АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗЕРЕН

ОПИСАНИЕ
Устройство относится к абразивным, шлифовальным, сверлильным и буровым инструментам, изготавливаемых на основе смеси абразивных зерен и металлической связки.
Инструменты, изготавливаемые таким образом, могут быть использованы для резки, сверления, шлифования, бурения различных материалов и поверхностей.
Абразивные инструменты состоят из рабочей части, выполненной из распределенной по ее объему смеси связанных посредством металлического связующего абразивных зерен (в основном, алмазных), и держателя или отверстия для вставки держателя, расположенных в ее центральной зоне.
К абразивным инструментам по данному устройству следует относить любые боры, сверла, фрезы, абразивные и шлифовальные круги, буры и пр. инструменты, в рабочей части которых присутствуют абразивные частицы абразивных материалов.
Абразивные материалы, используемые для изготовления инструмента, это твердые частицы (зерна) различного состава: алмаз (природный и искусственный), электрокоруд, корунд, карбид кремния, карбид бора и другие известные в абразивной отрасли зернистые материалы, размеры частиц которых в диапазоне от 1 до 2000 мкм.
Известны металлоабразивные инструменты (Авторское свидетельство СССР N 1703718, кл. С 25 D 5/02, 1989. 2. Авторское свидетельство СССР N 1705052, кл. В 24 D 3/34, 1988.), получаемые электрохимическими методами или спеканием, в том числе горячей допрессовкой порошковых заготовок в различных защитных средах. Применяемые для этой цели технологии из-за большого количества переменных факторов затрудняют стабильность основных параметров при серийном производстве, что в ряде случаев снижает качество изготовляемых инструментов.
Абразивные зерна этого инструмента предварительно не покрыты металлом, который бы проникал во все дефекты и поры поверхности абразивного зерна и создавал переходный слой для металла связки. Отсутствует и диффузионный слой между связкой и металлом покрытия.
Все это снижает прочность удержания зерен в инструменте, следовательно, снижает износостойкость.
Известен абразивный инструмент (Авторское свидетельство СССР N 2042499, кл. В 24 D 17/00,1995.), который содержит держатель, жестко скрепленный с рабочей частью, выполненной в виде смеси абразивных алмазных зерен и частиц наполнителя с металлическим связующим.
Его недостатком является потеря рабочих свойств при выкрашивании с поверхности рабочей части алмазных зерен. Кроме того, в случае образования пустот и каверн при выкрашивании в теле инструмента снижается его износостойкость и производительность. Недостатки этого метода также состоят в том, что абразивные зерна предварительно смешиваются с металлической связкой и прессуются, что исключает предельно плотное заполнение формой зернами, т.к. часть пространства при прессовании исходно будет занимать металл связки. Следовательно, данный инструмент будет обладать меньшей производительностью и износостойкостью, чем заявляемый. Абразивные зерна предварительно не покрыты металлом, который бы проникал во все дефекты и поры поверхности абразивного зерна и создавал переходный слой для металла связки. Отсутствует и диффузионный слой между связкой и металлом покрытия. Все это снижает прочность удержания зерен в инструменте, следовательно, снижает износостойкость. Понижение концентрации за счет введения порошковой связки и прессования снижает производительность инструмента. Известен патент РФ №2240914 на абразивный инструмент, содержащий скрепленные друг с другом черновой и чистовой круги, состоящие из абразивных зерен и связующего вещества, новым является то, что в связующее вещество дополнительно введены полые сферические частицы в количестве 40-50% от занимаемого им объема инструмента, абразивные зерна в компактном состоянии образуют плотную упаковку и занимают 50-65% от объема инструмента, органическое связующее - 35-50% от объема инструмента, при этом в черновом круге размер абразивных зерен равен 1000-1600 мкм, полых сферических частиц - 50-80 мкм, а в чистовом - 400-500 мкм и 20-25 мкм соответственно. Недостатком этого инструмента является то обстоятельство, что органическое связующее не может обладать высокой твердостью, износостойкостью и термостойкостью, что снижает износостойкость самого инструмента. Зерна абразива не имеют диффузионной связи со связующим, по сути дела закреплены механически в связке. Кроме того, сферические частицы, введенные в органическую связку, представляют собой микродефекты, которые дополнительно ослабляют ее прочность. Изобретение относится к очень узкой области использования, т.к. предполагает применение абразивных частиц только ограниченного диапазона зернистостей - от 1000 до 1600 мкм. Очевидно, что для тонкого сверления, или, например, чистового шлифования такие зернистости неприменимы. Невозможно изготовить из такой смеси и тонкостенные абразивные сверла, инструменты с острой и тонкой кромкой.
Также известен абразивный инструмент (бор) по патенту РФ №2092302, который содержит рабочую часть, выполненную из смеси жестко связанных посредством металлического связующего алмазных зерен и соизмеримых с ними частиц наполнителя, распределенных по ее объему, и держатель, размещенный в центральной зоне рабочей
части, имеет гнезда, предназначенные для размещения в них алмазных зерен и/или частиц наполнителя, связь алмазных зерен с металлическим связующим выполнена в виде нанесенной на их поверхности металлической пленки покрытия, наружная поверхность рабочей части выполнена шероховатой.
Данный инструмент изготовлен из абразивных частиц и металлической связки, которая занимает часть объема инструмента, что снижает его износостойкость и производительность.
Абразивные зерна предварительно не покрыты металлом, который бы проникал во все дефекты и поры поверхности абразивного зерна и создавал переходный слой для металла связки. Отсутствует и диффузионный слой между связкой и металлом покрытия. Все это снижает прочность удержания зерен в инструменте, следовательно, снижает износостойкость.
Также недостатком этого инструмента и всех известных является то, что объем абразивных зерен абразивного покрытия на металлической связке составляет не более 50% от объема рабочей части инструмента (см. Фиг.1), где 1 - абразивные зерна крупной фракции, 2 - связующий материал на металлической связке, 3 - абразивные зерна малой фракции. Поэтому, все вышеуказанные и известные абразивные инструменты на металлической связке обладают пониженной производительностью и износостойкостью. Большая плотность абразива в рабочей части обеспечивает большую износостойкость инструмента. Например, повышение концентрации на 20% ведет к повышению износостойкости на 20%.
Наиболее близким аналогом является патент РФ №2113531, в котором алмазный спеченный материал, имеющий отличные сопротивление разрушению, коррозионную стойкость, теплостойкость и износостойкость, и способный спекаться при сравнительно низком давлении и низкой температуре содержит 50-99,0 об.% алмаза и остальное - связующую фазу, состоящую из единственной или смешанной фазы из соединения или смеси по крайней мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из редкоземельных элементов групп IIIБ, IVA и VIБ Периодической таблицы элементов, металлов группы железа, Мn, V, щелочных металлов и щелочноземельных металлов, с фосфорным соединением или из вышеописанного соединения или смеси с окисью элемента.
К недостатку данного типа и способа связки абразива относится то обстоятельство, что связующее вещество по патенту РФ №2113531 подвержено ломке и растрескиванию (как показано на Фиг.2), поскольку абразивные зерна не полностью и не равномерно покрываются связующим веществом. Это приводит к износу абразивного покрытия на отдельных частях инструмента и снижению износостойкости инструмента в сравнении с заявляемым изобретением.
К недостаткам способа связки абразива по патенту РФ №2113531 относится недостаточно прочное удержание зерен. А главной причиной повышения износостойкости любого инструмента является более прочное удержание зерен. В обычном инструменте (горячая прессовка) зерна держатся в связке преимущественно механически, и они вырабатывают (по разным оценкам) от 5 до 10% своего ресурса.
Целью данной полезной модели является повышение производительности и износостойкости инструмента на металлической связке и расширение его конструкционных возможностей.
Данная цель достигается за счет того, что процентное содержание абразивных зерен на металлической связке составляет от 50% до 95% от объема рабочей части инструмента (в зависимости от величины абразивных зерен), а остальное пространство заполнено связующим металлом, как показано на Фиг.3. Кроме того, за счет диффузионной прослойки удается на 20-30% прочнее скрепить зерна друг с другом и с металлической связкой и тем самым в среднем в 3 раза повысить ресурс работы абразивного инструмента.
В совокупности с более высокой концентрацией эти особенности придают большую износостойкость заявляемому абразивному инструменту.
Для придания большей прочности конструкции абразивного инструмента поверхность всех зерен предварительно покрывается тонким слоем металла (от 1 мкм и выше).
Толщина слоя должна быть более 1 мкм, в противном случае могут возникнуть разрывы на поверхности, что приведет к частичному раскрытию зерен и ухудшению условий закрепления зерен в инструменте (как показано на Фиг.2). Покрытие наносится на абразивное зерно (1) при высокой температуре таким образом (см. Фиг.4), чтобы металл (5) проникал во все поры (3) и трещины (4) на поверхности абразивных зерен максимально глубоко, что создает «корневую» систему, удерживающую металлическое покрытие на поверхности.
Покрытие металла должно быть настолько проникающим, чтобы обеспечить адгезию слоя не менее 5 МПа. Высокая адгезия обеспечивает более высокую прочность удержания абразивных зерен внутри инструмента.
В дальнейшем все покрытые таким способом зерна засыпаются в форму, изготавливаемую из материала, температура плавления (или разрушения) которого должна быть выше температуры плавления связующего металла (2), в которую он заливается в расплавленном состоянии, при этом температура плавления этого металла (2) должна быть ниже температуры плавления металла покрытия (5) зерен во избежании его расплавления и обнажения поверхности абразивных зерен.
Связующее вещество может являться металлом или сплавом любых металлов, температура плавления которого может быть выше 700 градусов по Цельсию. От того,
какой металл используется, зависит температура плавления связки, а, следовательно, ее твердость, износостойкость и термостойкость. Поэтому для получения возможности изготавливать инструменты с требуемым темпом разрушения, необходимо применять различные сплавы с различными физико-механическими характеристиками. Различные темпы разрушения позволяют создать оптимальный режим самозатачивания инструмента в процессе его работы. Все составы связок по данному способу являются ноу-хау и в данной заявке не раскрыты. При этом они отличаются температурой плавления.
Связующее вещество является металлом или сплавом любых металлов, температура плавления которого выше 700 градусов по Цельсию.
Например, связующее вещество может являться сплавом металлов на основе меди, никеля, фосфора, температура плавления которого от 700 до 800 градусов по Цельсию.
Связующее вещество также может являться сплавом металлов на основе меди, никеля и цинка, температура плавления которого от 800 до 900 градусов по Цельсию.
Связующее вещество также может являться сплавом металлов на основе меди, никеля и германия или сплавом на основе меди, никеля, марганца и олова, температура плавления которого от 900 до 1000 градусов по Цельсию.
Связующее вещество также может являться сплавом металлов на основе меди, никеля и марганца, температура плавления которого от 1000 до 1100 градусов по Цельсию.
При этом температура плавления металла покрытия всегда выше температуры плавления связующего металла (или сплава).
В частности, используемый металл или сплав металлов покрытия имеет температуру плавления выше 1400 градусов по Цельсию. От того, какой металл или сплав используется в качестве покрытия, зависит температура плавления и, соответственно другие характеристик покрытия.
В частности, может использоваться в качестве покрытия чистый никель или никель с небольшим количеством примесей. В этом случае температура плавления покрытия составляет от 1400 до 1600 градусов по Цельсию.
Также может использоваться в качестве покрытия чистый хром, или хром с небольшим количеством примесей. В этом случае температура плавления покрытия составляет от 1600 до 1650 градусов по Цельсию.
Также может использоваться в качестве покрытия чистый молибден, или молибден с небольшим количеством примесей. В этом случае температура плавления покрытия составляет от 1600 до 2400 градусов по Цельсию.
Также может использоваться в качестве покрытия чистый вольфрам, или вольфрам с небольшим количеством примесей. В этом случае температура плавления покрытия составляет от 2400 до 3500 градусов по Цельсию.
Выбор конкретного металла для использования в качестве покрытия зависит от требований, предъявляемых к инструменту. Чем выше температура плавления покрытия, тем более высокую температуру плавления можно задать для связующего металла (сплава). А поскольку при заданной марке абразива термостойкость и твердость инструмента зависит от связующего металла, то чем выше температура его плавления, тем выше можно получить твердость и термостойкость инструмента в целом. Более высокая твердость рабочей части обеспечивает более высокую износостойкость инструмента. Однако не во всех случаях высокая твердость инструмента дает положительный эффект. Например, при использовании абразивного инструмента в качестве сверлильного, необходимо достаточно большое пространство между зернами, в которое мог бы уходить шлам (отработанный мелкодисперсный материал). Но при высокой твердости связующего материала это может и не достигаться по причине того, что изнашивание связки между зернами требует больших давлений, которые не всегда допустимы при сверлении хрупкого материала. В этом случае износ связки происходит медленно и не образуется достаточно свободного пространства для отвода шлама. Шлам скапливается в зоне резания, которая представляет собой глухую кольцевую полость и препятствует контакту абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью. Из-за этого процесс сверления может прекратиться, превращаясь в процесс скольжения по слою шлама. Если же выбрать правильную твердость связки, которая обеспечит оптимальное изнашивание металла в пространстве между зернами, шлам уходит в образовавшиеся полости и не препятствует сверлению.
Заливка связующим металлом в расплавленном состоянии обеспечивает лучшее сцепление его с поверхностью абразивных зерен, так как в расплавленном состоянии металл, во-первых, лучше проникает в структуру поверхности абразивных зерен, а, во-вторых, образует более прочный диффузионный слой с металлом покрытия зерен (5). Укладка зерен в форму такова (см. Фиг.3), что каждое зерно входит в непосредственный контакт с максимально большим числом других зерен, во всяком случае, количество контактов у любого зерна должно быть более 2-х, что обеспечивает более высокую плотность укладки зерен (более высокую концентрацию). При этом толщина контактной зоны между зернами равна толщине двух слоев металла покрытия (5). Предпочтительным является вариант, когда внутри абразивного инструмента любое зерно состоит в контакте как минимум с четырьмя другими зернами, и толщина контактной зоны не превышает толщины двух слоев металла покрытия. Также предпочтительным является вариант, когда зерна абразива имеют в среднем более восьми контактов с соседними зернами.
Для определенных видов работ инструмента наиболее предпочтительным является вариант укладки в основном симметричных абразивных зерен, имеющих сфероподобную
форму, когда достигается количество контактов равное 12 (3 зерна контачат с каждым зерном снизу, 3 зерна - сверху и 6 зерен - по бокам). Такая укладка зерен абразива обеспечивает предельное количество контактов зерен друг с другом, что придает структуре инструмента однородность и монолитность. Плотность укладки достигается специальной процедурой, например, с помощью вибрации формы со свободно насыпанными в нее зернами. При этом, одним из вариантов вибрационной укладки зерен, применяемых в том случае, когда зерна абразива имеют вытянутую, например, эллиптичную форму, (в другом случае - игольчатую, которая обеспечивает их более высокую абразивную способность), является вариант вибрации, когда амплитуда, частота и пространственная направленность вибрационных импульсов подбирается по специальной формуле, (известной заявителю, но не раскрывающейся в данном изобретении, поскольку она является предметом ноу-хау), позволяющей создать не только плотнейшую упаковку зерен в форме, но и придать им оптимальную для каждого конкретного вида инструмента пространственную ориентацию. Абразивные зерна, имеющие подобную вытянутую форму, ориентированы внутри рабочей части инструмента определенным образом. Зерна внутри рабочей части инструмента могут быть максимально уплотнены и среднее расстояние (с дисперсией не более 25%) между зернами точно соответствует среднему диаметру зерен основной фракции.
Более высокая концентрация абразивных зерен обеспечивает более высокую производительность работы инструмента при прочих равных условиях по сравнению с инструментом с менее высокой концентрацией. Кроме того, за счет большего количества абразивных зерен в том же объеме ресурс инструмента при всех остальных прочих условиях возрастает. Кроме того, за счет прочного сцепления металла покрытия с абразивным зерном и наличия переходного диффузного слоя между этим металлом (5) и металлом связки (2), абразивные зерна лучше удерживаются внутри тела инструмента, что обеспечивает следующие положительные свойства: больший ресурс работы каждого отдельного зерна, что повышает общий ресурс инструмента, более высокую кромкостойкость, что позволяет производить инструменты с очень острыми рабочими кромками (вплоть до толщины одного абразивного зерна), более длительное сохранение заданной исходной формы инструмента.
Поверхности инструмента можно придавать регулярные (например, спиральной формы) и нерегулярные выступы любой высоты и конфигурации, которые обеспечивают лучший отвод отработанного материала, более эффективную обработку и лучшие условия для охлаждения. При этом ширина выступов может уменьшаться по направлению к рабочей поверхности до размеров одного абразивного зерна, используемого для изготовления данного инструмента, что позволяет создавать лезвийный инструмент из абразивных
зерен. А прочное диффузионное сцепление зерен на вершинах рабочих выступов обеспечивает продолжительную их работу, предотвращая их быстрое выкрашивание. Один из вариантов инструмента предусматривает, что вершины всех абразивных зерен на поверхности расположены на одинаковом расстоянии от оси вращения. Подобное расположение обеспечивает минимальную вибрацию в процессе работы инструмента, равномерное участие всех зерен в работе и регулярный по всей поверхности характер съема обрабатываемой поверхности (отсутствие отдельных царапин и сколов). Вращающийся абразивный инструмент может выполняться с отверстиями в рабочей части, которые могут располагаться как перпендикулярно по отношению к оси вращения, так и под различными углами.
Например, цилиндрическая фреза может иметь половину отверстий расположенных по направлению вращения, а другую половину в противоположную сторону, что позволяет одновременно через первые отверстия отводить образовавшийся шлам, а через второе -подавать охлаждающую жидкость.
Вращающийся абразивный инструмент может иметь многослойную (по высоте) конструкцию, состоящую из нескольких различных абразивных составов. Каждый из которых выполняет свой вид обработки, а между ними нет никакого зазора или прослойки, т.к. они изготавливаются одновременно в одной форме. Например - сверло-зенкер выполняет работу по сверлению материала, а зенкер - по формированию фаски. Сверло имеет зернистость, например, 200 мкм, а зенкере, например - 125 мкм. Способ изготовления заключается в том, что в форму сначала засыпают точно отмерянное количество зерен 200 мкм, затем заливают специальным составом, образующим тонкий слой, исключающий перемешивание слоев при засыпке и вибрационном уплотнении второго слоя. Залитая прослойка, образует тонкую пленку, удерживающую нижний слой зерен от перемешивания с верхним слоем, а в процессе нагрева формы перед процессом спекания данная прослойка испаряется. Абразивный инструмент может иметь любую необходимую высоту тонкого слоя или стенки, т.к. зерна сначала свободно засыпаются, без прессования, которое всегда сопровождается арочным эффектом, что накладывает ограничения на возможность изготовления тонких стенок большой высоты. Толщина слоя или стенки (h) может быть от диаметра 3 зерен (и более), а высота требуемой конструкционной величины. Данная возможность изготавливать объемно-заполненный абразивный инструмент с тонкими стенками (не толще трех диаметров зерен, h≥3d, где d - диаметр абразивных зерен основной фракции) обеспечивает в случае периферийной фрезы точного размера экономию абразива, в случае сверла - высокое сверло с относительно тонкими стенками, что экономит зерна, энергию при сверлении (тоньше рез) и позволяет сверлить тонкие и хрупкие пластины на весу без угрозы из раздавливания (поломки). При этом высота L
(или/и длина) рабочей части инструмента определяется строго по формуле L=k*h, где коэффициент k может варьироваться от 5 до 500.
В случаях, когда необходимо создавать инструмент с выступами на рабочей поверхности, диски, тонкостенные сверла, во избежание забивания рабочей поверхности отработанным материалом необходимо выбирать толщину (h) выступов (дисков, стенок сверл) по следующей формуле: h=3d, где d - диаметр абразивных зерен (со слоем покрытия) основной фракции рабочей части инструмента. Вариант использования инструмента для тонких периферийных дисков - резка минимальной толщины и большой глубины без сколов и с чистой поверхностью. Отсутствие сколов и чистота среза обеспечивается регулярной укладкой зерен и равноудаленностью их вершин от плоскости вращения диска. При такой форме кромки (толщиной ровно в 3 диаметра абразивного зерна) обеспечивается гарантированное отсутствие возможности забивания ее поверхности, т.к. после некоторого стартового режима работы боковые зерна срываются и кромка приобретает заостренный (до толщины одного зерна) вид. При наличии металлического и неметаллического держателя (сделанного, например, из композита или керамики), на котором крепится рабочая абразивная часть, его поверхность имеет регулярные и не регулярные выступы и впадины любых размеров и конфигурации, которые обеспечивают большую площадь контакта, и/или замковое крепление (например, ласточкин хвост (Фиг.5), что повышает силу как механического, так и диффузного сцепления между рабочей частью (6) и держателем (7). При этом поверхность держателя может выполняться с заданной шероховатостью, размер которой соизмерим (чуть больше) размеров абразивных зерен, что обеспечивает, во-первых, увеличение площади контакта, а во-вторых, создает дополнительное препятствие для отрыва рабочей части от держателя в процессе рабочего вращения, т.к. зерна входящие в углубления создают чисто механическое сопротивление прокручиванию. При этом между металлом связки и материалом держателя образуется диффузионный слой в процессе изготовления инструмента, что обеспечивается подбором соответствующих материалов и режимов изготовления. Диффузионный слой обеспечивает более прочное удержание рабочей части на держателе. Абразивные зерна с вышеописанным типом покрытия созданы заявителем, и их внешний вид на различных типах покрытия показан на Фиг.6, где 8 - абразивные зерна с покрытием, 1 - голое абразивное зерно (в данном случае алмаза) для сравнения. Технологией изготовления таких инструментов с повышенной плотностью абразивных зерен владеет заявитель, она не является предметом патентной охраны и поэтому в материалах заявки не раскрыта.
Другой вариант нанесения слоя покрытия металла на абразивные зерна применяется в том случае, когда зерна абразива имеют поверхность без трещин, пор и дефектов. В этом случае применяется специальная технология нанесения металла покрытия (также не являющейся предметом патентной охраны и поэтому в материалах заявки не раскрывающейся), при которой в зоне контакта металл с поверхность абразивного зерна образуется диффузный слой, который обеспечивает прочное сцепление за счет физико-химических связей.
Другой вариант абразивного инструмента предусматривает, что связующий металл заполняет все дефекты покрытых металлом абразивных зерен таким образом, что обеспечивается механическое сцепление слоя покрытия с абразивными зернами. Рабочая поверхность инструмента может иметь различные углубления и выступы, служащие лучшим подводом к зоне обработки охлаждающего агента (включая воздух) и отводом отработанного материала.
При этом выступы на его поверхности могут иметь сужающуюся по любой огибающей линии по направлению к рабочей поверхности форму, заканчивающуюся острой кромкой, толщина которой не превышает 3-х диаметров абразивных зерен основной фракции, составляющей рабочую часть инструмента.
Все вышеописанные конструкции и варианты инструментов, имеющие указанную плотность абразива в объеме рабочей части инструмента и диффузный слой покрытия абразивных зерен, характеризуются большой износостойкостью и высокой твердостью, превышающие по свойствам показатели всех известных инструментов на металлической связке.