屬或樹脂粘結(jié)劑)與合適的固化劑一起使用。
磨料制品中可含有其它添加劑，包括但不限于填料(最好是非球形的，如絲狀的、或者纏結(jié)或團(tuán)聚的絲狀顆粒)、潤滑劑和加工助劑(如防靜電劑和用于模塑和壓制制品的臨時(shí)粘結(jié)劑)。在本文中，術(shù)語“填料”不包括閉孔孔隙形成劑和有機(jī)物質(zhì)型孔隙形成劑。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不難決定研磨混合物中這些可加入的其它組分的合適量。
合適的填料包括次級磨料、固態(tài)潤滑劑、金屬粉末、陶瓷粉末(如碳化硅)和本領(lǐng)域已知的其它填料。
可使用常規(guī)的技術(shù)和設(shè)備混合含有絲狀物質(zhì)、粘結(jié)劑和其它組分的磨料混合并使之成形?？赏ㄟ^冷壓、溫壓或熱壓或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其它方法來形成磨料制品。磨料制品可用本領(lǐng)域已知的常規(guī)燒成方法燒成，燒成條件可根據(jù)粘結(jié)劑及其它組分的類型和用量選定，一般來說，若所需孔隙度較大，則所用的燒成時(shí)間較短，溫度較低。
在本發(fā)明方法中，對于在玻璃化粘結(jié)劑中含有長徑比至少為5∶1的磨粒(如溶膠凝膠法氧化鋁)的磨輪，燒成循環(huán)時(shí)間可以減少到含有機(jī)孔隙形成劑但不含L/D長徑比大于4∶1的磨?；蛱盍系哪ポ喼蝎@得相同體積百分?jǐn)?shù)相互連接孔隙度所需時(shí)間的一半。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，將按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)含30-40％磨粒(80-120粒度、6∶1 L/D溶膠凝膠法氧化鋁)、3-15％玻璃化粘結(jié)劑、0-5％填料和0-0.5％加工助劑的磨輪用料混合物放在一個(gè)混合機(jī)中混和，然后裝入磨輪模具，壓制，再在35％相對濕度和43℃條件下進(jìn)行干燥。在爐窯中將壓制的磨輪生坯在1250℃加熱約4小時(shí)，進(jìn)行燒成。
用本方法可制得體積百分?jǐn)?shù)孔隙度等于用等量磨粒和占磨輪生坯體積5-25％有機(jī)孔隙形成劑的磨輪，但滲透性為該加入孔隙形成劑磨輪的2-5倍。這種現(xiàn)有的磨輪詳細(xì)記載在美國專利A-5,429,648中。該專利參考結(jié)合于本發(fā)明中。另外，本方法以燒毀法5倍的速度和一半燒成時(shí)間內(nèi)(使用相同的爐窯、模具和燒成溫度)完成。
用本方法制得的磨料制品具有改進(jìn)的研磨性能，特別在蠕動(dòng)進(jìn)料精密研磨中。與雖用相同的磨料混合物但具有較低的相互連接孔隙度和滲透性和/或具有相同的孔隙度但滲透性較低的相似磨具相比，這種磨具具有更長的磨輪壽命，更高的G-比例(金屬除去速度與磨輪損耗速度之比)和更低的能量消耗(power draw).用本發(fā)明磨具進(jìn)行研磨，比用常規(guī)的磨具能獲得更好、更光滑的工件表面。
實(shí)施例1本實(shí)施例說明使用大長徑比的加晶種溶膠凝膠法氧化鋁(TARGATM)磨粒(購自Norton Company,Worcester,Massachusetts，平均L/D為7.5)，不加入孔隙形成劑制造磨輪的方法。下表1列出了混合物的配方表1磨輪1-3的原料組分重 量份組分(1) (2) (3)磨粒*100 100 100孔隙形成劑 000糊精3.0 3.0 3.0Aroma膠(動(dòng)物膠) 4.3 2.8 1.8乙二醇 0.3 0.2 0.2玻璃化的粘結(jié)劑 30.1 17.1 8.4*(120粒度-132×132×990微米)對于各個(gè)磨輪，根據(jù)上述配方和次序用Hobart混合機(jī)制備混合物。依次加入各個(gè)組分并在每次加料后將前面已加入的組分混合約1-2分鐘?；旌虾?，將混合的物料放入7.6厘米(3英寸)或12,7厘米(5英寸)直徑的鋼模中，用水壓機(jī)冷壓10-20秒，壓成具有一個(gè)2.22厘米(7/8英寸)孔的1.59厘米(5/8英寸)厚的圓盤狀磨輪生坯。磨輪生坯的總體積(直徑、孔和厚度)和其各組分的總重量是根據(jù)磨輪所需和最終密度及燒成后的孔隙度預(yù)先決定的。從磨輪生坯上撤去壓力后，用手工將其從模具中取出放在一塊氈上干燥3-4小時(shí)，隨后在爐窯中燒成。燒成以50℃/小時(shí)的加熱速率將溫度由25℃升高至最大900℃。保溫8小時(shí)后自然冷卻至室溫。
測定燒成后磨輪的密度，檢查其與計(jì)算密度的偏差。由密度測量值計(jì)算孔隙度，因?yàn)橥读锨澳チ：筒ＡЩ辰Y(jié)劑的密度的比例是已知的。三種磨料制品的孔隙度分別為51％體積、58％體積和62％體積。
實(shí)施例2本實(shí)施例說明使用TARGATM磨粒(L/D為30)，不加入孔隙形成劑制造兩種磨輪的方法，可獲得相當(dāng)高孔隙度的磨輪。
下表2列出了混合物的配方。經(jīng)過如實(shí)施例1所述的壓制和燒成后，獲得孔隙度為(4)77％體積和(5)80％體積的磨輪表2磨輪4-5的原料組分重量份組分 (4) (5)磨粒*100 100孔隙形成劑0 0糊精 2.7 2.7Aroma膠(動(dòng)物膠) 3.9 3.4乙二醇0.3 0.2玻璃化的粘結(jié)劑38.724.2*(120粒度～135×80×3600微米)實(shí)施例3本實(shí)施例說明本發(fā)明方法可以制造工業(yè)規(guī)模的磨具，即直徑為500毫米(20英寸)的磨輪。用平均L/D分別為6.14、5.85、7.6的TARGATM細(xì)長磨粒制造三種大型磨輪(20×1×8英寸即500×25×200毫米)，不加入孔隙形成劑，以獲得工業(yè)規(guī)模的蠕動(dòng)進(jìn)料研磨用的磨輪。
下表3列出了混合物配方。在壓制步驟中，最大的回彈小于磨輪厚度的0.2％(0.002英寸即50微米，與磨粒厚度194微米相對照)，遠(yuǎn)低于含有孔隙形成劑的相同規(guī)格的磨輪。各個(gè)部位的壓制厚度非常均勻，其最大差別不超過0.4％(0.004英寸即100微米)。壓制后，用位于磨輪生坯邊緣的環(huán)形空氣囊把每個(gè)生坯轉(zhuǎn)移到一塊氈上，在濕度控制的室內(nèi)干燥過夜。在爐窯中燒成，加熱速率稍低于50℃/小時(shí)，在900℃保溫8小時(shí)。然后在爐窯中讓磨輪自然冷卻至室溫。
燒成后，對三個(gè)玻璃化粘接的磨輪測得的孔隙度為(6)54％、(7)54和(8)58％體積。在磨輪中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，生坯體積到燒成體積的收縮率等于或低于用多孔氧化鋁制得的市售磨輪中觀察到的數(shù)值，從而為該結(jié)構(gòu)提供孔隙度。這三種磨輪重復(fù)制造時(shí)的最大差別(imbalanee)分別為13.6克(0.48盎司)、7.38克(0.26盎司)和11.08克(0.39盎司)，即僅占磨輪總重量的0.1％-0.2％。這些差別數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于平衡調(diào)節(jié)所需的上限。這些結(jié)果表明與常規(guī)磨輪相比，本發(fā)明方法具有在制造高孔隙度磨輪時(shí)質(zhì)量一致性方面的顯著優(yōu)點(diǎn)。
表3磨輪6-8的原料組分重 量 份組分 (6) (7)(8)磨粒*100 100100孔隙形成劑 0 0 0糊精 4.5 4.54.5Aroma膠2.3 3.42.4乙二醇 0.2 0.20.2玻璃化的粘結(jié)劑 11.520.4 12.7*(80粒度～194×194×[194×6.14]微米)實(shí)施例4(Ⅰ)為了比較自動(dòng)壓制設(shè)備利用含孔隙形成劑的混合物和不含孔隙形成劑的本發(fā)明混合物的生產(chǎn)率，用如下混合物在工業(yè)規(guī)模設(shè)備上制造具有相同體積百分?jǐn)?shù)敞開孔隙度的磨輪。
磨輪9的混合物配方重量份成分 (A)(B)本發(fā)明 常規(guī)磨粒*100100孔隙形成劑(胡桃殼) 0 8.0糊精 3.03.0Aroma膠0.77 5.97乙二醇 0 0.2水 1.46 0干燥劑 0.53 0玻璃化的粘結(jié)劑 17.91 18.45*(A)120粒度，132×132×990微米(B)50％溶膠凝膠法氧化鋁，80粒度/50％ 38A氧化鋁80粒度，從NortonCompany,Worcester,Massachustts得到的磨粒。
觀察到本發(fā)明混合物的生產(chǎn)率(單位時(shí)間壓制過程中磨輪的生產(chǎn)量)比含有孔隙形成劑的常規(guī)混合物的生產(chǎn)率提高5倍。本發(fā)明的混合物具有自由流動(dòng)特性，可以進(jìn)行自動(dòng)壓制操作。因?yàn)楸景l(fā)明的混合物不含孔隙形成劑，所以它在壓制后沒有回彈，且在燒成后沒有成核現(xiàn)象。本發(fā)明磨輪的滲透性為43毫升/秒/英寸水。
(Ⅱ)為比較含孔隙形成劑的混合物和本發(fā)明的混合物的燒成特性，用如下混合物制造具有相同體積百分?jǐn)?shù)敞開孔隙度的磨輪。
磨輪10的混合配方重量份組分 (A) (B)本發(fā)明常規(guī)磨粒*100 100孔隙形成劑(胡桃殼) 0 8.0糊精 2.0 2.0Aroma膠1.83 2.7動(dòng)物膠 4.1 5.75乙二醇 0 0.1填充劑(Vinsol粉)0 1.5玻璃化的粘結(jié)劑 26.2726.27*(A)80粒度，194×194×1360微米(B)50％溶膠凝膠氧化鋁，36粒度/50％ 38A氧化鋁，36粒度，從NortonCompany,Worcester,Massachustts得到的磨粒。
燒成后，本發(fā)明的磨輪沒有出現(xiàn)塌落、開裂或成核現(xiàn)象。燒成前，本發(fā)明的壓制磨輪生坯的滲透性(22毫升/秒/英寸水)比用含孔隙形成劑的常規(guī)混合物制成的壓制磨輪生坯的滲透性(5毫升/秒/英寸水)高。可以認(rèn)為，高的生坯滲透性在燒成時(shí)產(chǎn)生高的質(zhì)量/熱量傳遞速度，從而使本發(fā)明磨輪生坯的傳熱能力(heat ratecapability)高于常規(guī)磨輪。如果使用相同的熱成條件，在常規(guī)磨輪所需的一半時(shí)間內(nèi)就完成了本發(fā)明磨輪的燒成。本發(fā)明燒成后的磨輪的滲透性為45毫升/秒/英寸水。
實(shí)施例5本實(shí)施例說明使用預(yù)團(tuán)聚的磨?？芍频酶呖紫抖鹊哪ポ啞ｎA(yù)團(tuán)聚的磨?？稍诩?xì)長磨粒的擠壓過程中通過有控制地減小擠壓速率而制得。在干燥擠出的磨粒前，形成團(tuán)聚物。
如實(shí)施例1所述，由細(xì)長的TARGATM磨粒的團(tuán)聚物(團(tuán)聚物中平均含有5-7個(gè)細(xì)長磨粒，各個(gè)團(tuán)聚物的平均尺寸為194×194×(194×5.96)微米)，不使用孔隙形成劑制得高孔隙度的磨輪。標(biāo)稱長徑比為5.96,LPD為0.99g/cc。下表5列出了混合物配方。壓制燒成后，制得玻璃化粘結(jié)磨輪，其孔隙度為54％體積。
磨輪11的混合物配方成分 重量份磨粒*100孔隙形成劑 0糊精2.7Aroma膠 3.2乙二醇 2.2玻璃化的粘結(jié)劑 20.5*(80粒度的團(tuán)聚物，194×194×1160微米)實(shí)施例6在本實(shí)施例中先描述滲透性測量試驗(yàn)，然后說明使用纖維狀磨?？蓸O大地提高磨料制品的滲透性。
滲透性試驗(yàn)根據(jù)流量和多孔介質(zhì)上壓力差之間相互關(guān)系的D’Arcy定律，用滲透性試驗(yàn)定量測定多孔基質(zhì)的開放度來評價(jià)磨輪。建立的是一種非破壞性試驗(yàn)裝置。該裝置由氣源裝置、流量儀(測定入口空氣流量Q)、壓力表(測定磨輪不同部位的壓力差別)和連接在氣源裝置上的噴嘴(用于將空氣流導(dǎo)入磨輪上不同的表面位置)所組成。
在試驗(yàn)中使用的空氣入口壓力P0為1.76kg/cm2(25psi)，入口空氣流量Q0為14m3/小時(shí)(500英尺3/小時(shí))，探頭噴嘴尺寸為2.2em。取若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(每個(gè)磨輪8-16個(gè)點(diǎn))(即每面上4-8個(gè)點(diǎn))，獲得準(zhǔn)確的平均值。
磨輪測量結(jié)果表6比較了各種磨輪的滲透性數(shù)據(jù)(Q/P，以cc/秒/英寸水為單位)。
表6磨輪滲透性
使用厚度至少為1/2英寸(1.27cm)，通常厚度為1英寸(2.54cm)的磨輪使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。不可能制得供實(shí)施例2用的對照磨輪，因?yàn)樵摶旌衔锊荒軌褐瞥杀景l(fā)明磨輪的高孔隙度(用另一種標(biāo)準(zhǔn)磨料混合物中的細(xì)長磨粒制得)。對照磨輪是用4∶1長徑比的溶膠凝膠法氧化鋁磨粒與1∶1長徑比的溶膠凝膠法或38A氧化鋁磨粒50/50體積百分?jǐn)?shù)的混合物制得的，這些磨粒均購自Norton Company,Worcester,Massachusetts。
磨輪11含有團(tuán)聚的細(xì)長磨粒，因此該數(shù)據(jù)不能直接與用非團(tuán)聚細(xì)長磨粒制得的磨粒進(jìn)行比較，也不能用等式滲透性=0.44×磨粒截面寬度來進(jìn)行其滲透性的描述。但是，本發(fā)明的這種含團(tuán)聚細(xì)長顆粒的磨輪與對照磨輪相比較為優(yōu)越，并且與含有在其它方面相同類型非團(tuán)聚細(xì)長磨粒的磨輪的預(yù)測的滲透性幾乎相等。
數(shù)據(jù)表明，用本發(fā)明方法制得的磨輪的滲透性比具有相同孔隙度的常規(guī)磨輪的滲透性高大約2-3倍。
實(shí)施例7本實(shí)施例說明在蠕動(dòng)進(jìn)料的研磨方式中磨粒的長徑比對研磨性能的影響。如表7所示，選擇一組孔隙度為54％并含有等量磨粒和粘結(jié)劑的磨輪(NortonCompany制造廠制，直徑50.8×2.54×20.32cm(20×1×8英寸))進(jìn)行試驗(yàn)。
表7磨輪間的性能差異
a所有磨粒均為120粒度加晶種溶膠凝膠法氧化鋁，購自Norton Company,Worcester,Massachusetts。
試驗(yàn)這些磨輪的研磨性能。研磨是在20.32×10.66×5.33cm(8×4×2英寸)的4340鋼(Rc 48-52)塊上進(jìn)行的，在Blohm機(jī)器上沿鋼塊的最長尺寸進(jìn)行下磨削，不連續(xù)打磨蠕動(dòng)進(jìn)料操作。磨輪的速度為30.5m/s(6000 S.F.P.M.)，磨削深度為0.318cm(0.125英寸)，工作臺行程速度以6.35cm/min(2.5英寸/分鐘)的增量由19.05cm/min提高至工件燒壞為止。使用細(xì)長的Targa磨粒制造孔隙度為54％并且空氣滲透性至少約為50cc/秒/英寸水的磨輪，可極大地改進(jìn)研磨性能。表8概括了各種研磨性能的結(jié)果。除相互連接孔隙的優(yōu)點(diǎn)外，研磨生產(chǎn)率(用金屬磨削的速度表征)和研磨性能指數(shù)(G-比例除以比能量)均與磨粒的長徑比有關(guān)性能隨L/D的增加而提高。
表84個(gè)磨輪之間的研磨性能差異
以厘米/分鐘為單位的速度等于2.54×以英寸/分鐘為單位的速度。以kg/cm為單位的力等于5.59×以磅力/英寸為單位的力。
對于含80-120粒度磨粒的磨輪，可獲得相同的研磨性能。對于更小的粒徑，在滲透性至少約為40cc/秒/英寸水的磨輪上觀察到研磨性能的明顯改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種磨料制品的制造方法，該磨料制品包含約55-80％體積的相互連接孔隙度和研磨有效量的磨粒和粘結(jié)劑；該方法包括如下步驟a)把包含長度對截面寬度之比至少為5∶1的細(xì)長磨粒與玻璃化粘結(jié)劑的混合物混和，形成磨料混合物；b)在模具中壓制該磨料混合物，形成磨料制品生坯；c)在能有效地固化磨料制品生坯和形成磨料制品的條件下于600-1300℃燒成磨料制品生坯。燒成步驟所用的時(shí)間至少是在相同條件下燒成不含細(xì)長磨粒的相同磨料制品生坯所需時(shí)間的一半，該磨料制品的空氣滲透性(以毫升空氣/秒/英寸水為單位)至少為磨粒截面寬度的0.44倍。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于固化后的磨料制品相對磨料制品生坯具有小于3％體積的尺寸改變，而且在壓制后磨料制品生坯基本上沒有回彈。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有60-70％體積的相互連接孔隙率。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有3-15％體積的玻璃化粘結(jié)劑。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有15-43％體積的細(xì)長磨粒。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述磨粒的長度直徑比至少為6∶1。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的磨料制品基本上不含孔隙形成劑材料。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的磨料混合物還含有選自磨粒、填料、加工助劑、它們的混合物以及的它們的團(tuán)聚物的物料。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的細(xì)長磨粒是燒結(jié)的溶膠凝膠法α氧化鋁磨粒。
10．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的填料選自陶瓷纖維、玻璃纖維，有機(jī)纖維、它們的混合物以及它們的團(tuán)聚物。
11．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于對于大于80粒度的磨粒，該制品的空氣滲透性至少為50cc/秒/英寸水。
12．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過在約1100-1300℃的溫度下把磨料制品生坯燒成約1-5小時(shí)，制成磨料制品。
13．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有約16-34％體積的細(xì)長磨粒。
14．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有約15-55％體積的細(xì)長磨粒和約5-20％體積的粘結(jié)劑。
15．一種磨料制品的制造方法，該磨料制品包括約40-55％體積的相互連接孔隙度和研磨有效量的磨粒和粘結(jié)劑；該方法包括如下步驟a)把包含長度截面寬度比至少為5∶1的細(xì)長磨粒與玻璃化粘結(jié)劑的混合物混和，形成磨料混合物；b)在模具中壓制該磨料混合物，形成磨料制品生坯；c)在能有效地固化磨料制品生坯和形成磨料制品的條件下于600-1300℃燒成磨料制品生坯。燒成步驟所用的時(shí)間至少是在相同條件下燒成不含細(xì)長磨粒的相同磨料制品生坯所需時(shí)間的一半，該磨料制品的空氣滲透性(以毫升空氣/秒/英寸水為單位)至少為磨粒截面寬度的0.22倍。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于固化后的磨料制品相對磨料制品生坯具有小于3％體積的尺寸改變，而且在壓制后磨料制品生坯基本上沒有回彈。
17．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有60-70％體積的相互連接孔隙率。
18．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有3-15％體積的玻璃化粘結(jié)劑。
19．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有15-43％體積的細(xì)長磨粒。
20．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述磨粒的長度直徑比至少為6∶1。
21．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的磨料制品基本上不含孔隙形成劑材料。
22．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的磨料混合物還含有選自磨粒、填料、加工助劑、它們的混合物以及的它們的團(tuán)聚物的物料。
23．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的細(xì)長磨粒是燒結(jié)的溶膠凝膠α氧化鋁磨粒。
24．如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述的填料選自陶瓷纖維、玻璃纖維、有機(jī)纖維、它們的混合物以及它們的團(tuán)聚物。
25．如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于對于大于80粒度的磨粒，該制品的空氣滲透性至少為50cc/秒/英寸水。
26．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于通過在約1100-1300℃的溫度下把磨料制品生坯燒成約1-5小時(shí)，制成磨料制品。
27．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有約16-34％體積的細(xì)長磨粒。
28．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述的磨料制品含有約15-55％體積的細(xì)長磨粒和約5-20％體積的粘結(jié)劑。
全文摘要
一種粘接磨料制品的有效制造方法包括使用長度截面寬度比至少為5∶1的細(xì)長磨粒來制造能讓流體高度滲透通過的磨料制品。提供了一種測量滲透性的方法。該磨料制品可用來進(jìn)行軟研磨和深度磨削操作。這種可滲透的磨料制品為在研磨操作中讓流體通過磨料制品和從工件中清除磨屑提供了開放的孔隙和通道。
文檔編號B24D3/18GK1224379SQ97196144
公開日1999年7月28日 申請日期1997年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月26日
發(fā)明者吳勉學(xué) 申請人:諾頓公司