Алмазный инструмент для механической обработки неметаллических материалов

Алмазный инструмент для механической обработки неметаллических материалов

Реферат

 

Алмазный инструмент предназначен для механической обработки неметаллических материалов, например оптического стекла, технической керамики, графитизированного карбида кремния, синтетического и природного камней. Для обеспечения эффективной обработки указанных материалов инструмент в определенном соотношении содержит диеновый синтетический каучук (100 мас.ч.), органический пероксид (1-5 мас .ч.), алмазный порошок (5-80 мас.ч.), а также минеральный наполнитель и технический углерод (5-60 мас.ч.). При этом соотношение минерального наполнителя (5-55 мас. ч.), а технического углерода (55-5 мас.ч.). 2 табл.

Изобретение относится к инструментам для механической обработки изделий, а более точно - к алмазному инструменту для обработки неметаллических материалов.

Изобретение может быть использовано для механической обработки оптического стекла, технической керамики, графитизированного карбида кремния, синтетических и природных камней и других неметаллических материалов.

Известен состав алмазного инструмента [авторское свидетельство СССР N 757301, кл. B 24 B 13/00, 1978], состоящий из бутадиеннитрильного каучука (100 мас. ч. ), в котором в качестве вулканизирующего агента используется сера (1-2 мас. ч.), в качестве ускорителей вулканизации - каптакс (1-2 мас. ч. ) и тиурам (0,3-1,0 мас.ч.), активатора вулканизации - окись цинка (3-5 мас. ч.), пластификаторов - дибутилфталата (25-35 мас.ч.) и стеарата кальция (1.0-1.5 мас. ч.). В композицию входит также пульвербакелит (10-20 мас.ч.), который используется в качестве адгезионной добавки и поливинилхлорид (50-60 мас. ч.) для повышения износостойкости, стойкости к старению и формируемости связки. Такой инструмент позволяет получать высокую чистоту обрабатываемой поверхности (для оптической керамики Re=0.020 мкм) при относительно высокой производительности обработки.

Однако наличие серной вулканизирующей группы и большого количества поливинилхлорида и пластификаторов обуславливает низкую теплостойкость инструмента, что при высокой эластичности делает его практически непригодным для обработки деталей с высокими требованиями к геометрической точности исполнительных поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является алмазный инструмент [патент Российской федерации N 2038944, кл. B 24 D 3/22, 1992], состоящий из диенового синтетического каучука (100 мас.ч.), антифрикционой добавки (3-15 мас.ч.), органического пероксида (1-5 мас.ч.), используемого в качестве вулканизующего агента минерального наполнителя (5-60 мас. ч. ) и алмазного микропорошка (5-15 мас.ч.).Такой алмазный инструмент при условии его термовулканизации обеспечивает получение шлифованных поверхностей с предельно низкими значениями шероховатости при высокой износостойкости и стабильности формы алмазного инструмента.

Однако такие инструменты эффективно работают только при финишной обработке (при использовании микропорошков алмазов) определенных марок оптических стекол, таких как силикатные стекла, а также некоторых видов природных и искусственных камней, например синтетического гранита. При обработке же, например, свинецсодержащих стекол, а также природных камней группы мраморов, наблюдается быстрый износ инструмента, а более твердых материалов, таких как боролантанные стекла, плавленый кварц и природные камни группы гранитов - низкая работоспособность и быстрая засаливаемость инструмента. Это объясняется тем, что сочетание в таких составах минерального наполнителя и антифрикционной добавки приводит к жесткой, нерегулируемой структуре, которая не дает возможности варьировать свойствами инструментов. Этот фактор тем самым ограничивает эффективное использование инструмента при обработке материалов, обладающих различными свойствами и применение алмазных шлифовальных порошков для ранних стадий обработки материалов.

В основу изобретения положена задача создать алмазный инструмент для механической обработки неметаллических материалов, который за счет изменения его состава обеспечивал бы эффективную обработку материалов с различными физико-механическими свойствами и составами, а также его применение на различных стадиях обработки.

Поставленная задача решается тем, что алмазный инструмент для механической обработки неметаллических материалов, содержащий алмазный порошок, диеновый синтетический каучук, органический пероксид и минеральный наполнитель, согласно изобретению дополнительно содержит технический углерод.

Целесообразно, чтобы состав алмазного инструмента содержал компоненты, мас.ч.: Диеновый синтетический каучук - 100 Органический пероксид - 1-5 Минеральный наполнитель и технический углерод - 5-60 Алмазный порошок - 5-80 Необходимо минеральный наполнитель и технический углерод брать в соотношении, мас.ч.: Минеральный наполнитель - 5-55 Технический углерод - 55-5 Введение технического углерода, общий состав алмазного инструмента, а также соотношение минерального наполнителя и технического углерода обеспечивает изготовление инструментов, обладающих необходимым комплексом свойств для механической обработки различных неметаллических материалов, в том числе различных марок синтетических стекол с высокими параметрами работоспособности, износостойкости и формостойкости, низкими значениями шероховатости и глубиной нарушенного слоя обрабатываемой поверхности на различных стадиях механической обработки.

Алмазный инструмент согласно изобретению содержащий алмазный порошок, диеновый синтетический каучук, органический пероксид, минеральный наполнитель и технический углерод, причем минеральный наполнитель и технический углерод берут в определенном соотношении в зависимости от свойств обрабатываемого материала и стадии обработки (зернистости алмазного порошка).

Для изготовления алмазного инструмента согласно изобретению берут диеновый синтетический каучук, например бутадиеннитрильный каучук (100 мас.ч.), органический пероксид, например дикумилпероксид (0,5-5 мас.ч.), минеральный наполнитель (5-60 мас.ч.), например диоксид кремния и технический углерод и алмазный порошок, например размером 28-40 мкм (5-80 мас.ч.), При этом минеральный наполнитель и технический углерод берут в соотношении мас.ч.: Минеральный наполнитель - 5-55 Технический углерод - 55-5 Готовят композицию путем смешения компонентов на вальцах. Затем композицию вулканизуют в пресс-форме под давлением и термообрабатывают в свободном состоянии при температуре 280-300^oC.

Введение в состав композиции активного технического углерода существенно изменяет структурные свойства материала за счет образования углерод-каучукового геля и образования цепочечных структур частиц технического углерода. Это приводит к увеличению прочностных свойств, износостойкости и теплостойкости инструментов. Использование минеральных наполнителей в составах алмазных инструментов как малоактивных наполнителей приводит в основном лишь к увеличению твердости, и в некоторых случаях указанные наполнители могут выполнять роль дополнительного абразива. Технический углерод как структурообразующий компонент ответствен за свойства композиций.

При увеличении содержания минерального наполнителя повышается твердость композита и его износостойкость, но при этом увеличивается склонность инструмента к "засаливаемости". Увеличение количества технического углерода приводит к повышению работоспособности алмазного инструмента, но при этом понижается его износостойкость. Оптимальное соотношение минерального наполнителя и технического углерода в составе алмазного инструмента определяет необходимый комплекс свойств для обработки тех или иных материалов на различных стадиях обработки.

Необходимо отметить, что такие зависимости наблюдаются при условии перекисной вулканизации с дополнительной термообработкой инструмента при высокой температуре, когда происходит образование углерод-углеродных межмолекулярных связей в композите с высокой густотой вулканизационной сетки.

Таким образом, достижение комплекса оптимальных свойств алмазных инструментов на основе термовулканизованных эластомерных композиций находится в зависимости от соотношения доли малоактивного жесткого наполнителя, приводящего к увеличению твердости инструмента и технического углерода, влияющего на микроструктуру композита. Изменяя это соотношение, можно в широких пределах изменять свойства указанных композитов и тем самым регулировать параметры работоспособности алмазных инструментов, в том числе использовать в инструментах не только микропорошки алмазов, но и порошки более крупных зернистостей (до 400 мкм) для ранних стадий обработки материалов. Кроме того, технический углерод в термовулканизованных алмазных инструментах на основе каучуков выполняет роль твердой смазки, что приводит к снижению коэффициента трения при обработке и уменьшает теплообразование в зоне трущихся поверхностей.

Пример 1. Алмазный инструмент готовят следующим образом: на резиносмесительных вальцах производят смешение бутадиен-нитрильного каучука с 40%-ным содержанием нитрила акриловой кислоты (100 мас.ч.) (табл.1), дикумилпироксида (2 мас. ч.), диоксида кремния с размером частиц 40-80 мкм (20 мас. ч.), технического углерода (15 мас.ч.), алмазного порошка с размером зерен 28 - 40 мкм (20 мас.ч.). Полученную смесь загружают в пресс-форму, формируют на гидравлическом прессе и выдерживают под давлением 5 0.2 МПа при температуре 1505^oC в течение 15 мин. Полученные эластичные заготовки помещают в сушильный шкаф и подвергают термообработке в свободном состоянии при температуре 300^oC в течение 4 ч.

Инструменты испытывали по методу свободного притира на плоскошлифовальном станке. В ходе испытаний обрабатывали заготовки из оптических стекол разных марок и других материалов, указанных в табл.2. Диаметр заготовок 75 мм, частота вращения шпинделя - 700 об/мин, удельное давление на инструмент - 1 кг/см², время цикла обработки - 60 с. Результаты испытаний представлены в табл.2.

Примеры 2-15. В табл. 1 приведены составы композиций для приготовления алмазных инструментов, отличающихся соотношением содержания минерального наполнителя и технического углерода, природой компонентов, а также зернистостью алмазного порошка. Методика получения, термообработки и испытаний алмазных инструментов аналогичнa описанным в примере 1. Причем в табл.2 указаны следующие параметры работоспособности инструментов: L - съем материала в мкм в минуту; h - относительный износ инструмента в %; Ra - получаемая шероховатость поверхности в мкм.

В примерах 1, 2 показана работоспособность инструментов с алмазными порошками зернистостью 28 - 40 и 10 - 14 мкм. Из табл.2 видно, что такие инструменты эффективно работают на стеклах средней (силикатные) и низкой (свинецсодержащие) твердости, а также плавленом кварце и синтетическом граните.

Различное соотношение минерального наполнителя и технического углерода по-разному влияет на параметры работоспособности инструментов при обработке различных материалов (примеры 3 - 5). Высокое содержание минерального наполнителя при небольшом количестве технического углерода оптимально для обработки материалов с высокой хрупкостью и низкими прочностными свойствами, таких как свинецсодержащие стекла и доломит.

Высокое содержание технического углерода при низком содержании минерального наполнителя благоприятно влияет на обработку боролантанных стекол и синтетического гранита. Примерно равное количество минерального наполнителя и технического углерода позволяет эффективно обрабатывать кварц и техническую керамику.

Совместное введение минерального наполнителя и технического углерода позволяет применять шлифовальные порошки алмазов для достаточно грубой обработки материалов с достаточной производительностью при относительно низком износе инструмента (примеры 6, 7).

Введение наполнителей в композицию на основе диеновых каучуков и перекисной вулканизирующей группы свыше 60 мас.ч. (примеры 8, 9) затруднительно из-за чрезмерного разогрева композиции при перемешивании и склонности к подвулканизации смеси. Кроме того, при большом содержании минерального накопителя повышается "засаливаемость" инструмента, а при большом содержании технического углерода низка его износостойкость.

Недостаточное количество органического пероксида (дикумилпероксида) (пример 13) не дает возможности получить качественную заготовку инструмента из-за недовулканизации смеси, а его избыток (пример 14) приводит к большой твердости заготовки, которую затруднительно извлечь из пресс-формы.

Применение диенового каучука другой природы, например бутадиенового (пример 10), не сильно влияет на работоспособность инструментов, так же как и пользование дибутилпероксида в качестве вулканизующего агента (пример 11).

Замена диоксида кремния на оксид циркония (пример 12) позволяет с большей эффективностью обрабатывать твердые материалы, так же как боролантанные стекла и техническую керамику.

Недостаточное количество алмазного порошка приводит к быстрой потере работоспособности инструмента (пример 15), а его содержание свыше 80 мас.ч. нецелесообразно из-за экономических соображений и не дает эффекта повышения показателей работоспособности.

Таким образом, заявляемый алмазный инструмент может эффективно использоваться при обработке различных материалов. Из табл. 2 видно, что путем подбора различного соотношения минерального наполнителя и технического углерода можно использовать оптимальный состав для обработки того или иного неметаллического материала.

Формула изобретения

Алмазный инструмент для механической обработки неметаллических материалов, содержащий алмазный порошок, диеновый синтетический каучук, органический пероксид и минеральный наполнитель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит технический углерод при следующем соотношении компонентов в мас.ч.: Диеновый синтетический каучук - 100,0 Органический пероксид - 0,5 - 5,0 Минеральный наполнитель и технический углерод - 5,0 - 60,0 Алмазный порошок - 5,0 - 80,0 причем минеральный наполнитель и технический углерод берут в соотношении мас.ч.: Минеральный наполнитель - 5,0 - 55,0 Технический углерод - 55,0 - 5,0н

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3