Состав алмазного инструмента

Изобретение относится к составам для изготовления алмазного инструмента на каучуковой связке, предназначенного для шлифования неметаллических материалов. Состав содержит, мас. ч.: диеновый синтетический каучук 100; органический пероксид 0,5 - 15; олигоэфиракрилат 5 - 30; минеральный наполнитель 30 - 200; металлический порошок 100 - 800 и алмазный порошок 5 - 150. В качестве металлических порошков используют порошки меди, бронзы, железа, олова и т.п. В качестве минерального наполнителя используют смесь оксидов кремния, алюминия и цинка. В результате изготовленный из указанного состава алмазный инструмент позволяет проводить механическую обработку при высоких скоростях и нагрузках на инструмент с обеспечением высокой производительности и низкой величины шероховатости обрабатываемой поверхности. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к составам алмазного инструмента, для получения поверхностей неметаллических материалов с низкими значениями шероховатости при их шлифовании и может быть использовано для увеличения интенсивности механической обработки при высоких скоростях и нагрузках на инструмент.

Известны алмазные инструменты [1] на основе алмазно-каучуковых композитов и алмазосодержащих полимерных композитов, содержащие металлические порошки, повышающие тепло- и температуропроводность связок. Однако инструменты на вулканитовых (каучуковых) связках с серной вулканизующей группой обладают низкой теплостойкостью и, вследствие этого, при механической обработке в жестких условиях быстро теряют работоспособность.

Алмазные инструменты на полимерных связках, содержащие медный порошок или смесь металлических порошков, обладают достаточно высокими значениями теплостойкости, однако инструменты такого состава обладают повышенной хрупкостью, что приводит к их преждевременному разрушению при интенсивных режимах механической обработки, а также не могут обеспечить низких значений шероховатости обработанной поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является состав алмазного инструмента для шлифования труднообрабатываемых неметаллических материалов [2], содержащий, мас.ч.:

диеновый синтетический каучук 100

органический пероксид 0,5-5,0

минеральный наполнитель 40-120

технический углерод 5-50

гидрид титана 10-50

пластификатор 5-20

алмазный порошок 5-150,

где в качестве минерального наполнителя используют смесь оксидов кремния, алюминия и железа в соотношении, мас.ч.:

оксид кремния 10-100

оксид алюминия 10-100

оксид железа 10-60

Такой инструмент обладает высокими значениями твердости и прочности, обеспечивает высокую производительность при низкой величине шероховатости обработанной поверхности. Недостатком такого инструмента является низкая теплостойкость, связанная с малым коэффициентом теплопроводности, что, при интенсивных режимах шлифования, приводит к преждевременной потере режущей способности инструмента (засаливанию).

Технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в том, чтобы обеспечить при использовании предложенного алмазного инструмента повышение стабильности интенсивных режимов процесса механической обработки при высокой производительности и низкой величине шероховатости обработанной поверхности за счет изменения его состава.

Это достигается тем, что в состав алмазного инструмента, содержащего диеновый синтетический каучук, органический пероксид, олигоэфиракрилат в качестве пластификатора, минеральный наполнитель и алмазный порошок, дополнительно вводят мелкодисперсный металлический порошок.

Целесообразно, чтобы компоненты алмазного инструмента были взяты в следующем соотношении, мас.ч.:

Диеновый синтетический каучук 100

Органический пероксид 0,5 - 15

Олигоэфиракрилат 5 - 30

Минеральный наполнитель 30 - 200

Металлический порошок 100 - 800

Алмазный порошок 5 - 150

При этом в качестве металлического порошка используют порошки меди, бронзы, железа, никеля, олова и т.п., а в качестве минерального наполнителя используют смесь оксидов в соотношении, мас.ч.:

Оксид кремния 10 - 80

Оксид алюминия 10 - 80

Оксид цинка 10 - 120

При исследовании отличительных признаков описываемого состава алмазного инструмента не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся состава заявленной композиции.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию «НОВИЗНА».

Сравнение заявленного технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники [1, 2] показывает, что заявленное решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем; что в нем не выявлены признаки, отличающие данное техническое решение от прототипа, и не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию «ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ».

Готовят композицию путем смешивания компонентов на резиносмесительных вальцах, вулканизацией заготовок инструмента в пресс-форме под давлением на вулканизационном прессе и их термообработкой в свободном состоянии при температуре 280-300°С.

Алмазные инструменты на полимерных связках для интенсивных режимов шлифования при повышенных значениях нагрузки на инструмент и высоких скоростях резания должен обладать высокой износостойкостью, которая зависит, прежде всего, от прочности связки, а также от ее теплостойкости и теплопроводности.

Теплостойкость и теплопроводность связок алмазных инструментов на основе полимерных композиций, кроме того, необходима для исключения деструктивных процессов в матрице композита, вызванных ее разогревом при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью, а также для исключения выгорания алмазного зерна или его внедрения в связку инструмента при ее размягчении во время разогрева, вызванного интенсивным силовым трением.

Присутствие металлического наполнителя, обладающего высокой теплопроводностью, обеспечивает интенсивный отвод тепла, как от алмазного зерна, так и от рабочего слоя алмазного инструмента, предотвращая тем самым его разогрев и внедрение алмаза в связку.

Минеральные наполнители способствуют повышению твердости связки и самозатачиванию алмазного инструмента.

Оксид кремния, как и оксид цинка, являясь усиливающими наполнителями, обеспечивают структурирование каучуковой матрицы, что приводит к получению прочного и износостойкого композита. Кроме того, оксид цинка является компонентом, повышающим теплостойкость каучуковой композиции. Оксид алюминия способствует повышению твердости связки и, тем самым, увеличивает режущую способность инструмента.

Для уменьшения вязкости и улучшения диспергируемости твердых порошковых компонентов в каучуковой матрице, в композицию вводится олигоэфиракрилат в качестве временного пластификатора. При вулканизации и термообработке такой компонент, имеющий активные функциональные группы, выполняет роль адгезионной добавки, способствующей химическому взаимодействию между каучуковой матрицей и поверхностью твердых частиц наполнителей и, следовательно, прочному закреплению алмазного зерна в связке, повышению прочностных свойств и износостойкости алмазного инструмента.

Достижение заявляемого эффекта обеспечивается перечисленным набором компонентов каучуковой композиции. Количество компонентов в составе композиции определяется как способностью к переработке композиции, так и технологическим аспектам работы алмазного инструмента. Например, при работе на шлифовальных станках методом притира количество вводимого в состав инструмента металлического порошка не должно быть высоким, а количество минеральных наполнителей - повышенным. При составлении рецептуры алмазного кольцевого инструмента для работы в жестких осях, должно быть повышенным содержание металлического порошка и оксида цинка.

Пример 1

Алмазный инструмент готовят следующим образом: на резиносмесительных вальцах производят смешение резиновой смеси в соответствии с составом, представленным в таблице 1, пример 1. Полученную смесь загружают в пресс-форму, формуют на вулканизационном прессе и выдерживают при давлении 5±0,2 МПа, при температуре 170±5°С в течение 10 минут.

Полученные эластичные заготовки в виде таблеточных элементов диаметром 10 мм и высотой 5 мм, или колец размером 50х40х7 мм, помещают в сушильный шкаф и подвергают термообработке в свободном состоянии при температуре 300°С в течение 4 часов.

Инструменты в виде таблеточных элементов испытывали по методу свободного притира на шлифовальном станке. Удельное давление на инструмент составляло 2,5 кг/см², частота вращения шпинделя - 1200 об/мин. В ходе испытаний обрабатывали заготовки из кварцевого стекла. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Инструменты в виде колец наклеивали на металлические корпусы и испытывали на станке типа обрабатывающего центра при использовании метода «жестких осей». Испытания проводили при следующих параметрах настройки станка:

- частота вращения шпинделя инструмента - 67 сˉ¹ (4000 об/мин);

- частота вращения шпинделя детали - 6,7 сˉ¹ (400 об/мин);

- скорость подачи шпинделя детали - 200 мкм/мин.

Обрабатывались плоские детали диаметром 40 мм из кварцевого стекла. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Примеры 2 - 7

В таблице 1 приведены составы композиций для приготовления алмазных инструментов, отличающихся количеством и природой металлических порошков и других компонентов. Методика изготовления и испытаний алмазных инструментов аналогична описанным в примере 1. Предельно допустимые концентрации представлены на примере основного компонента - металлического порошка. Также показано влияние количества минеральных наполнителей в связке на показатели работоспособности инструментов.

В таблицах 2 и 3 представлены результаты испытаний инструментов, составы которых представлены в таблице 1.

Из представленных результатов испытаний видно, что инструменты составов 1 и 2 эффективно работают как в процессах с использованием метода притира, так и при работе по методу «жестких осей». Предельное содержание металлического порошка приводит к низкой стойкости и высокому износу инструмента (пример 3). Низкое содержание металлического наполнителя (пример 4) приводит к потере режущей способности инструмента вследствие недостаточной теплостойкости связки. Содержание бронзового порошка выше заявляемого (пример 5) способствует низкой износостойкости инструмента и потере его формостойкости. Содержание минеральных наполнителей ниже заявляемого (пример 6) приводит к потере стабильности работы инструмента, а избыточное количество (пример 7) - к большому износу.

Как видно из результатов испытаний (примеры 1, 2 и 3), заявленные составы алмазных инструментов эффективно работают в жестких условиях.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ».

Источники информации

1. Синтетические сверхтвердые материалы. Киев.: Наукова думка, 1986, т.2, 264 с.

2. Патент РФ 2358852 С2, кл. B24D 3/22, 2006.

Таблица 1 Примеры составов алмазных инструментов
Наименование компонента	Примеры составов
1	2	3	4	5	6	7
Бутадиен-нитрильный каучук	100	100	100	100	100	100	100
Органический пероксид	3	3	3	3	3	3	3
Олигоэфиракрилат	10	12	15	10	10	10	10
Медный порошок	300					700	200
Бронзовый порошок		600		50	900
Железный порошок			800
Оксид алюминия	50	30	20	70	30	5	60
Оксид цинка	70	30	40	80	10	10	100
Оксид кремния	20	40	20	60	20	5	60
Алмазный порошок	15	35	25	75	25	20	20

Таблица 2 Показатели работоспособности алмазных инструментов при обработке методом притира
№ при- мера	Показатели работоспособности
Производитель- ность шлифования, мкм/мин	Износ инструмента, %	Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкм	Количество обработанных поверхностей до правки инструмента, шт.
1	53	1,5	0,06	более 200
2	40	3,8	0,1	более 200
3	48	6,3	0,13	180
4	18	4,2	0,09	45
5	44	35	0,22	4
6	23	2,7	0,11	130
7	54	38	0,29	4

Таблица 3 Показатели работоспособности алмазных инструментов при обработке по методу «жестких осей»
№ при-мера	Показатели работоспособности
Снимаемый припуск, мкм	Время обработки, сек	Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкм	Количество обработанных поверхностей до правки инструмента, шт.	Примечание
1	50	18	0,08	более 200
2	50	15	0,03	более 200
3	50	16	0,12	140	повышенный износ
4	50	20	0, 09	15	засалка
5	50	15	0,23	2	очень большой износ
6	50	18	0,07	35	засалка
7	50	15	0,32	2	очень большой износ

1. Состав для изготовления алмазного инструмента, предназначенного для шлифования неметаллических материалов, содержащий алмазный порошок, диеновый синтетический каучук, органический пероксид, минеральный наполнитель и олигоэфиракрилат, отличающийся тем, что он дополнительно содержит металлический порошок при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:

диеновый синтетический каучук	100
органический пероксид	0,5 15
минеральный наполнитель	30-200
олигоэфиракрилат	5-30
металлический порошок	100-800
алмазный порошок	5-150

2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического порошка используют порошки меди, бронзы, железа, никеля, олова, а в качестве минерального наполнителя - смесь оксидов кремния, алюминия и цинка в соотношении, мас.ч.:

оксид кремния	10-80
оксид алюминия	10-80
оксид цинка	10-120