СОСТАВ ПОЛИРОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА СО СВЯЗАННЫМ АБРАЗИВОМ
COMPOSITION OF POLISHING INSTRUMENT WITH BOUND ABRASIVE

Данное предложение относится к составам полировального инструмента со связанным абразивом и может быть использовано для финишной обработки неметаллических материалов, таких как оптическое стекло, кристаллические материалы, лейкосапфир, карбид кремния, природные и искусственные камни и т.п.
Известны составы полировальных инструментов со связанным абразивом, включающие полировальный порошок и пористую ненасыщенную полиэфирную смолу (1), или полировальный порошок и фенолформальдегидную смолу (2), или фенолформальдегидную смолу с хлористым аммонием (3), или пульвербакелит и древесный пек (4). Однако такие инструменты обладают малой износостойкостью, что затрудняет получение обрабатываемой поверхности с заданной геометрической точностью, а также их изготовление предусматривает использование органических растворителей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является полировальный инструмент со связанным абразивом (5), содержащий, об.%:
Абразив
80-90
Диеновый синтетический каучук
5-20
Термореактивная смола
0,5-15,0
Такой инструмент обеспечивает высокую производительность и стабильность процесса полирования неметаллических материалов.
Недостатком такого инструмента является низкая износостойкость, так как при использовании инструментов, приготовленных по технологии, предусматривающей растворение компонентов связки и смешение с абразивным порошком через жидкую фазу, процесс полирования осуществляется при высвобождении абразивного зерна из связки. При таком механизме неизбежен высокий износ инструмента.
Технический результат, достигаемый заявленным решением заключается в том, чтобы обеспечить при использовании предложенного полировального инструмента со связанным полировальным порошком повышение износостойкости инструмента при высокой производительности, что положительно сказывается на стабильности процесса полирования и точности формы обработанной поверхности за счет изменения его состава и технологии его изготовления.
Это достигается тем, что состав полировального инструмента со связанным абразивом, содержащего каучук, и абразив в виде полировального порошка, в котором каучук выбран из бутадиен-нитрильного, или смесей бутадиен-нитрильного и бутадиен-стирольного, бутадиен-нитрильного и полиуретанового, бутадиен-нитрильного и натурального каучуков, дополнительно содержит органический пероксид, неорганическую или органическую соль щелочного металла, выбранную из хлорида или бромида калия, или калия фталевокислого.
Целесообразно, чтобы компоненты полировального инструмента со связанным абразивом были взяты в следующем соотношении, мас.ч.:
Каучук или смесь каучуков
100
Органический пероксид
0,5-15,0
Полировальный порошок
300-800
Неорганическая или органическая соль щелочного металла
10-50
Кроме того, состав полировального инструмента, в котором в каучук представляет собой смесь бутадиен-нитрильного и бутадиен-стирольного каучуков при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Бутадиен-нитрильный каучук
40-90
Бутадиен-стирольный каучук
10-60
Кроме того, состав полировального инструмента, в котором в каучук представляет собой смесь бутадиен-нитрильного и полиуретанового каучуков при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Бутадиен-нитрильный каучук
70-90
Полиуретановый каучук
10-30
Кроме того, состав полировального инструмента, в котором в каучук представляет собой смесь бутадиен-нитрильного и натурального каучуков при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Бутадиен-нитрильный каучук
40-90
Натуральный каучук
10-20
Кроме того, состав полировального инструмента со связанным абразивом может дополнительно содержать в качестве временного пластификатора олигоэфиракрилаты при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Временный пластификатор
3-30
При этом в качестве полировального порошка используют диоксид церия или твердые растворы, содержащие более 50% диоксида церия (полирит), диоксид циркония, оксид железа III и т.п.
При исследовании отличительных признаков описываемого состава полировального инструмента со связанным абразивом 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 (1-5) 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 200-300°С.
Полировальный инструмент со связанным полировальным порошком при обработке поверхности детали из неметаллического материала должен обеспечивать непрерывный контакт обрабатываемого материала с полировальным порошком, находящимся в инструменте. Это условие выполняется при наличии в составе инструмента большого количества полировального порошка. Причем частицы полировального порошка не должны быть экранированы полимерными молекулами связующего. Это достигается приготовлением композиции на вальцах при отсутствии органического растворителя или эмульсии полимера в жидкой фазе. Высокомолекулярный каучук создает непрерывную матрицу инструмента, в которой диспергированы частицы полировального порошка. Органический пероксид, например пероксид дикумила, являясь вулканизирующим агентом каучуков, обеспечивает получение заготовок инструмента, а термообработка при повышенной температуре - достижение физико-механических и структурных свойств композита, необходимых для работоспособности полировального инструмента.
При использовании смесей каучуков непрерывная матрица при термообработке теряет сплошность, так как макромолекулы различных каучуков при этом образуют конгломераты, обладающие различными свойствами. Это способствует увеличению истираемости композиции и более легкому высвобождению частиц полировального порошка для участия в процессе полирования. Кроме того, наличие в составе инструмента таких органических соединений как полистирольный, полиуретановый или натуральный каучуки оказывают воздействие на обрабатываемую поверхность и тем самым облегчают диспергирование материала.
Количество вводимых компонентов и их соотношение в составе полировального инструмента определяется, во-первых, способностью к переработке композиции, во-вторых, влиянием количества каждого компонента на работоспособность инструмента при обработке того или иного материала. Содержание органического пероксида свыше 15 мас.ч. приводит к чрезмерно высокой твердости инструмента. Содержание полировального порошка, как правило, должно быть максимально возможным, но ограничивается способностью к переработке резиновой смеси.
Соотношение каучуков в смесях определяется совместимостью каучуков, способностью не терять формостойкость инструмента при его термообработке и износостойкостью инструмента. Так, наличие полиуретанового каучука в смеси с бутадиен-нитрильным свыше 30 мас.ч., а натурального каучука свыше 20 мас.ч. приводит к короблению инструмента во время термообработки и повышенному его износу в процессе полирования.
Обновление рабочей поверхности полировального инструмента во время полирования обеспечивается наличием в составе композиции неорганической или органической соли щелочного металла, которая выполняет роль вымываемого порообразователя, а также активно воздействует на связку во время растворения, что приводит к ее разрушению и, тем самым, способствует высвобождению новых частиц абразивного порошка. Содержание соли свыше 50 мас.ч. не приводит к заметному эффекту, а способствует повышению износа инструмента.
Так как предлагаемый состав полировального инструмента со связанным полировальным порошком является высоконаполненной системой, при его изготовлении возникают трудности, связанные с большой вязкостью резиновой смеси. Для уменьшения вязкости высоконаполненной композиции при смешивании компонентов в состав смеси вводится временный пластификатор, который уменьшает вязкость лишь во время изготовления композиции, а при вулканизации и термообработке заготовок полировального инструмента взаимодействует с эластомерной матрицей и входит в ее структуру. Однако, в некоторых случаях, наличие пластификатора приводит к экранированию частиц полировального порошка, что может приводить к потере работоспособности инструмента, как и содержание пластификатора в инструменте свыше 30 мас.ч.
Предлагаемый состав композиции обеспечивает работоспособность полировального инструмента в присутствии смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС). В качестве СОТС может использоваться либо вода, либо суспензия полировального порошка, которая способствует обновлению рабочего слоя инструмента.
Пример 1.
Полировальный инструмент готовят следующим образом: на резиносмесительных вальцах производят смешение бутадиен-нитрильного (100 мас.ч.) каучука, пероксида дикумила (4 мас.ч.), диоксида циркония (500 мас.ч.), калия фталевокислого (30 мас.ч.), олигоэфиракрилата (15 мас.ч.) Полученную смесь загружают в пресс-форму, формуют на гидравлическом прессе и выдерживают при давлении 5±0,2 МПа при температуре 160±2°С в течение 12 минут. Полученные эластичные заготовки помещают в сушильный шкаф и подвергают термообработке в свободном состоянии при температуре 260°С в течение 3 часов.
2
Инструменты испытывали по методу свободного притира на полировально-шлифовальном станке. В ходе испытаний обрабатывали заготовки из оптического стекла СТК-9. Диаметр заготовки - 75 мм, частота вращения шпинделя - 350 об/мин, удельное давление на инструмент - 0,5 кг/см, время цикла обработки - 10 мин. Результаты испытаний следующие: съем стекла - 1,2 мкм/мин, износ инструмента - 8%, ласины и царапины, то есть дефекты, отсутствуют.
Примеры 2-16.
В таблице 1 представлены примеры составов инструментов, отличающихся компонентами и их содержанием, согласно формуле изобретения. Способ изготовления и испытаний полировальных инструментов подобны примеру 1.
В таблице 2 представлены показатели работоспособности инструментов различных составов при обработке различных материалов.
Из таблицы 2 видно, что составы заявляемых инструментов, приведенные в примерах 1, 2, 4, 6, 7, 9, 10 и 15 обеспечивают высокие значения производительности и износостойкости инструмента и получение бездефектных поверхностей обрабатываемых материалов.
Количества соли (пример 3), полирующего порошка (пример 13), органического пероксида (пример 16) превышающие заявляемые значения в составе инструмента, приводят к высокому его износу и наличию царапин на обработанной поверхности. Повышенные количества полистирольного каучука в составе связующего (пример 5), а также олигоэфиракрилата в составе инструмента (пример 14), также как недостаток полирующего порошка (пример 12), способствуют потере работоспособности инструмента, то есть его «засаливанию». Чрезмерно высокое содержание полиуретанового (пример 8) и натурального (пример 11) каучуков в составе связующего приводит к разрушению заготовки инструмента в процессе его изготовления.
Таким образом, как видно из результатов испытаний, заявленный полировальный инструмент со связанным абразивом может эффективно использоваться при финишной механической обработке неметаллических материалов.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию "Промышленная применимость".
Источники информации
1. Патент СССР №4106915, кл. B24D 3/22, 1978 г.
2. Koucky J. Sklar a keramik. - 1984 г., Rocnik 34, №8, с.227-230, пер. №85 (21501).
3. Авторское свидетельство СССР №1263513, кл. B24D 3/34, 1986 г.
4. Авторское свидетельство СССР №1579752, кл. B24D 3/28, 1990 г.
5. Патент РФ №2095229, кл. B24D 3/22, 3/28, 18/00, 1997 г. (прототип).
Таблица 1
Примеры составов инструментов
Наименование компонентов
Номера примеров (количество компонентов, мас.ч.)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Бутадиен-нитрильный каучук
100
50
50
90
35
85
60
65
90
80
75
100
90
100
60
60
Бутадиен-стирольный каучук
50
50
10
65
40
40
Полиуретановый каучук
15
30
35
Натуральный каучук
10
20
25
10
Органический пероксид
3
4
4
12
12
6
6
6
2
2
2
3
2
3
3
17
Фторопол
600
600
600
600
600
600
600
600
Диоксид церия
600
600
600
900
Диоксид циркония
500
200
500
350
Хлорид калия
30
30
30
30
Бромид калия
25
60
25
25
25
25
25
25
Калий фталевокислый
30
30
30
40
Олигоэфиракрилат
15
10
10
10
15
25
40
Таблица 2
Показатели работоспособности инструментов различных составов
Номера примеров
Обрабатываемый материал
Съем обрабатываемого материала, мкм/мин
Износ инструмента, %
Состояние обработанной поверхности
Примечание
1
2
3
4
5
6
1
Стекло СТК-9
1,2
8
дефекты отсутствуют
2
Стекло БФ-16
1,3
11
дефекты отсутствуют
3
Стекло БФ-16
1,6
48
царапины
большой износ инструмента
4
Стекло БФ-16
1,1
10
дефекты отсутствуют
5
Стекло БФ-16
0,3
9
ласины
потеря работоспособности инструмента
6
Стекло ТФ-5
1,5
13
дефекты отсутствуют
7
Стекло ТФ-5
1,7
19
дефекты отсутствуют
8
Стекло ТФ-5
инструмент при термообработке вспучился
9
Стекло ТК-14
1,2
11
дефекты отсутствуют
10
Стекло ТК-14
1,4
25
дефекты отсутствуют
11
Стекло ТК-14
инструмент при вулканизации разрушился
12
Стекло СТК-9
0,1
царапины, ласины
потеря работоспособности инструмента
13
Стекло ТК-14
Более 300
царапины
катастрофический износ инструмента
14
Стекло СТК-9
0,1
царапины, ласины
потеря работоспособности инструмента
15
Стекло СТК-9
1,1
7
дефекты отсутствуют
16
Стекло БФ-16
1.8
56
царапины
большой износ инструмента