專利名稱：填有油/蠟混合物的粘合磨具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于精密研磨的磨具。具體而言，本發(fā)明涉及用潤滑劑組分浸漬的陶化粘合磨具，為的是改進研磨性能，尤其是干磨的性能。
精密研磨操作能以適當高速從制品除去金屬，獲得具有指明尺寸和表面質量的精確成形的精加工制品。精密研磨的典型例子包括對軸承部件進行精加工以及對發(fā)動機部件進行機械加工至微小公差。此時經(jīng)常使用冷卻劑和潤滑劑，提高金屬部件精密研磨的效率。
“濕”法冷卻和潤滑涉及在磨削時用足夠量的低溫新鮮或循環(huán)液體不斷地浸洗研磨區(qū)。液體通常是含低濃度研磨助劑的水性組合物。這種液體可降低研磨區(qū)溫度，防止磨具和工件因熱變壞。液體還沖洗磨具，帶走碎屑，如果允許碎屑填入磨料顆粒間的空隙或冷焊在顆粒表面，則會使磨具鈍化。
濕磨法存在許多缺陷。舉例來說，這種方法操作時較臟；液體必須回收再使用，或者以對環(huán)境無害的方式棄去；加工助劑的存在引起回收困難并增加操作成本；水性液體會腐蝕研磨設備的部件；在很冷的周圍環(huán)境下用使這種液體進行操作是令人不愉快的。
也可以采用“干”法完成精密研磨。此時不從外部向研磨區(qū)施加液體的沖洗。要干磨熱敏感的或難以研磨的金屬如不銹鋼，仍需要對研磨區(qū)進行潤滑。要進行潤滑，一般是在磨具表面間斷地施加固體潤滑劑，或是用選擇的添加劑填入合適磨料如陶化磨具中磨料的孔隙，來將潤滑劑提供到局部的研磨區(qū)。使用了化學物質如硫，以及其它潤滑填料。這些添加劑可降低磨具的表面填塞和釉化，使磨具磨削更為流暢，并降低燃燒的可能。一般，添加劑是在對磨具中的粘合劑進行煅燒后才加入的，以避免添加劑的因熱變質，并在磨具制造時適當形成磨具。
干磨法提供的優(yōu)點是由于潤滑劑直接加在研磨區(qū)，所以潤滑劑的耗量極小。而且，潤滑劑不必為水溶性，因為它不是在冷卻水中被帶到研磨區(qū)的。不幸的是，加入到孔隙中的添加劑，尤其是低粘度液體不能長期保留在磨具中。長期靜置后，添加劑在磨輪中的分布會不均勻，經(jīng)過一段時間后添加劑會部分地或全部從磨輪滲出。在使用磨輪進行高速干法精密研磨時，離心力會使孔隙中的低粘度液體添加劑排出。排出的添加劑會濺潑在工件表面上，并且會減少在研磨區(qū)促進研磨的添加劑。要求提供陶化粘合的磨輪，它施加有均勻分布的低粘度潤滑劑，并且在磨輪的使用期間向研磨部位提供這樣的潤滑劑。
曾提出了許多種材料作為多孔磨具的添加劑，改善研磨性能。石蠟是這類材料的一個例子。如可參考美國專利No-A-1，325，503(Katzenstein)。石蠟在較低溫度會變得發(fā)粘，會引起在磨輪面上的填塞，這是精密研磨法不希望的現(xiàn)象。據(jù)報道一種硬脂酸材料優(yōu)于石蠟(A．Kobayashi等，Annals of the C．I．R．P，Vol．XIII，pp．425-432，1966)。
美國專利No．-A-4，190，986(KunimasaA)指出，在樹脂粘合的磨石孔隙中加入加熱的高級脂肪酸與高級醇混合物，可以達到提高研磨效率和減少工件燃燒的目的。此專利揭示，與樹脂粘合磨具不同，陶化粘合磨具并未顯示研磨效率的提高。陶化粘合磨具中，據(jù)報道添加劑的作用僅是作為潤滑劑，未觀察到研磨效率提高。
美國專利No-A-3，502，453(Baratto)公開了包含填充有潤滑劑的空心球如包有SAE20油的脲-甲醛膠囊的樹脂粘合磨具。美國專利No．-A-3，664，819(Sioui)中揭示了石墨也可用在樹脂粘合的超級磨具中。石墨能提高研磨效率，在干磨操作中對工件起潤滑作用。
美國專利No．-A-4，239，501(Wirth)指出，可將硝酸鈉和蠟如石蠟、蠟膏和硬脂酸或微晶蠟的混合物，施加到磨具的磨削表面上。
已知硫是用于精密研磨金屬的優(yōu)良潤滑劑。M．A．Younis等在Transactions of theCSME，Vol．9，No．1，pp．39-44，1985中，報導了硫作為浸漬到磨具中的研磨助劑優(yōu)于蠟和清漆。然而，過去試圖使用加有硫的磨具特別是高速旋轉的磨輪，是存在問題的。因為加硫磨具在研磨溫度下會燃燒，所以只能在濕磨中使用。常常在短暫操作后，離心力會使磨輪中的硫重新分布。因為硫的密度較高，磨輪會變得不平衡，開始震顫，不能穩(wěn)定地進行精密研磨。
曾經(jīng)使用硫化磨削油于研磨中，來代替采用硫浸漬的磨輪，以避免上述不平衡問題，但是，油的粘度一般較低。所以，施加這種油的磨輪會出現(xiàn)上面討論的缺陷。
使用硫基研磨助劑時，濕磨是高速精密研磨的較好方式。硫一般以水可溶或可分散的低粘度金屬磨削油形式使用，這種油可與冷卻劑混合。這是低效使用硫的方法，因為必須在大量冷卻劑中加入過量的硫化油。何況硫還是環(huán)境污染物，并且在棄置前，必須處理用過的冷卻劑，以除去硫化物質。
因此，現(xiàn)有技術領域中沒有一種研磨添加劑能完全適合于精密研磨操作的陶化粘合磨具用途，特別是因為硫和其它活性研磨助劑對環(huán)境的作用變得難以處理。
隨著80年代采用燒結的溶膠凝膠法氧化鋁磨粒，對用于精密研磨操作的改進研磨助劑的需求變得更為迫切。包含加晶種或未加晶種燒結溶膠凝膠法氧化鋁磨粒(也稱作微晶α-氧化鋁(MCA)磨粒)的磨具，已知對許多種材料具有優(yōu)良的研磨性能。例如，在美國專利-A-4，623，364、-A-4，314，827、-A-4，744，802、 -A-4，898，597和-A-4，543，107(這些專利參考結合于此)描述了這些MCA顆粒的生產(chǎn)、在各種用途中的特性和性能。
MCA顆粒的形貌是制成能在研磨時引起顆粒的微細碎裂。這種微細碎裂能力通過一次磨去每一顆粒的一部分，而不是脫落一個完整的磨粒來延長磨粒的壽命，還可露出新鮮的磨料表面，使磨料在研磨時能有效地自銳化。由于MCA顆粒有別其它種類磨粒的異常銳利特性，其特征是當MCA顆粒用于陶化粘合磨具的干磨時，能以最小研磨能量進行磨削。用MCA顆粒開始干磨所需的能量閾值基本上為零。在使用水基冷卻劑的濕磨條件下，在開始研磨所需的能量方面，MCA顆粒的操作性能并不好。因為許多精密研磨操作不能承受干磨法，即使采用MCA顆粒，也需要研制一種潤滑劑組分，它能作為含MCA顆粒的陶化粘合磨粒磨具的有效冷卻劑和研磨助劑。本發(fā)明的潤滑劑組分在濕磨法或干磨法中對MCA顆粒都有效。
本發(fā)明是一種用于精密研磨的磨具，包含3-25％(體積)陶化粘合劑、3-56％(體積)MCA磨粒和28-63％(體積)孔隙，磨具中基本上所有的開孔浸漬了油和蠟的均勻混合物構成的潤滑劑組分，其油蠟重量比值約為3∶1至1∶4。
制造用于精密研磨的磨具的方法包括下列步驟(a)在高于蠟軟化點的溫度下混合約20-75％(重量)油和25-80％(重量)蠟，形成均勻混合的潤滑劑組分；(b)提供包含約3-25％(體積)陶化粘合劑、3-56％(體積)MCA磨粒和28-63％(體積)孔隙的磨具；(c)將潤滑劑組分加熱至其成為液態(tài)并保持液態(tài)的溫度；(d)將磨具加熱至比液態(tài)潤滑劑組分溫度高20-30℃的溫度；(e)將磨具與液體潤滑劑組分接觸，但不將磨具浸在液體潤滑劑組分中；(f)以能有效避免氣體夾帶的速度旋轉磨具，同時保持其與液體潤滑劑組分接觸，使?jié)櫥瑒┙M分均勻浸漬磨具；(g)在磨具吸收了能基本上填充所有開孔的有效量潤滑劑組分后，取出磨具，脫離與潤滑劑組分的接觸；(h)繼續(xù)旋轉磨具，同時冷卻該磨具，使浸漬在孔隙內(nèi)的潤滑劑組分均勻固化。
另外，本發(fā)明還提供精密研磨的方法，該方法包括下列步驟(a)提供包含陶化粘合劑和具有孔隙的MCA磨粒的磨具，MCA磨粒的孔隙中包含有效量基本上由約20-75％(重量)油和25-80％(重量)蠟組成的潤滑劑組分；其中的油包含有效量硫化磨削油添加劑；(b)在無硫液體冷卻劑中連續(xù)浴洗金屬工件表面，同時使磨具與工件進行運動研磨接觸，直到表面達到精密研磨的光潔度。
本發(fā)明還提供了干式精密研磨法，該方法包括下列步驟(a)提供一種磨具，它包含3-25％(體積)陶化粘合劑、3-56％(體積)MCA磨粒和28-63％(體積)孔隙，該磨具基本上所有的孔隙浸漬了有效量的潤滑劑組分，潤滑劑組分是油蠟重量比值約為3∶1至1∶4的混合物。
(b)使磨具與干的工件進行運動研磨接觸，直到表面達到精密研磨的光潔度；研磨時工件表面基本上沒有熱損壞。
本發(fā)明的磨具是陶化粘合的磨具。通過一定高溫下煅燒在陶化粘合劑基質中磨粒形成的任何陶化粘合的磨具均可適用，只要煅燒后磨具結構含有能被潤滑劑組分填充的孔隙。
較好的磨粒是一種微晶α-氧化鋁(MCA)磨粒。術語“MCA磨?！敝敢惶囟愋偷闹旅芪⒕Е?氧化鋁形態(tài)的氧化鋁顆粒，可采用制造燒結溶膠凝膠法陶瓷材料的加晶種或未加晶種法中任一方法制造。在此使用的較好磨?？蓮腟aint-Gobain IndustrialCeramics Corporation，Worcester，MA和3M Corporation，Minneapolis，MN獲得。
本文中，術語“燒結的溶膠凝膠法氧化鋁顆?！敝覆捎孟旅娣椒ㄖ瞥傻难趸X顆粒，這種方法包括對氧化鋁一水合物進行膠解作用，形成凝膠，干燥和煅燒該凝膠使其燒結，然后破碎，過篩，分選出由α氧化鋁微晶構成的多晶顆粒(如至少約95％氧化鋁)。
除了α-氧化鋁微晶外，最初的溶膠還可包含多達15％(重量)的尖晶石、莫來石、二氧化錳、氧化鈦、氧化鎂、稀土金屬氧化物、氧化鋯粉末或氧化鋯前體(可以較大的量加入，如40％(重量)或更多)，或其它相容的添加劑或其前體。時常加入這些添加劑是為了改善諸如斷裂韌性、硬度、脆性、斷裂力學性能或干燥性能等。
已報道了許多對燒結的溶膠凝膠法α氧化鋁磨粒的改進。這類的所有顆粒都適合在本文中使用，術語MCA顆粒定義為包括含有至少60％α氧化鋁微晶的任何顆粒，這些顆粒的密度為理論值的至少95％，Vickers硬度(500克)至少為18GPa。其微晶尺寸，對加晶種顆粒通常在約0．2-1．0微米范圍，小于0．4微米為宜，對未加晶種顆粒，大于1．0至約5．0微米為宜。
凝膠一旦形成后，可采用任何方便的方法如壓制、模制或擠壓成形，然后仔細干燥，制得沒有裂紋所需形狀的物體。凝膠可以成形并切成適于煅燒的尺寸，或簡單鋪撒為任何適合的形狀，然后在低于凝膠起泡溫度下干燥?？刹捎脦追N脫水方法包括溶劑萃取，除去凝膠的游離水，形成固體。干燥該固體后，可以切割或機械加工，形成所需形狀，或通過合適的裝置如錘磨機或球磨機進行粉碎或破碎，形成顆粒?？刹捎萌魏畏鬯樵摴腆w的方法。成形以后，干燥的凝膠然后焙燒，除去幾乎所有的揮發(fā)物，使顆粒中的各組分轉化為陶瓷(金屬氧化物)。一般加熱干燥后的凝膠，直到除去游離水和大部分結合水。焙燒后的材料然后通過加熱燒結，保持在合適的溫度范圍，直到幾乎所有氧化鋁-水合物轉化為α氧化鋁微晶。
對加晶種的溶劑凝膠法氧化鋁，是在氧化鋁-水合物分散液中有意引入成核點或就在其里面形成成核點。分散液中成核點的存在會降低形成α氧化鋁溫度，產(chǎn)生極細的晶體結構。采用什么樣的合適晶種是本領域皆知的。晶種一般具有盡可能接近α氧化鋁的晶體結構和點陣參數(shù)。使用的晶種包括如顆粒α氧化鋁、α氧化鐵(Fe2O3)、以及α氧化鋁和α氧化鐵的前體，這些前體能在低于氧化鋁-水合物轉化為α氧化鋁的溫度下分別轉化為α氧化鋁和α氧化鐵。然而，這些晶種類型僅是作為說明，并不構成限制。有效晶種顆粒的粒度宜為亞微米尺寸的。
如果使用加晶種的溶劑凝膠法氧化鋁，晶種物質的量不應超過水合氧化鋁的約10％(重量)為宜，一般過量約5％(重量)就沒有好處。如果晶種足夠細(表面面積約為60米2／克或大)，晶種用量宜約為0．5-10％(重量)，約1-5％(重量)更好。晶種還可以其前體形式加入，前體以能在低于氧化鋁-水合物形成α氧化鋁溫度的溫度轉化為活性晶種形式。
也可以使用未加晶種的溶劑凝膠法氧化鋁磨粒。這種磨?？赏ㄟ^上述的同樣方法制成，不同之處是加入晶種顆粒。在溶劑或凝膠中加入足量的稀土金屬氧化物或它們的前體，在焙燒后提供至少約0．5％(重量)，較好約為1-30％(重量)稀土金屬氧化物。也可使用其它結晶改性物質如MgO，制造本文使用的溶劑凝膠法氧化鋁磨料。
用于本發(fā)明的優(yōu)選MCA選自加晶種和未加晶種的溶膠凝膠法氧化鋁顆粒，如Leitheiser等(美國專利4，31 4，827)；Schwabel(美國專利4，744，802)；Cottringer等(美國專利4，623，364)；Bartels等(美國專利5，034，360)；Hiraiwa等(美國專利5，387，268)；Hasegawa等(美國專利5，192，339)和Winkler等(美國專利5，302，564)所描述的(這些專利內(nèi)容參考結合于此)。
本發(fā)明的磨具包含MCA磨粒、陶化粘合劑、一般其中有28-68％(體積)的孔隙，或者還含有一種或多種次級磨粒、填料和／或添加劑。磨具包含3-56％(體積)MCA磨粒，較好為10-56％(體積)。磨具中磨粒的量和次級磨料百分數(shù)可以在較大范圍變動。本發(fā)明磨具的復合物中，磨?？偤考s為34-56％(體積)為宜，約40-54％(體積)更好，最好約為44-52％(體積)。
MCA磨具中的磨?？偭考s5-100％(體積)為佳，約30-70％(體積)更好。
當使用次級磨粒時，這類磨粒宜為磨具磨?？偭康募s0．1-80％(體積)，約30-70％(體積)更好。使用的次級磨粒包括但不限于氧化鋁、氧化鋁氧化鋯、碳化硅、立方氮化硼、金剛石、燧石和石榴石顆粒、以及它們的組合。
磨具復合物含有孔隙用來充入潤滑劑。本發(fā)明磨具復合物較好的是包含約28-63％(體積)開孔，約28-56％(體積)更好，最好約為30-53％(體積)?？紫犊捎捎糜谥圃炷ゾ叩牟牧献匀欢逊e密度造成的固有空間形成，或由固有空間和在磨具中加入的通常生孔介質結合形成的孔隙，生孔介質包括但不限于空心玻璃球、粉碎的核桃殼、塑料或有機化合物小球，發(fā)泡玻璃顆粒和微泡氧化鋁以及它們的組合。孔隙有兩種類型開孔和閉孔。閉孔例如可通過加入微泡氧化鋁和其它空心體、加入磨具的閉壁間隔物形成。開孔是磨具體中留下的，可讓空氣和其它流體流入和流出的空隙區(qū)域?？捎赡Ｖ?、壓制和煅燒時組分的受控空間和／或使用成孔的物質如在煅燒陶化粘合劑時可燒掉并在粘合劑中留下空隙的有機物的顆粒，來形成開孔。本文中，“開孔”是互相連通的孔隙，可供浸漬本發(fā)明的潤滑劑組分。
本發(fā)明的磨具用陶化即玻璃化粘合劑粘結。使用的陶化粘合劑為本發(fā)明磨具提供精密研磨性能。對MCA顆粒，優(yōu)選采用低煅燒溫度的粘合劑，以避免顆粒表面的熱損壞，引起MCA顆粒性能的降低。用于MCA顆粒的合適粘合劑例子公開于美國專利4，543，107；4，898，579；5，203，886；5，401，284；5，536，283和于1997年10月31日申請的美國專利申請08／962，482(這些專利的內(nèi)容參考結合于此)。適用于這些粘合劑的原料包括Kentucky Ball Clay No．6、高嶺土、氧化鋁、碳酸鋰、硼砂五水合物或硼酸和蘇打灰、燧石和硅灰石。除了這些原料外還可加用玻璃料，或用其來代替這些原料。這些粘合劑材料組合在一起宜至少含有下列氧化物SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O和B2O3。
潤滑劑組分是一種蠟狀物質，選擇這種潤滑劑組分是由于其適合浸漬陶化粘合的磨具以及能有效提高MCA磨粒在濕磨和干磨中的研磨性能。潤滑劑組分較好的是油和蠟的混合物。所用的油一般是低粘度非極性的疏水性液體。選擇這種油主要是由于它能在研磨時為磨具和工件的表面提供潤滑或其它方面的處理作用。這種油還可以冷卻研磨區(qū)?？梢允褂帽绢I域已知的許多潤滑油和金屬加工油。用于本發(fā)明的油的代表包括長鏈烴石油或礦物油如萘油和石蠟油；室溫下為液體的天然三甘油酯、二甘油酯和一甘油酯；包括植物油如菜籽油、椰子油和蓖麻油；動物油如鯨蠟油。可以使用合成油和這些油的混合物。
油還可以用作內(nèi)部載體，為研磨區(qū)提供一些化學活性物質、摩擦改性劑和特壓潤滑劑如硫化脂肪油、脂肪酸和脂肪酸酯；氯化酯和脂肪酸；氯硫化添加劑；以及它們的混合物。Trim_OM-300金屬加工油是較好的商品油，可購自Master ChemicalCorporation，Perrysbury，Ohio。據(jù)信含有石油、硫化豬脂油、氯化烯聚合物和氯化脂肪酸酯。
潤滑劑組分中第二種重要的加入物是與油相容的蠟。本文中，“蠟”指在室溫為固體(即熔點和軟化點大于30℃，較好的大于40℃，大于50℃更好)的疏水性物質，例如某些烴物質具有長鏈脂族(脂肪酸)含氧部分，并還會含有脂肪酸酯、醇、酸、酰胺或胺或烷基酸磷酸酯基團。
蠟定義為包括脂肪酸與除甘油外的醇類的酯一類，與是脂肪酸與甘油的酯的油和脂肪不同。高分子量飽和烴(如至少C12脂族鏈)和脂肪醇(如至少C12脂族鏈)是本文使用的較好的蠟。用于本發(fā)明的蠟主要包含C12-C30脂族基團。為生產(chǎn)方便，較好的蠟的軟化點溫度宜為35-115℃(環(huán)和球裝置軟化點試驗法；ASTM E-228-67，1982)，加熱時成為液體，以便油混合，但在室溫仍為固體或粘性凝膠。蠟可起到一定的冷卻和潤滑作用，然而，其主要作用是對油起包封作用，防止油從磨具滲出，或防止油在研磨前重新分布，提高在研磨部位的油膜強度。可以使用許多天然和合成蠟如巴西棕櫚蠟、聚乙烯蠟、Accu-Lube蠟(為凝膠或固體形式，是可從ITW FliudProducts Group of Norcross，Georgia購得)的含長鏈脂肪醇的商品混合物和Microdrop蠟(含長鏈脂肪酸的產(chǎn)品，可從Trico Mfg．Corp．，of Pewaukee，WI購得)、以及它們的混合物。
為浸漬陶化粘合的磨具，加熱蠟至融化，在中速攪拌下在蠟中加入經(jīng)加熱的油，直到獲得均勻混合物。液體油／蠟混合物可直接浸漬到磨料中或冷卻該混合物成為固體，供以后再熔化和浸漬之用。潤滑劑中油與蠟的比例可按照需要調節(jié)，提供盡可能多的用于研磨時冷卻和潤滑的油，又不讓油從磨具滲出。Accu-Lube蠟和Micro-drop蠟具有較低的熔點(即低于50℃)，據(jù)信包含油組分，其中油與蠟的重量比值至少為1∶4。這些蠟可用作潤滑劑組分，與另外量的油混合或不與之混合，來浸漬磨輪。
本發(fā)明的潤滑劑組分較好的含有至少50％(重量)油。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最多達約80％(重量)油可與巴西棕櫚蠟或聚乙烯蠟混合，提供室溫下強的固體混合物。石蠟不能和油形成合適的混合物。因此，巴西棕櫚蠟(也稱作巴西蠟，含脂肪酸鏈上有約12個碳原子的羥基化不飽和脂肪酸和醇的酯以及烴的混合物，軟化點約為85℃)和聚乙烯蠟(高分子量烴，軟化點約為110．5℃)為較好的蠟，可用于和油混合制備潤滑劑組分。最好的是巴西棕櫚蠟。
通過制備在蠟中至少約50％(重量)油的熔融混合物，然后令該混合物冷卻，進行觀察和試驗能方便地決定這種蠟是否適用于本發(fā)明。如果冷卻后的混合物固化為均勻的稠度(即經(jīng)肉眼檢查，沒有成塊)，并且在室溫下固化后的產(chǎn)物為脆性，非塑性，但是當撓曲時突然折斷，則其所選擇的組分為合格的。
本發(fā)明優(yōu)選采用在浸漬溫度具有觸變粘度特性的蠟。在制造磨具以及研磨操作時，這種剪切稀化特性是有益的。較好的蠟如巴西棕櫚蠟和聚乙烯蠟，以及Accu-LubeandMicro-Drop產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用的臨界溫度范圍具有合適的粘度特性。
可采用一些常規(guī)方法制造陶化粘合磨具。例如，將MCA顆粒和粘合劑的混合物在一模具中填充成為磨輪坯子，制得未固化的磨輪。然后加熱此未固化的磨輪，對其粘合劑進行煅燒。未固化的MCA顆粒和粘合劑混合物也可以混合，模壓成形為磨具片。煅燒后，這些磨具片可粘合或焊接到磨具的芯部。
為了對浸漬磨輪進行準備，較好的是將油和蠟的混合物加熱至高于蠟組分中最高熔點的溫度。例如將該油和蠟的混合物置于一個槽子中，該槽子則浸在控制到合適溫度的液體熱交換介質浴中。硅油是合適的介質。浸漬前，磨具也加熱至高于蠟的熔點。將保持在加熱溫度的磨具浸在液化的油／蠟混合物中足以使該混合物滲透進入到磨具孔隙中的時間。預熱的磨輪可安裝在水平軸上，以約10-15厘米／秒的中等周邊速度進行旋轉。旋轉的磨輪然后緩慢下降到熔融油／蠟混合物中，或者將該混合物液體上升浸沒磨輪的磨料部分。應小心操作，避免夾帶空氣到油／蠟混合物中，因為空氣會防礙孔隙的完全浸漬。熔融油／蠟混合物的液面宜保持低于浸漬液面，使空氣逸出并避免氣囊。監(jiān)測磨具的重量，以確定磨具充分吸收油／蠟液體所需的時間?；蛘?，可以肉眼觀察磨具，當油／蠟混合物滲透到孔中時磨輪顯示輕微的顏色變化，當整個磨輪改變顏色時浸漬過程即告結束。浸漬完畢，磨輪宜緩慢地從混合物中取出，令其冷卻。磨輪宜繼續(xù)旋轉直到完全冷卻以后，以減少潤滑劑組分在磨輪中分布不平衡的可能性。
本發(fā)明制造磨輪的另一種方法中，將磨輪的一面置于加熱板上，油／蠟混合物塊則置于磨輪的上面，加熱磨輪下面的板，達到至少為油／蠟混合物熔點溫度。當磨輪受熱時，油／蠟混合物熔化并且借助重力滲透到磨輪孔隙中。這種方法的一個實施例中，加熱磨輪至100℃，用Accu-lube潤滑劑組分浸漬到5英寸(127毫米)的磨輪中。約10分鐘完成浸漬，此時在磨輪的周邊和底部可以看到藍色的Accu-lube物質。
這種方法可避免空氣夾帶，可制成均勻浸漬的磨輪。還可以采用其它方法制造本發(fā)明的磨輪，只要潤滑劑組分基本上能均勻滲透到磨輪的所有孔隙中。
下面用一些代表性實施方案的實施例說明本發(fā)明，實施例中所有的份數(shù)、比例和百分數(shù)均以重量為基準，除非另行指出。所有未按SI單位測得的重量和其它測量單位已轉換為SI單位。
實施例實施例1下面一些實施例中使用下列物質 油／蠟混合物試驗 比較例1P．E．蠟樣品(9克)在約100℃熔化，在手工攪拌條件下，向該融化蠟加入1克固體硫。硫并未分散到蠟中，而是一個浸沒在蠟中的液滴。分別用巴西棕櫚蠟、石蠟、Accu-Lube凝膠和MIcro-Drop蠟代替P．E．蠟，重復這一試驗。巴西棕櫚蠟加熱至約80℃，其它蠟加熱至約50℃。在每一情況下，硫都不與蠟混合。因此，這些硫／油的組合都不能用于本發(fā)明。
比較例2如同比較例1，在熔化的石蠟中加入充分量的OM-300油，OM-300油的濃度達到10％(重量)。令該溶液冷卻至室溫。肉眼觀察表明油和蠟沒有很好混合。產(chǎn)品混合物為軟的，因此評價其為“較差”，不能用于本發(fā)明。
潤滑劑組分1用P．E．蠟代替石蠟，重復比較例2的步驟。OM-300油與P．I．蠟很好混合，產(chǎn)物為堅固的，即室溫下為脆性，撓曲時會突然折斷。分別用混合物中25、40和50％(重量)的OM-300，重復該試驗。各種情況下，組分都能很好混合，盡管在50％(重量)時產(chǎn)物出現(xiàn)不平的表面。認為該產(chǎn)物混合物在所有濃度下均為堅固的，可用于本發(fā)明。
潤滑劑組分2重復比較例2的步驟，使用OM-300油濃度分別為10、25、40、50、60和75％(重量)的巴西棕櫚蠟。所有混合物均可用于本發(fā)明。較好的是含至少25％(重量)巴西棕櫚蠟的混合物。
潤滑劑組分3用Accu-Lube凝膠重復比較例2的步驟。判斷出10和25％(重量)OM-300油的產(chǎn)物混合物可用于本發(fā)明。
潤滑劑組分4用Micro-Drop蠟重復比較例2的步驟。判斷出10和20％(重量)OM-300油的產(chǎn)物混合物可用于本發(fā)明。
潤滑劑組分5如同比較例1，制得5O／50％(重量)OM300油／P．E．蠟的混合物。該混合物為堅固的和合格的，但呈塊狀。
潤滑劑組分6如同比較例1，制得50／50％(重量)OA-770油／巴西棕櫚蠟的混合物。該混合物為堅固的和光滑的，能很好混合，為合格的。
75／25％(重量)OA-770油／巴西棕櫚蠟混合物產(chǎn)物的結果和75％(重量)OM-300油／蠟混合物相同，為合格的。
潤滑劑組分7如同比較例1，制得50／50％(重量)OA-770油／P．E．蠟的混合物。該混合物為堅固的和光滑的，能很好混合，為合格的。P．E．蠟分別與OA-377油和OA-702油的50／50％(重量)混合物獲得同樣結果。
潤滑劑組分8如同比較例1，制得50／50％(重量)OA-770油／Accu-Lube蠟的混合物。該混合物為堅固的和光滑的，能很好混合，適用于本發(fā)明。Accu-Lube蠟分別與OA-377油和OA-702油的50／50％(重量)混合物獲得同樣結果。含Accu-Lube蠟的潤滑劑組分室溫時比含P．E．蠟或巴西棕櫚蠟的軟，不太適合用于本發(fā)明的磨具。
潤滑劑組分9如同比較例2，制得椰子油和巴西棕櫚蠟比值為25／75、50／50和75／25％(重量)的混合物，發(fā)現(xiàn)該混合物能很好混合，適合用于本發(fā)明。分別用椰子油與Accu-Lube凝膠和MIcro-Drop蠟的25／75、50／50和75／25％(重量)的混合物獲得同樣結果。50和75％(重量)在Accu-Lube或Micro-Drop中的椰子油，這些混合物在室溫時相當軟，因此，當用于處理磨具時，與含小于50％(重量)椰子油的混合物相比，不太合乎要求。
潤滑劑組分10如同比較例2，制得蓖麻油和巴西棕櫚蠟比值為25／75、50／50和75／25％(重量)的混合物，發(fā)現(xiàn)該混合物能很好混合，適合用于本發(fā)明。分別用蓖麻油與Accu-Lube和MIcro-Drop蠟的25／75、50／50和75／25％(重量)的混合物獲得同樣結果。50和75％(重量)在Accu-Lube或Micro-Drop中的蓖麻油，這些混合物在室溫時相當軟，因此，當用于處理磨具時，與含小于50％(重量)蓖麻油的混合物相比，不太合乎要求。
潤滑劑組分11如同比較例2，制得菜籽油和巴西棕櫚蠟比值為40／60、50／50、60／40、70／30和80／20％(重量)的混合物，發(fā)現(xiàn)該混合物能很好混合，適合用于本發(fā)明。分別用菜籽油與Accu-Lube凝膠和Micro-Drop蠟的同樣的重量百分數(shù)的混合物獲得同樣結果。50％(重量)或更多量在Accu-Lube或Micro-Drop中的菜籽油，這些混合物在室溫時相當軟，因此，當用于處理磨具時，與含小于50％(重量)菜籽油的混合物相比，不太合乎要求。
這些混合試驗表明適合浸漬本發(fā)明磨具的潤滑劑組分可以簡單加熱選擇的蠟和油的混合物制成。巴西棕櫚蠟和P．E．蠟是大量油的最佳蠟載體，因此也是用于本發(fā)明的油／蠟混合物潤滑劑組分的優(yōu)選蠟。
混合蠟與元素硫，不能制得潤滑劑組分。如果使用硫，必須將其作為在磨削油載體中的添加劑，加到蠟中，才能確保硫的分布。
石蠟不適合用于本發(fā)明的潤滑劑組分。與巴西棕櫚蠟不同，石蠟為粘性，會引起在磨輪表面上的填塞。另外，石蠟無法與油混合形成油／蠟混合物。
蠟的屈服值和粘度測定在25℃和各種蠟熔點間的五個溫度，在一定的剪切速率范圍，試驗蠟(石蠟、巴西棕櫚蠟、聚乙烯、Micro-Drop蠟和Accu-lube蠟)的粘度變化。在從Kayeness，Inc．，Honey Brook，PA購得的Kayeness Galaxy IV毛細管流變儀上，在下表列出的力值、撞擊速率和剪切速率下進行試驗。流變儀配備長8．00毫米，孔徑1．05毫米的樣品毛細管。按照下式，由剪切應力和剪切速率計算蠟的粘度η=t／γ；其中η是粘度(泊)，t是剪切應力(千達因／厘米2)，γ是剪切速率(秒-1)。對每種蠟，在試驗的溫度范圍，log剪切速率與log剪切應力之間存在線性關系。
適用于本發(fā)明潤滑劑組分的蠟，其特征是在整個試驗溫度范圍，隨剪切速率提高時的剪切稀化粘度行為。
蠟的屈服值和log粘度表 實施例2磨具的制造采用下面的方法，用油／蠟混合物浸漬磨輪，說明本發(fā)明磨輪處理的一個較好方法。
磨輪1選擇工業(yè)生產(chǎn)的磨輪(5．1×0．52×0．875英寸)(127．0×12．7×22．2毫米)，包含9．12％(體積)陶化粘合劑、48％(體積)磨粒和42．88％(體積)孔隙。磨輪重556．88克，包括一個心軸。磨輪加熱至150℃，然后以17轉／分鐘旋轉，部分地浸在溫度保持在110℃的60％(重量)OM-300油／40(重量)巴西棕櫚蠟的混合物中，浸約2-5分鐘。磨輪在油／蠟混合物中不斷旋轉，直到肉眼觀察到浸漬完畢。從蠟中取出磨輪，令其在同樣速度旋轉的條件下冷卻至室溫。浸漬后磨輪和心軸的重量為605．90克。磨輪吸收了約15％(重量)的潤滑劑組分，孔隙基本上充滿潤滑劑組分。
磨輪2選擇一磨輪(5．1×0．523×0．875英寸)(127．0×12．7×22．2毫米)，它包含9．12％(體積)陶化粘合劑、48％(體積)磨粒和42．88％(體積)孔隙。磨輪重323．50克，不包括心軸。磨輪加熱至150℃，然后以17轉／分鐘旋轉，部分地浸在溫度保持在106℃的50％(重量)OA-770油／50(重量)巴西棕櫚蠟的混合物中，浸約2-5分鐘。磨輪在油／蠟混合物中不斷旋轉，直到肉眼觀察到浸漬完畢。從蠟中取出磨輪，令其在同樣速度旋轉的條件下冷卻至室溫。浸漬后磨輪的重量為373．74克。磨輪吸收了約15％(重量)的潤滑劑組分，孔隙中基本上充滿潤滑劑組分。
從采用上述方法浸漬的一個磨輪制備一個截面，觀察到潤滑劑組分浸漬時在徑向上沒有差異。因此，采用這種磨輪處理方法，磨輪中幾乎所有開孔都均勻浸漬著潤滑劑組分。
按照同樣方式，用本發(fā)明的各油／蠟組合物浸漬制備另外的磨輪。磨輪加熱到比潤滑劑組分溫度高20-30℃的溫度，從而加熱潤滑劑組分，直到其中的蠟完全融化(如P．E．蠟加熱到110℃；巴西棕櫚蠟加熱到85℃‘Accu-lube蠟和Micro-drop蠟加熱到50℃)。對與上述相同的磨輪復合物，這種方法也可以制得含約15％(重量)潤滑劑組分的處理過的磨輪。
實施例3研磨試驗在干磨和濕磨操作條件下，比較用潤滑劑組分處理的磨具和未處理的磨具。選擇各重約356克的加晶種溶膠凝膠法氧化鋁顆粒／陶化粘合的磨輪樣品(NortonCompany產(chǎn)品，SG80-K8-HA4磨輪)(5×0．5×0．875英寸)(127．0×12．7×22．2毫米)用于試驗。
用如同實施例1制備的50％(重量)OA-770氯硫化磨削油添加劑和50％(重量)巴西棕櫚蠟的潤滑劑組分混合物浸漬磨輪樣品(磨輪9和10)。如實施例2磨輪2中所述，潤滑劑組分基本上浸漬進入了磨輪。浸入磨輪9和10的潤滑劑組分重量各約為50克。磨輪9用于進行下面描述的干法外圓研磨試驗。磨輪10用于進行濕法外圓研磨試驗。
按照實施例2的方法，這些磨輪的另一個樣品(磨輪11)用Accu-lube凝膠(約50克)浸漬，不同之處是磨輪加熱至120℃，蠟加熱至88℃。按照下面所述，用經(jīng)處理的磨輪對工件進行干磨。用這些磨輪的未處理樣品(對照3和對照4)，在有冷卻劑和沒有冷卻劑條件下分別研磨鋼質工件。
研磨條件設備Heald研磨機方式外圓全面進給研磨磨輪SG-80-K8-HA4(5×0．5×0．875英寸)(127．0×12．7×22．2毫米)磨輪速度6542rpm(43米／秒)工件速度150rpm(0．8米／秒)工件材料52100鋼，圓柱形料(Rc60)，直徑102毫米，厚6．35毫米研磨寬度6．35毫米橫進給直徑上0．76毫米冷卻劑(如果使用)E-200冷卻劑，H．M．Royal，Inc．，Trenton，N．J．整飾方式旋轉金剛石盤2466rpm0．005英寸／轉(0．127毫米／轉)導程(lead)0．001英寸(00．025毫米)整飾的徑向深度在產(chǎn)生22-133N作用力的進給速度范圍進行試驗。在88．96N作用力下的試驗條件和研磨結果列于表Ⅰ。
結果表明，沒有施加外部冷卻劑時(即干磨)，本發(fā)明新穎的磨輪，用較低的比能量，可獲得比未浸漬磨輪高的G比值和可磨性(G比值／比能量)。在濕磨和干磨試驗中，新穎磨輪消耗的能量明顯小于非浸漬的磨輪。濕磨試驗中，在施加外部冷卻劑操作時，新穎磨輪與未浸漬磨輪，在所有作用力條件下，可磨性非常相似。
因此，本發(fā)明的磨輪顯著改進了研磨操作，這些操作中，必須避免工件燃燒，并且由于環(huán)境或其它原因，使用外部冷卻劑是不適宜的。
表Ⅰ 實施例4研磨試驗此實施例表明相對于未處理的對照樣品，用各種潤滑劑組分處理的樣品的益處。潤滑劑組分或單獨用巴西棕櫚蠟，或用巴西棕櫚蠟與20％(重量)蓖麻油、椰子油或菜籽油的混合物。
采用實施例2中所述的方法，浸漬試驗磨輪(Norton Company產(chǎn)品SG80-K8-HA4磨輪)。對照磨輪和試驗磨輪含有約48％(體積)加晶種溶膠凝膠法氧化鋁磨粒、9．12％(體積)陶化粘合劑和約42．88％(體積)孔隙。磨輪浸漬后的重量如下所示。
在干磨外直徑的研磨試驗中，以下列條件試驗巴西棕櫚蠟基處理的樣品和對照樣品。結果列于表Ⅱ。
研磨條件設備Heald研磨機方式外圓全面進給研磨磨輪SG-80-K8-HA4(5×0．5×0．875英寸)(127．0×12．7×22．2毫米)磨輪速度6280rpm(42米／秒)工件速度150rpm(0．8米／秒)工件材料52100鋼，圓柱形料(Rc60)，4．0英寸(101．6毫米)O．D．×0．25英寸(6．35毫米)厚冷卻劑無整飾方式旋轉金剛石盤0．005英寸／轉(0．127毫米／轉)導程0．001英寸(00．025毫米)整飾的徑向深度表Ⅱ
所有經(jīng)處理的樣品在表面精加工方面優(yōu)于未處理的對照樣品。施加較大的力時，所有經(jīng)處理的樣品在研磨效率和能量參數(shù)方面優(yōu)于未處理的對照樣品。未處理的對照樣品在施加較小的力時有較大的G比值，但是當施加較大力時G比值和材料除去率迅速下降。這是精密研磨操作中非常不希望發(fā)生的情況，本發(fā)明的磨輪就消除了這個缺點。更值得注意的是在干磨試驗中，研磨所需的比能量和研磨性指數(shù)(G-比值／比能量)明顯優(yōu)于未處理的磨輪。
在各種作用力下，油／蠟組分樣品的功率、G-比值、表面光潔度和研磨性與100％巴西棕櫚蠟對照樣品相同或優(yōu)于對照樣品。觀察到經(jīng)過100％巴西棕櫚蠟處理的磨輪研磨后的工件，會在其上面留下不希望的殘留物，這種殘留物難以除去。蠟／油混合物處理的磨輪也會在工件上留下殘留物，但是與100％蠟處理的磨輪留下的殘留物不同，能容易地從工件抹去。巴西棕櫚蠟殘留物在某一些研磨操作中會引起在磨輪表面上的填塞。
實施例5研磨試驗此實施例表明，相對于未處理的對照磨輪樣品，含一定范圍重量百分數(shù)的巴西棕櫚蠟與含硫油的潤滑劑組分處理的磨輪樣品的益處。這些樣品還與含1∶3巴西棕櫚蠟和油，但沒有添加劑的潤滑劑組分相比。在避免硫處理對照磨輪燃燒所需的濕磨條件下，對經(jīng)處理的磨輪和對照磨輪進行I．D．全面進給研磨試驗。
采用實施例2中所述的方法，浸漬試驗磨輪(Norton Company產(chǎn)品SG80-J8-VS磨輪)(3．0×0．5×0．875英寸)(76．0×12．7×22．2毫米)。磨輪含有約48％(體積)加晶種溶膠凝膠法氧化鋁磨粒、7．2％(體積)陶化粘合劑和約44．8％(體積)孔隙。磨輪浸漬后的重量如下所示。硫對照磨輪是用約15％(重量)元素硫浸漬的磨輪產(chǎn)品(SG80-J8-VS-TR22)，可從Norton Company，Worcester，MA購得。
研磨條件設備Heald研磨機方式濕法I．D．全面進給研磨磨輪SG-80-K8-VS(3×0．5×0．875英寸)(76．0×12．7×22．2毫米)磨輪速度11，307rpm(44米／秒)工件速度150rpm(0．8米／秒)工件材料52100鋼(Rc60)，(7．0×0．250×4．0英寸)(178．8×6．35×101．6毫米)橫進給直徑上1．524毫米橫進給率(2個設定值)2．44和4．88mm／min冷卻劑Trim_透明冷卻劑(1∶20與去離子水)，Master Chemical Corp．Perrysburg，OH整飾方式旋轉金剛石盤0．005英寸／轉(0．127毫米／轉)導程0．001英寸(00．025毫米)整飾的徑向深度表Ⅲ 在濕磨條件下，本發(fā)明的磨輪在研磨性和比能量方面優(yōu)于硫處理的磨輪，表明了在性能參數(shù)包括研磨所需能量和材料除去率之間要求的所需平衡。因此，本發(fā)明經(jīng)處理的磨輪是浸漬硫的磨輪的合格替代品。
所有經(jīng)處理的磨輪(除了OM-300油處理的磨輪#22)在研磨性方面優(yōu)于未處理的磨輪，但是對比能量的需求相同。盡管OM300油處理的磨輪22的性能在較大橫進給率條件下略差，總的性能還是合格的。因為OM300油相對于OM-377油僅含有少量的硫，在硫會造成環(huán)境問題時，宜選擇OM-300油處理的磨輪用于研磨操作。
實施例3表明，如果經(jīng)處理和未經(jīng)處理的磨輪在干磨條件下進行試驗，所有浸漬油和蠟的磨輪極可能證實比未經(jīng)處理的對照磨輪更高的G比值以及更小的能耗。
盡管在附圖
和實施例中對本發(fā)明所選擇的具體實施方式
進行了說明，前面的說明書具體地說明了本發(fā)明的這些實施方式，但本說明書對權利要求書限定的本發(fā)明范圍并不構成限制。
權利要求
1．一種用于精密研磨的磨具，包含3-25％體積的陶化粘合劑，3-56％體積的MCA磨粒和28-63％體積的開孔，磨具中幾乎所有的開孔已用一種油和蠟的均勻混合物的潤滑劑組分浸漬，所述潤滑劑組分的油∶蠟的重量比值約為3∶1至1∶4。
2．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述磨具包含約10-56％體積的MCA磨粒，MCA磨粒主要選自燒結的加晶種的溶膠凝膠法氧化鋁顆粒和燒結的未加晶種的溶膠凝膠法氧化鋁顆粒以及它們的組合。
3．如權利要求1所述的磨具，其特征在于所述磨具還包含約0．1-53％體積的至少一種次級磨粒。
4．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述油至少約為油和蠟的混合物的60％重量。
5．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述油和蠟混合物中的蠟是巴西棕櫚蠟。
6．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述油和蠟的混合物中的蠟是含主要為至少一種C16-C24脂族化合物的脂族化合物混合物。
7．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述油和蠟的混合物中的蠟是聚乙烯蠟。
8．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述油和蠟的混合物中的蠟包含具有至少12個碳原子的烴鏈的脂肪酸的酯。
9．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述油和蠟的混合物中油包含有效量的硫化磨削油添加劑。
10．如權利要求9所述的磨具，其特征還在于所述硫化磨削油添加劑的量至少約為油重量的10％。
11．如權利要求1所述的磨具，其特征還在于所述磨具是磨輪。
12．一種制造用于精密研磨的磨具的方法，所述方法包括下列步驟(a)在高于蠟軟化點的溫度下混合約20-75％重量的油和25-80％重量的蠟，形成均勻混合的潤滑劑組分；(b)提供包含約3-25％體積的陶化粘合劑、3-56％體積的MCA磨粒和28-63％體積開孔的磨具；(c)將潤滑劑組分加熱至使?jié)櫥瑒┙M分成為液態(tài)并保持液態(tài)的溫度；(d)將磨具加熱至比液態(tài)潤滑劑組分溫度高20-30℃的溫度；(e)令磨具與液體潤滑劑組分接觸，但不將磨具浸在液體潤滑劑組分中；(f)以能有效避免氣體夾帶的速度旋轉磨具，同時保持其與液體潤滑劑組分接觸，使?jié)櫥瑒┙M分均勻浸漬磨具；(g)在磨具吸收了能基本上填充所有開孔的有效量潤滑劑組分后，取出磨具，使其不與潤滑劑組分接觸；(h)繼續(xù)旋轉磨具，同時冷卻該磨具，使浸漬在孔隙內(nèi)的液體潤滑劑組分均勻固化。
13．如權利要求12所述的磨具，其特征還在于所述蠟是巴西棕櫚蠟，所述油至少為所述潤滑劑組分重量的約60％。
14．一種精密研磨的方法，所述方法包括下列步驟(a)提供包含陶化粘合劑和具有孔隙的MCA磨粒的磨具，MCA磨粒的孔隙中包含有效量主要由約20-75％重量的油和25-80％重量的蠟組成的潤滑劑組分；其中的油包含有效量硫化磨削油添加劑；(b)在無硫液體冷卻劑中連續(xù)浴洗金屬工件表面，同時使磨具與工件進行運動研磨接觸，直到表面達到精密研磨的光潔度。
15．如權利要求14所述的方法，其特征還在于所述硫化磨削油添加劑量約為磨具的潤滑劑組分中的油的10-40％重量。
16．一種精密研磨的方法，包括下列步驟(a)提供一種磨具，它包含3-25％體積的陶化粘合劑、3-56％體積的MCA磨粒和28-63％體積的開孔，磨具中幾乎所有開孔浸漬了有效量的油和蠟的均勻混合物的潤滑劑組分，潤滑劑組分的油和蠟重量比值約為3∶1至1∶4；(b)使磨具與干的工件進行運動研磨接觸，直到表面達到精密研磨的光潔度；此時工件表面基本上沒有熱損傷。
17．如權利要求16所述的方法，其特征還在于所述油和蠟的混合物中的油包括有效量的硫化磨削油添加劑。
18．如權利要求17所述的方法，其特征還在于所述硫化磨削油添加劑量約為磨具的潤滑劑組分中油重量的10-40％。
全文摘要
提供了用于精密研磨的磨具,該制品包含3—25%(體積)的陶化粘合劑,3—56%(體積)的MCA磨粒和28—63%(體積)的開孔,磨具中幾乎所有的開孔已用一種油和蠟的均勻混合物的潤滑劑組分浸漬,所述潤滑劑組分的油∶蠟的重量比值約為3∶1至1∶4。
文檔編號B24D3/00GK1291125SQ98813953
公開日2001年4月11日 申請日期1998年12月15日 優(yōu)先權日1998年4月7日
發(fā)明者G·A·小羅塞蒂, S·E·佛克斯, M·J·M·特里卡德 申請人:諾頓公司