АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

Полезная модель относится к области обработки материалов резанием и касается конструкции алмазно-абразивного инструмента, в частности, алмазных отрезных кругов, используемых для обработки особо твердых и хрупких материалов, преимущественно, кремния, сапфира, кварца, гранатов, керамики, стекла, и т.п.
Известен алмазный отрезной круг, содержащий основу и размещенный на ее кромке режущий слой, включающий связующее вещество в виде гальванически осажденного металла и размещенные в нем абразивные или алмазные зерна (см. SU №1156320 «Алмазный круг с внутренней режущей кромкой», 1983 г.).
Режущий слой этого инструмента выполнен сплошным и однородным на всем своем протяжении. При отрезании от слитка полупроводникового или диэлектрического материал тонкой пластины происходит изгиб пластин под действием сил резания, осевой вибрации сравнительно нежесткой основы круга и расклинивающего потока смазочно-охлаждающей жидкости. Вследствие такого отклонения пластины происходит неравномерный износ режущего слоя. Та сторона режущего слоя, которая контактирует со слитком, нагружается больше и изнашивается интенсивнее. Сторона режущего слоя, контактирующая с отклоняющейся пластиной, соответственно, изнашивается меньше. Неравномерный износ режущего слоя приводит к преждевременному выходу из строя инструмента, ухудшению качества обработки из-за деформации режущей кромки, вызванной неравномерным износом противоположных ее сторон, увеличению вероятности скола весьма хрупких пластин.
Известны алмазные и абразивные отрезные круги, содержащий основу и размещенный на ее кромке режущий слой, включающий связующее вещество в виде гальванически осажденного металла и размещенные в нем абразивные или алмазные зерна, а также различные наполнители, (см. SU №1283071 «Абразивный инструмент», 1984 г., SU №1324201 «Алмазный отрезной круг», 1983 г., SU №1763162 «Абразивный отрезной круг», 1990 г., SU №1703427 «Алмазный инструмент», 1988 г.). Описанные конструкции алмазно-абразивного инструмента обладают более высокими механическими характеристиками, однако в процессе их эксплуатации эффект неравномерности износа противоположных сторон режущего слоя не устраняется, вследствие чего им присущи описанные выше недостатки.
Наиболее близким к предлагаемому является алмазный инструмент, содержащий основу и размещенный на ее кромке режущий слой, включающий связующее вещество в виде гальванически осажденного металла и размещенные в нем алмазные зерна, причем алмазные зерна имеют различную величину на противоположных сторонах кромки относительно основы инструмента (см. SU №1400379 «Способ разделения слитков полупроводниковых соединений на пластины», 1986 г.). Такой инструмент предназначен для разделения на пластины слитков интерметаллических соединений, имеющих различную микротвердость на противоположных плоскостях в определенных кристаллографических ориентациях. К таковым относится, например, кристаллографическая плоскость (111) в монокристаллах с решеткой сфалерита (арсенид галлия, фосфид галлия, антимонид индия и т.п.). Описанная конструкция инструмента позволяет устранить эффект неоднородности износа на противоположных сторонах режущей кромки при отрезании пластин материалов с одинаковой микротвердостью на их противоположных сторонах. Однако по причине различной величины алмазных зерен на противоположных сторонах режущей кромки инструмента отрезанные пластины обладают различной глубиной структурно-дефектных слоев на противоположных сторонах. Как известно, увеличение размеров зерен алмазно-абразивных порошков приводит к росту глубины проникновения структурных дефектов в обрабатываемый материал (см., например, Запорожский В.П. «Обработка полупроводниковых материалов», М., Высшая школа, 1988 г., с. 184). Пластины с существенно различающейся глубиной структурно-дефектных слоев на противоположных сторонах характеризуются значительным прогибом (эффект Тваймана), для устранения которого приходится удалять весьма толстые слои дорогостоящего материала.
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении ресурса работоспособности инструмента и улучшения качества обработки.
Поставленная задача решается тем, что в алмазно-абразивном инструменте, содержащем плоскую основу и закрепленный на ее кромке режущий слой, включающий связующее вещество в виде гальванически осажденного металла и размещенные в нем абразивные и/или алмазные зерна, связующее вещество с одной стороны режущей кромки относительно плоскости основы содержит ультрадисперсный наполнитель, микротвердость которого по крайней мере в два раза превышает микротвердость связующего вещества. В качестве наполнителя могут содержаться наноалмазы в концентрации 0,2-0,4%.
Приведенные ограничения имеют следующие обоснования. Наполнитель целесообразно использовать ультрадисперсных фракций (с размерами частиц до 100 нм), т.к. такие включения не приводят к дополнительному абразивному разрушению приповерхностных слоев обрабатываемого материала и эффективнее преобразуют микроструктуру связующего вещества в сторону повышения его микротвердости. Если микротвердость частиц наполнителя не превышает микротвердость связующего вещества в два раза, то итоговая микротвердость сформированной композитной связки недостаточна для достижения равномерного износа противоположных сторон режущего слоя. То же самое относится к концентрации наноалмазов в связующем веществе менее 0,2%. Если же концентрация наноалмазов в связующем веществе превышает 0,4%, то наблюдается обратный эффект, а именно, более быстрый износ стороны режущего слоя, обращенного к пластине.
Существо заявляемой полезной модели иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1.
На кромке плоской основы 1 сформирован режущий слой, содержащий связующее вещество 2 и алмазные или абразивные зерна 3. С одной стороны режущей кромки относительно плоскости основы 1 содержится ультрадисперсный наполнитель 4, микротвердость которого по крайней мере в два раза превышает микротвердость связующего вещества 2. В качестве ультрадисперсного наполнителя могут содержаться наноалмазы в концентрации 0,2-0,4%.
Полезная модель работает следующим образом. Инструмент устанавливают таким образом, чтобы сторона режущего слоя, с наполнителем 4 была обращена в сторону слитка 5, а сторона режущего слоя без наполнителя была обращена в сторону отрезаемой пластины 6. Изготовитель инструмента должен наносить на его основу маркировку, позволяющую идентифицировать стороны режущего слоя с наполнителем и без наполнителя. Трибологическая износостойкость той стороны режущего слоя, связующий материал которого содержит ультрадисперсный наполнитель, например, наноалмазы, существенно выше, чем Трибологическая износостойкость противоположной стороны (см., например, Буркат Г.К., Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы в гальванотехнике// Физика твердого тела, 2004, т.46, вып.4, с. 685-692). Инструмент эксплуатируется на стандартном оборудовании при стандартных технологических режимах.
Пример. Испытывалась партия кругов из пяти штук. Каждый алмазный круг с внутренней режущей кромкой типа АКВР 422×152 с установочными размерами по ГОСТ 26004-83 содержал основу, изготовленную из высоконагартованной коррозионностойкой стали марки Х18Н10Т толщиной 0,12 мм. Режущий слой толщиной 0, 32 мм состоял из связующего вещества (гальванического никеля) и алмазного порошка марки АС6 50/40 по ГОСТ 9206 - 80. Связующее вещество с одной стороны относительно плоскости основы содержало 0,3% детонационных наноалмазов по ТУ 3974-456-05121441-2008. Разрезался на пластины слиток монокристаллического кремния. Диаметр слитка 76 мм. Толщина отрезаемых пластин 0,65 мм. Кристаллографическая ориентация плоскости резания (100). Резка осуществлялась на станке модели «Алмаз-6» производства Луганского завода электронного машиностроения при стандартных технологических режимах и использовании смазочно-охлаждающей жидкости марки ДИИ-15. Ресурс работоспособности круга оценивался по количеству отрезанных пластин до полного износа режущего слоя. Качество обработки оценивалось по проценту выхода годных пластин. В результате установлено, что средний ресурс работоспособности по партии кругов составил 1346 пластин. Средний выход годных пластин составил 96,4%. Испытания контрольной партии из пяти кругов, изготовленных по стандартной технологии, и эксплуатировавшихся в аналогичных условиях, дали следующие результаты: средний ресурс работоспособности 1185 пластин, средний выход годных пластин - 95,8%. Т.е. ресурс работоспособности предлагаемого инструмента оказался выше на 11,4%,а выход годных пластин при его использовании повысился на 0,6%.
Таким образом решена задача повышения ресурса работоспособности инструмента и улучшения качества обработки. Эксплуатация инструмента осуществляется на стандартном оборудовании, при стандартных технологических режимах и не требует его переналадки.