СОСТАВ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
DIAMOND TOOL COMPOSITION

Данное предложение относится к составам алмазного инструмента для механической обработки неметаллических материалов и может быть использовано для механической обработки (шлифования) труднообрабатываемых неметаллических материалов, таких как лейкосапфир, кварц, карбид кремния.
Известен состав алмазного инструмента [1], включающий эпоксидную смолу, отвердитель, алмазный порошок, наполнитель, полигидридсилоксан и в качестве функциональной добавки муравьиную кислоту.
Известен также состав массы для изготовления инструмента для алмазно-абразивной обработки [2], включающий эпоксидную смолу, отвердитель, абразив, смесь двуокиси церия с аминопластами и/или фенопластами, полигидридсилоксан, в котором в качестве абразива использована смесь алмазного порошка и вспомогательного абразива-корунда, карбида кремния, карбида бора, нитрида бора или их смеси.
Однако инструменты таких составов эффективно работают при шлифовании труднообрабатываемых материалов только в присутствии вспомогательных абразивных таблеток [3] или абразивосодержащего наполнителя, заполняющего пространство между алмазными элементами [4].
При этом эффективность работы таких инструментов обеспечивается принудительным вскрытием алмазных элементов под воздействием свободного абразива, выделяющегося из абразивных материалов в процессе шлифования. Это значительно снижает износостойкость алмазного инструмента и, как следствие, приводит к быстрой потере его геометрической формы, особенно при обработке сферических оптических деталей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является алмазный инструмент для механической обработки неметаллических материалов [5], содержащий, мас.ч.:
Диеновый синтетический каучук
100
Органический пероксид
0,5-5
Минеральный наполнитель
5-55
Технический углерод
55-5
Алмазный порошок
5-80
Такой инструмент обеспечивает высокую производительность, износостойкость и формостойкость, а также получение обрабатываемых поверхностей с низкой величиной шероховатости.
Недостатком известного инструмента является тот факт, что при шлифовании труднообрабатываемых кристаллических материалов, таких как лейкосапфир, кварц, карбид кремния, указанный инструмент обладает низкой стабильностью съема припуска, что приводит к быстрой потере его режущей способности.
Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, заключается в том, чтобы обеспечить при использовании предложенного алмазного инструмента повышение стабильности 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, минеральный наполнитель, технический углерод и алмазный порошок, дополнительно вводят гидрид титана и олигоэфиракрилаты и/или диеновые олигомеры в качестве пластификатора.
Целесообразно, чтобы компоненты алмазного инструмента были взяты в следующем соотношении, мас.ч.:
Диеновый синтетический каучук
100
Органический пероксид
0,5-5
Минеральный наполнитель
40-120
Технический углерод
5-50
Гидрид титана
10-50
Пластификатор
5-20
Алмазный порошок
5-150
При этом в качестве минерального наполнителя используют смесь оксидов в соотношении, мас.ч:
Оксид кремния
10-100
Оксид алюминия
10-100
Оксид железа
10-60
а в качестве пластификатора - олигоэфиракрилаты и диеновые олигомеры, имеющие активные функциональные группы.
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 вальцах, вулканизацией заготовок инструмента в пресс-форме под давлением и их термообработкой в свободном состоянии при температуре 280÷300°С.
Алмазный инструмент для обработки труднообрабатываемых неметаллических материалов должен обладать высокими значениями твердости и прочности в сочетании с повышенной хрупкостью материала, способствующей самозатачиванию инструмента в процессе работы.
Кроме того, связка инструмента должна обладать высокой теплостойкостью, исключающей внедрение в нее алмазного зерна при разогреве во время трения об обрабатываемую поверхность и прочное адгезионное закрепление алмаза в связке.
Присутствие в составе смеси оксидов кремния, алюминия и железа способствует повышению твердости связки и самозатачиванию алмазного инструмента в процессе обработки твердых кристаллических материалов.
Оксид железа способствует также повышению теплостойкости связки и, как полирующий агент, уменьшению шероховатости обработанной поверхности. Гидрид титана при достаточно высоких температурах термообработки заготовок алмазного инструмента (280÷300°С) частично разлагается с выделением водорода, который препятствует термоокислительной деструкции макромолекул каучука, а в процессе шлифования - играет роль восстановителя окисленных поверхностей обрабатываемых материалов.
Так как предлагаемый состав алмазного инструмента является высоконаполненной системой, при его изготовлении возникают трудности, связанные с большой вязкостью резиновой смеси. Для уменьшения вязкости высоконаполненной композиции при смешении компонентов в состав смеси вводится пластификатор, который уменьшает вязкость лишь во время изготовления композиции, а при вулканизации и термообработке заготовок алмазного инструмента смешивается с эластомерной матрицей и входит в ее структуру. Кроме того, олигоэфиракрилаты и диеновые олигомеры, имеющие активные функциональные группы, играют роль адгезионных добавок, способствующих химическому взаимодействию между полимерной матрицей и твердыми частицами наполнителей, и, следовательно, повышению прочностных свойств и твердости композиции, а также прочному закреплению алмазного зерна в связке инструмента.
Количество вводимых компонентов и их соотношение в составе алмазного инструмента определяется, во-первых, способностью к переработке композиции, во-вторых, влиянием количества каждого компонента на прочностные свойства получаемого высоконаполненного материала, в-третьих, влиянием каждого компонента на работоспособность инструмента при обработке того или иного материала. Учитывая роль твердофазных химических реакций, происходящих во время механической обработки материалов алмазным инструментом, при выборе компонентов минерального наполнителя необходимо учитывать состав обрабатываемого материала. Например, при обработке материалов на основе оксида кремния (кварц) в связке инструмента (в качестве минерального наполнителя) должно быть повышенное содержание оксида алюминия, а при обработке материалов, содержащих оксид алюминия (лейкосапфир), - оксида кремния.
Пример 1.
Алмазный инструмент готовят следующим образом: на резиносмесительных вальцах производят смешение бутадиен-нитрильного каучука с 40% содержанием нитрила акриловой кислоты (100 мас.ч.), дикумилпероксида (3 мас.ч.), минерального наполнителя (100 мас.ч.), [диоксида кремния (60 мас.ч.), оксида алюминия (20 мас.ч.), оксида железа (20 мас.ч.)], технического углерода (40 мас.ч.), гидрида титана (40 мас.ч.), олигоэфиракрилата марки ТГМ-3 (10 мас.ч.) и алмазного порошка с размером зерен 20÷40 мкм (30 мас.ч.).
Полученную смесь загружают в пресс-форму, формуют на гидравлическом прессе и выдерживают при давлении 5±0,2 МПа при температуре 170±5°С в течение 15 минут.
Полученные эластичные заготовки помещают в сушильный шкаф и подвергают термообработке в свободном состоянии при температуре 300°С в течение 4 часов.
2
Инструменты испытывали по методу свободного притира на шлифовальном станке. В ходе испытаний обрабатывали заготовки из лейкосапфира, кристаллического кварца и карбида кремния. Диаметр заготовки - 75 мм, частота вращения шпинделя - 700 об/мин, удельное давление на инструмент - 1 кг/см, время цикла обработки - 60 секунд. Результаты испытаний представлены в таблице.
Пример 2.
Аналогичен примеру 1, за исключением состава минерального наполнителя: диоксид кремния - 20 мас.ч., оксид алюминия - 60 мас.ч., оксид железа - 20 мас.ч.
Пример 3.
Аналогичен примеру 1, за исключением состава минерального наполнителя: диоксид кремния - 60 мас.ч., оксид алюминия - 30 мас.ч., оксид железа - 30 мас.ч.
Как видно из результатов испытаний алмазных инструментов заявленных составов (таблица), лучшими показателями работоспособности для лейкосапфира обладает состав примера 1, имеющий повышенное содержание оксида кремния, для кристаллического кварца - состав примера 2, содержащий повышенное количество оксида алюминия, для карбида кремния - состав примера 3, имеющий максимальное содержание минерального наполнителя.
Таблица
Показатели работоспособности алмазных инструментов
Обрабатывае-мый материал
Номер примера
Показатели работоспособности
Производительность шлифования, мкм/мин
Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкм
Количество обработанных поверхностей до правки инструмента, шт.
Лейкосапфир
1
37
0,06
>50
2
17
0,06
9
3
25
0,12
36
Кристалличес-кий кварц
1
21
0,08
11
2
48
0,05
>50
3
28
0,12
31
Карбид кремния
1
17
0,18
23
2
11
0,07
15
3
23
0,04
>50
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию ”ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ”.
Источники информации
1. Патент РФ N 2169658, кл.7 B24D 3/32, 3/34, 2000.
2. Патент РФ N 2169657, кл.7 B24D 3/28, 3/34, 7/14, 2000.
3. Патент РФ N 2169657, кл.7 B24D 3/28, 3/34, 7/14, 2000.
4. Патент РФ N 2208511. кл.7 B24D 3/34, 7/14, 2001.
5. Патент РФ N 2121425, кл.6 B24D 3/22, 1996.