Способ обработки трущихся поверхностей деталей из искусственно выращенного монокристалла на основе альфа-al2o3

Изобретение относится к области абразивной обработки трущихся поверхностей сапфировых деталей, предназначенных для плунжерных пар, являющихся составными частями, в частности, насосных и/или дозирующих устройств, и может быть использовано в фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерной, косметической, машиностроительной и других областях промышленности. Способ включает использование заготовок из искусственно выращенного кристалла на основе α-Al₂O₃ и механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива инструмента. Механическая обработка включает последовательные стадии, а именно: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности R_z=10-20 мкм и по меньшей мере одну последующую финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц до шероховатости поверхности R_a=0,020-0,025 мкм. В результате снижаются коэффициент трения трущихся поверхностей деталей, трудоемкость работ и время изготовления при увеличении твердости и микротвердости их поверхностного слоя. 7 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к способу обработки трущихся поверхностей сапфировых деталей. Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей плунжерных и поршневых пар, в том числе как составные части насосных и/или дозирующих устройств (насосов-дозаторов), в частности в фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерной, косметической, машиностроительной и других областях промышленности.

Уровень техники

В настоящее время большинство насосов-дозаторов для фармацевтической и пищевой промышленности содержат плунжерные пары из различных металлических и керамических материалов (см., например, US 4273263 А, 16.06.1981; DE 2723320 С2, 04.11.1982; FR 2797046 А1, 02.02.2001).

Однако для насосов-дозаторов с металлическими и керамическими плунжерными парами существует проблема износа трущихся деталей. Образующиеся в результате трения соприкасающихся деталей мельчайшие частицы материала этих деталей загрязняют дозируемые жидкости, что особенно нежелательно в фармацевтической промышленности. Также в результате износа трущихся деталей происходит изменение дозируемого объема, что также неприемлемо для высокоточного дозирования. Кроме того, насосы-дозаторы в фармацевтической и пищевой промышленности должны выдерживать длительное воздействие агрессивных факторов эксплуатации, в частности процесс стерилизации.

Значительно большую износостойкость можно получить при изготовлении деталей плунжерной пары из кристаллов, в частности из кристаллов, основой которых является α-модификация оксида алюминия (α-Al₂O₃, он же корунд).

Проведенные исследования показали, что, например, лейкосапфир (являющийся разновидностью α-Al₂O₃), ориентированный в направлении кристаллографической оси [0001] имеет износостойкость, в 10 раз большую по сравнению с покрытием из хрома и в 5 раз большую по сравнению с корундовой керамикой.

Кроме того, лейкосапфир прозрачен в широком интервале длин волн, имеет слабое светорассеяние и высокую оптическую однородность, высокую радиационную стойкость и низкие внутренние напряжения, высокую устойчивость к агрессивным средам.

Прозрачность лейкосапфира - это дополнительное преимущество, заключающееся в возможности визуального контроля наличия/отсутствия пузырей при работе насосов-дозаторов, что является важным при высокоточном дозировании.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ обработки плунжерных пар на основе α-Al₂O₃, изготовление заготовок, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии смазочно-охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок (RU 2521129 С1, 27.06.2014). Недостатком прототипа является высокий коэффициент трения трущихся изделий, высокое время изготовления изделий.

Задача, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в следующем:

- Уменьшение интенсивности износа при высоких контактных нагрузках, работе лейкосапфировой (сапфировой) плунжерной пары или ее отдельных составляющих;

- Увеличение твердости и микротвердости поверхностного слоя трущихся рабочих лейкосапфировых (сапфировых) плунжерных пар или ее отдельных составляющих;

- Снижение шероховатости трущихся рабочих поверхностей лейкосапфировых (сапфировых) плунжерных пар или ее отдельных составляющих;

- Уменьшение коэффицента трения обработанных рабочих трущихся поверхностей;

- Снижение рабочего времени на изготовление лейкосапфировых (сапфировых) плунжерных пар или их составляющих за счет отказа от промежуточных циклов механической обработки;

- Снижение механической нагрузки на все оборудование, в котором используются лейкосапфировые (сапфировые) плунжерные пары или их составляющие;

- Сокращение времени между ремонтами оборудования, в котором используются лейкосапфировые (сапфировые) плунжерные пары или их составляющие;

- Исключение эффекта «подклинивания» за счет высокой обработки трущихся поверхностей лейкосапфировой плунжерной пары или ее отдельных составляющих.

Сущность созданного технического решения

Техническим результатом изобретения является разработка способа обработки цилиндрических поверхностей сапфира с применением финишной безабразивной ультразвуковой обработки до шероховатости поверхности R_a≤0,025-0,020, R_z≤0,032-0,025, снижение коэффициента трения трущихся изделий, трудоемкости работ и времени изготовления, увеличение твердости и микротвердости поверхностного слоя изделий.

Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного способа обработки плунжерных пар на основе α-Al₂O₃ изготовление заготовок, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок, в предложенном способе обработки плунжерных пар на основе α-Al₂O₃ среднее шлифование поверхности заготовок осуществляют до значений шероховатости поверхности R_z=10-20 мкм, после чего осуществляют финишную безабразивную обработку заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц до шероховатости поверхности R_a=0,020-0,025 мкм.

В заявленном способе после среднего шлифования осуществляют тонкое шлифование поверхности заготовок до шероховатости R_a=1,25-1,6 мкм или до шероховатости R_a=0,63-0,80 мкм.

После тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности R_a=l,25-1,6 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности R_z=0,05-0,063 мкм, а после тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности R_a=0,63-0,80 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности R_z=0,025-0,032 мкм.

Кристалл на основе α-Al₂O₃ представляет собой монокристалл лейкосапфира или кристалл, выбранный из группы: александрит, красный рубин, синий сапфир, оранжевый сапфир, оранжевый падпараджа, желтый сапфир, зеленый сапфир, розовый сапфир, темно-красный сапфир, фиолетовый сапфир.

В качестве охлаждающих жидкостей используют воду, смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) - различные синтетические масла, часовое профильтрованное масло.

Осуществление изобретения

Основными сборочными единицами сапфировых насосных и дозирующих устройств являются: наружная часть - сапфировый цилиндр (он же корпус, гильза или втулка) и внутренняя часть - сапфировый плунжер (он же поршень или стержень). Для некоторых моделей насосов-дозаторов конструкцией предусмотрен сапфировый шибер (второй плунжер, выполняющий роль запирающего устройства-крана).

Предварительные цилиндрические заготовки на основе α-Al₂O₃ могут быть получены двумя различными способами. В первом способе цилиндрические заготовки сапфировых поршня и цилиндра высверливаются из цельного искусственно выращенного монокристалла сапфира. Высверливание происходит алмазным сверлом необходимого диаметра с учетом припуска на дальнейшую обработку. Высверливание происходит с применением различных СОЖ. Это могут быть различные марки синтетических охлаждающих масел, например 5W-ADDINOL Super light 5W-40, OW-CASTROL Formula SLXOW-30 и другие. Оставшийся материал отправляется обратно в установку расплава и роста кристаллов.

Второй способ заключается в распиле цельного сапфирового монолита «були» (рост по методу Киропулоса) или «лодочки» (рост по методу Багдасарова) алмазными кругами с получением квадратных блоков. Далее эти блоки обрабатывают на шлифовальном станочном оборудовании алмазными кругами с крупными зернами алмаза, для получения грубо обработанных сапфировых цилиндрических заготовок. Первый способ является предпочтительным.

Стадия грубого шлифования полученных заготовок на основе α-Al₂O₃ осуществляется на высокоточном станочном оборудовании механическим путем с применением алмазного инструмента. При этом применяются различные алмазные круги, алмазные сверла и алмазные хоны, с разными величинами алмазного зерна. Размер алмазных зерен от 0,8 мм до 0,1 мм. Все процессы обработки обязательно происходят с применением различных СОЖ. Это могут быть различные марки синтетических охлаждающих масел, например 5W-ADDINOL Super light 5W-40, OW-CASTROL Formula SLXOW-30 и другие.

Среднее шлифование заготовок на основе α-Al₂O₃ осуществляют путем механической обработки алмазными инструментами с более мелким зерном алмазного инструмента. Размер алмазных зерен от 0,3 мм до 0,09 мм. На этом этапе обработки достигается минимальный допуск для следующих более точных и тонких этапов обработки. Процесс может происходить на разных марках и модификациях шлифовального станочного оборудования с применением различных СОЖ, в частности на универсальном круглошлифовальном станке модели CG 2535-AL или CG 2550-AL, универсальном круглошлифовальном станке полуавтомате модели 3U12AAF11 с УВД и других.

Тонкое шлифование заготовок на основе α-Al₂O₃ осуществляют алмазными инструментами с фракцией зерна наименьших размеров с применением различных СОЖ. Применяются алмазные абразивные круги на связке M1 с размером зерен 125/100 мкм, 100/80 мкм. Концентрация 100%, марка алмаза АС 15, АС 20, АС 32, скорость инструмента 5 м/с. Скорость удаления продукта достигает 1000 мкм/мин. Данная ступень обработки происходит поэтапно, с применением режущего алмазного инструмента с постоянным уменьшением фракции алмазного зерна в этих инструментах. В зависимости от конкретной обрабатываемой детали обработка может происходить как на без центровальном оборудовании, так и в центрах, как известно специалисту в данной области техники.

При взаимодействии монокристалла с обрабатывающим инструментом необходимо учитывать анизотропию свойств лейкосапфира. Улучшение качества обработки достигается за счет снижения резания единичными зернами инструмента.

Финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц осуществляют на устройстве, генерирующем ультразвуковые колебания, следующим образом: подаваемое на обмотку магнитострикционного преобразователя напряжение вызывает в нем колебания ультразвуковой частоты, передаваемые через концентратор на излучатель ультразвука и связанный с ним наконечник, установленный на расстоянии 0,3-1 мм в зависимости от диаметра обрабатываемой детали. Для охлаждения заготовок подают воду, смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ), такие как масла различных марок, например часовое профильтрованное масло. При воздействии ультразвука - удара наконечника о поверхностный слой кристалла происходит пластическая деформация микронеровностей поверхности. В результате чего происходит снижение шероховатости поверхности и увеличивается коэфицент твердости и микротвердости поверхностного слоя деталей. Для обеспечения более низкой шероховатости поверхности обрабатываемых заготовок применяется несколько проходов безабразивной ультразвуковой обработки, предпочтительно три.

Пример 1

Изготавливают цилиндрические заготовки (плунжерную пару) из искусственно выращенного кристалла на основе α-Al₂O₃. Поверхности полученных заготовки подвергаются грубой шлифовке, затем осуществляют среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности R_z=10-20 мкм. После чего осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями до шероховатости поверхности R_a=0,020-0,025 мкм.

Пример 2

Изготавливают цилиндрические заготовки (плунжерную пару) из искусственно выращенного кристалла на основе α-Al₂O₃. Поверхности полученных заготовки подвергаются грубой шлифовке, затем осуществляют среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности R_z=10-20 мкм, с последующим тонким шлифованием поверхности заготовок до шероховатости R_a=0,63-0,80 мкм. После чего осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями до шероховатости поверхности R_z=0,025-0,032 мкм.

Пример 3

Обработку цилиндрических заготовок (плунжерной пары) из искусственно выращенного кристалла на основе α-Al₂O₃ осуществляют аналогично примеру 2. Отличие состоит в том, что для получения более низкой шероховатости поверхности дополнительно осуществляют два прохода безабразивной ультразвуковой обработки поверхности заготовок до шероховатости поверхности R_z=0,002-0,005 мкм.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет осуществить способ обработки цилиндрических поверхностей деталей на основе α-Al₂O₃ с применением финишной безабразивной ультразвуковой обработки до шероховатости поверхности R_a≤0,025-0,020, R_z≤0,032-0,025, снизить коэффициент трения трущихся изделий, трудоемкость работ и время изготовления изделий, увеличить твердость и микротвердость поверхностного слоя изделий.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

1. Способ обработки трущихся поверхностей заготовок, полученных из искусственно выращенного кристалла на основе α-Al₂O₃, включающий механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива инструмента, которая включает грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности R_z=10-20 мкм и по меньшей мере одну последующую финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц до шероховатости поверхности R_a=0,020-0,025 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после среднего шлифования осуществляют тонкое шлифование поверхности заготовок до шероховатости R_a=1,25-1,6 мкм или до шероховатости R_a=0,63-0,80 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кристалл на основе α-Al₂O₃ представляет собой монокристалл лейкосапфира.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кристалл на основе α-Al₂O₃ представляет собой кристалл, выбранный из группы, включающей александрит, красный рубин, синий сапфир, оранжевый сапфир, оранжевый падпараджа, желтый сапфир, зеленый сапфир, розовый сапфир, темно-красный сапфир, фиолетовый сапфир.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающих жидкостей используют воду, смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ).

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что после тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности R_a=1,25-1,6 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности R_z=0,05-0,063 мкм.

7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что после тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности R_a=0,63-0,80 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности R_z=0,025-0,032 мкм.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве СОЖ используют синтетические масла, часовое профильтрованное масло.