СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО СОПЛА
METHOD OF MAKING DIAMOND NOZZLE

Изобретение относится к способу изготовления алмазных сопел, в частности к обработке струеформирующего канала сопла, для газо- и гидроабразивных устройств, используемых для различных видов обработки металлических и неметаллических деталей, в том числе для тонкой резки и сверления отверстий маленького диаметра.
Для увеличения срока службы сопла его рабочую часть, в которой выполнен струеформирующий канал, изготавливают из алмазных материалов таких как поликристаллические или композиционные алмазные материалы, имеющие высокое наполнение алмазного порошка (WO №2008032272, кл. B24C 1/04, 2008 г.). Эти материалы изготавливают преимущественно в камерах высокого давления при высоких давлениях и температурах. Технология высоких давлений и температур ограничивает размерный ряд получаемого алмазного материала, поэтому сопла также имеют размерные ограничения, в том числе ограничения по длине струеформирующего канала.
Для увеличения длины струеформирующего канала, рабочую часть сопла собирают из отдельных дисков из алмазного материала, в которых изготовлен канал. Известно сопло, у которого рабочая часть (вставка) выполнена из ряда алмазных дисков с каналом, установленных в корпусе (US №20050077042, кл. E21B 41/00, 2005 г.). Изготовление сопла сводится к обработке торцевых плоскостей дисков, установке их в корпусе сопла так, чтобы диски прилегали друг к другу по обработанным поверхностям и окончательному полированию канала сопла. Недостаток изготовления сопла заключается в том, что при его эксплуатации на опорных поверхностях в местах стыка алмазных дисков наблюдается чрезмерная эрозия, которая значительно снижает эффективность и точность обработки.
Наиболее близким является способ изготовления сопла, при котором его рабочую часть (вставку) изготавливают из отдельных алмазных дисков с выполненным в них каналом (US №20020142709, кл. B24C 5/04, 2002 г.). Вначале производят точную обработку торцевых поверхностей дисков, обеспечивая высокую плоскостность торцов всех дисков, их параллельность и перпендикулярность продольной оси канала сопла. После этого диски устанавливают в корпусе, обеспечивая точное их прилегание друг к другу по торцевым поверхностям, и обрабатывают отверстие. Недостаток способа заключается в его трудоемкости, которая связана с необходимостью точной обработки наружных поверхностей алмазных дисков, особенно учитывая то, что алмазный материал является очень труднообрабатываемым материалом. Кроме того, структура поликристаллического и спеченного алмазных материалов включает алмазные зерна, связанные друг с другом связующими материалами, физико-механические характеристики которых существенно уступают алмазу. В зависимости от технологии получения алмазного материала связующий материал в нем может присутствовать в различных количествах. Поэтому кромки алмазного диска, образованные пересечением поверхности отверстия и торцевой поверхностей дисков, будут иметь зоны, ослабленные связующим материалом, которые при эксплуатации сопла в первую очередь подвергнутся износу и станут источником эрозии в местах стыка алмазных дисков.
Технической задачей является снижение трудоемкости изготовления алмазного сопла, увеличение износостойкости сопла и, как следствие, повышение скорости струи и уменьшение потерь энергии струи.
Решение технической задачи заключается в том, что в способе изготовления алмазного сопла, при котором в корпусе сопла последовательно устанавливают алмазные диски с центральным каналом для образования рабочей части сопла и струеформирующего канала требуемой длины, после чего канал подвергают обработке, обработку канала проводят крупнозернистым алмазным микропорошком до создания на обработанной поверхности микропрофиля в виде сетки пересекающихся рисок, а затем проводят натирку поверхности канала натирочной шихтой (пастой), содержащей наноалмазный порошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем при следующем соотношении компонентов, вес.%:
наноалмазный порошок
- 2,0÷3,0
порошок железа
- 10÷13,0
порошок сплава (Al÷Cu) или (Al÷Ni)
- 85,0-88,0.
Сущность способа изготовления сопла заключается в том, что при обработке канала крупнозернистым алмазным микропорошком на обрабатываемой поверхности создается микропрофиль в виде сетки пересекающихся рисок. При натирке такой поверхности риски заполняются натирочной шихтой. Наряду с рисками натирочной шихтой заполняются места стыка дисков, которые могут иметь вид кольцевых углублений, соразмерных и даже превышающих размеры рисок в зависимости от качества обработки алмазных дисков по торцевым поверхностям. После натирки на поверхности канала места стыка алмазных дисков будут иметь вид единой поверхности. Качество поверхности канала будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к таким поверхностям, способствуя формированию газо- и гидроабразивной струи постоянного давления и с высокой скоростью истечения из канала вставки без раздробления и распыления. Кроме того, заполнение всех неровностей на поверхности канала натирочным материалом, содержащим нанопорошки алмаза, повышает износостойкость обработанной поверхности.
Способ осуществляется следующим образом.
Из алмазного материала изготавливают диски путем обработки наружных поверхностей и формирования канала. Диски устанавливают в корпусе сопла в таком количестве, чтобы сформировать рабочую часть сопла и струеформирующий канал требуемой длины. Требования, предъявляемые к точности обработки наружных поверхностей дисков, в частности к плоскостности и параллельности торцевых поверхностей дисков, могут быть значительно ниже, чем в прототипе. Допускается наличие небольших кольцевых углублений на стыке дисков, которые могут быть соразмерны со следами обработки поверхности канала крупнозернистым алмазным микропорошком. Затем в собранных дисках обрабатывают канал крупнозернистым алмазным микропорошком. Обработку проводят шлифованием инструментом в виде иглы или проволоки, шаржированной крупнозернистым алмазным микропорошком, или с подачей суспензии или пасты в зону обработки. Инструменту и вставке сообщают взаимные рабочие движения, при которых на обрабатываемой поверхности создается микропрофиль в виде сетки пересекающихся рисок. На этом этапе обработки используют крупнозернистый алмазный микропорошок, предпочтительно, зернистостью 60/40-40/28. Зернистость алмазного микропорошка выбирается с учетом глубины рисок, оставляемых алмазным зерном. Чем большую глубину будут иметь риски, тем прочнее будет удерживаться в них натирочный материал. После создания на обработанной поверхности сетки пересекающихся рисок осуществляют окончательную обработку поверхности, заключающуюся в заполнении рисок и кольцевых углублений по границам дисков натирочным материалом. В качестве натирочного материала берут натирочную шихту, содержащую наноалмазный порошок, порошки железа и сплава медь-алюминий, при следующем соотношении компонентов, вес.%: наноалмазный порошок - 2,0÷3,0; порошок железа - 10÷13,0; порошок сплава алюминия с медью или никелем - 85,0÷88,0. Наноалмазы берут зернистостью до 100 нм, порошки железа - зернистостью 4-8 мкм, порошки сплава алюминий-медь, алюминий-никель - зернистостью 10 мкм. Зернистость порошков выбирают из условия размещения их в рисках, полученных при черновом шлифовании (полировании) алмазным микропорошком зернистостью 60/40-40/28 и в кольцевых углублениях по границам дисков. Порошки тщательно перемешивают, разбавляют спиртом до консистенции, при которой не будет происходить расслоение шихты. Шихту и спирт берут примерно в соотношении 2:1. Натирку производят проволокой, при подаче натирочной шихты в зону обработки. При взаимном перемещении инструмента и вставки натирочная шихта попадает в риски и в кольцевые углубления по границам дисков, полностью их заполняет до уровня максимальных выступов шероховатости поверхности, полученных в результате черновой обработки. Поверхность канала алмазных вставок сопла, которое применяют для гидроабразивной обработки, натирают составом шихты, содержащим алюминий-никель.
Состав натирочной шихты обеспечивает возможность его легкого введения в следы черновой обработки на поверхности канала и в риски на границе алмазных дисков и прочного его удерживания. Алюминий с медью или никелем в сплаве берут в соотношении, при котором сплав будет приобретать достаточную пластичность при температурах, возникающих в зоне натирки для введения его в риски вместе с остальными компонентами шихты. Соотношение компонентов в сплаве зависит от обрабатываемого материала, режимов и условий обработки. Оно должно обеспечить пластическое состояние сплава при температурах, возникающих при натирке с учетом вышеперечисленных условий, и может быть определено экспериментально, либо по диаграмме состояния сплава. Порошок железа обеспечивает лучшее удерживание натирочного состава за счет его химического взаимодействия с алмазным материалов при температурах натирки. Железо содержится в шихте в количестве 10,0÷13,0 вес.% Содержание в шихте железа более 13 вес.% приведет к уменьшению пластичности сплава, а уменьшение содержания железа приведет к ослаблению адгезии сплава к алмазу. Алмазный нанопорошок является упрочняющей фазой натирочного материала, способствующей повышению твердости и износостойкости материала. Введение алмазного микропорошка в количестве более 3,0 вес.% невозможно, т.к. объемное содержание алмазного микропорошка будет слишком велико. Содержание наноалмазного микропорошка меньше 2 вес.% не приведет к желаемым результатам. Порошок сплава содержится в шихте в количестве 85,0÷88,0 вес.%. Увеличение количества сплава соответственно уменьшит количество остальных компонентов шихты, которые выполняют определенные функции, а при уменьшении количества сплава шихта не будет иметь достаточной пластичности, обеспечивающей внедрение остальных компонентов шихты в следы черновой обработки.
В качестве алмазного материала для изготовления вставки сопла могут быть использованы алмазные поликристаллы, полученные синтезом алмаза в камерах высокого давления и температур в присутствии металлов-каталлизаторов, алмазные композиционные материалы, полученные спеканием алмазных порошков и связующего материала при высоких давлениях и температурах, а также спеканием алмазных порошков и связующего материала в условиях обычных давлений и температур. Могут быть использованы и другие алмазные материалы. Такой вид обработки может быть использован для обработки канала вставки сопла, изготавливаемого из не алмазных материалов, таких как, например, керамика и т.п.
Таким образом, способ изготовления алмазного сопла, рабочая часть (вставка) которого составлена из нескольких алмазных дисков, черновым шлифованием крупнозернистым алмазным микропорошком и натиркой шлифованной поверхности натирочным материалом, в состав которого входит алмазный нанопорошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем, позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления сопла за счет возможности обрабатывать наружные поверхности дисков с менее жесткими требованиями к таким параметрам, как плоскостность и параллельность торцевых поверхностей дисков, увеличить износостойкость поверхности канала и, как следствие, обеспечить возможность повышения скорости струи и уменьшить потери энергии струи за счет исключения образования турбулентных вихрей.