АЛМАЗНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

Полезная модель относится к области обработки материалов резанием и касается конструкции абразивного инструмента, в частности, алмазного проволочного инструмента, используемого для обработки особо твердых и хрупких материалов, преимущественно, кремния, сапфира, кварца, гранатов, керамики, стекла, и т.п.
Известен абразивный инструмент, содержащий основу и размещенный на ней режущий слой, включающий связующее вещество в виде гальванически осажденного металла и размещенные в нем наполнитель в виде абразивных зерен и рабочие алмазы (см. SU 1234175, 1986).
Используемый в известном инструменте размер частиц наполнителя не обеспечивает высокой твердости режущего слоя. В этом случае фактически происходит шаржировние поверхности связки заметно выступающими мелкими алмазными зернами, вследствие чего поверхность связки приобретает абразивные свойства. В результате резко повышаются контактные нагрузки и увеличивается температура в зоне обработки.
Таким образом, при сравнительно невысокой производительности обработки инструмент не обладает достаточной стойкостью.
Известен алмазный инструмент, содержащий корпус с режущей кромкой из алмазного порошка и связки, выполненной из последовательно чередующихся слоев повышенной и нормальной твердости. Повышение твердости одного из слоев достигается введением в связку наполнителя в виде абразивных зерен (см. SU 1283071, 1987).
В этом инструменте слой с меньшей твердостью обеспечивает эластичность режущего слоя с большей твердостью, благодаря чему режущий слой становится упругим и способен демпфировать под действием сил резания.
Этому инструменту присущи те же недостатки, что и указанному выше.
Кроме того, данная конструкция, вследствие расположения слоев не на поверхности корпуса, а вокруг него, не может обеспечить целостности режущего слоя при сдвиговых и изгибных деформациях инструмента, которые проявляются при резке бесконечной проволокой.
Ближайшим аналогом к заявляемой полезной модели является алмазный инструмент, содержащий основу и расположенный на ней режущий слой, включающий связующее вещество с наполнителем в виде нанодисперсных алмазов и рабочие алмазы (см. SU1703427, 1992).
Насыщение связующего вещества наноалмазами приводит к повышению ее твердости и, как следствие, повышению производительности обработки.
Использование наноалмазов в качестве наполнителя с размерами частиц, близкими к кластерному состоянию вещества, существенно влияет на физико-механические свойства связующего вещества и, соответственно, на эксплуатационные характеристики инструмента. При гальваническом осаждении материала связки (например, никеля или хрома) наноалмазы являются центрами кристаллизации, образуя мелкодисперсную периодическую структуру с изменяемым напряженным состоянием связующего вещества. Следствием этого в первую очередь является повышение твердости режущего слоя. Это позволяет эксплуатировать инструмент при более высоких контактных нагрузках, т.е. при увеличенных рабочих подачах и скоростях резания, что ведет к повышению производительности обработки.
Такой эффект наблюдается только в том случае, когда размер частиц алмазного наполнителя не превышает сотен нанометров.
Наличие высокой концентрации наноалмазов на поверхности связующего вещества резко снижает ее адгезионную способность и коэффициент трения, что объясняется уникальными физическими
свойствами наноалмазов. Снижение адгезионной способности на поверхности связующего вещества приводит к тому, что с меньшей интенсивностью происходит «засаливание» ее поверхности (т.е. прилипание к ней продуктов обработки и заполнение пространства между выступающими рабочими алмазами). Поэтому уменьшается частота периодической абразивной правки режущего слоя. В процессе каждой такой правки, производимой обычно одним или несколькими абразивными брусками, удаляются продукты резания из межзеренных пространств, что восстанавливает режущую способность инструмента.
В процессе правки, однако, из режущего инструмента вырывается и часть рабочих алмазов. Что, естественно, снижает и общий ресурс работоспособности инструмента. Поэтому очевидно, что уменьшение количества абразивных правок приводит к повышению долговечности инструмента.
Снижение коэффициента трения поверхности связующего вещества приводит к уменьшению количества тепловой энергии, выделяемой при трении связующего вещества об обрабатываемый материал. Вследствие этого, во-первых, снижается опасность графитизации рабочих алмазов из-за высоких температур в зоне обработки. Во-вторых, уменьшается глубина структурно-дефектных слоев на поверхности обрабатываемого материала, формирующихся за счет образующихся при обработке в этом материале температурных градиентов. Особенно интенсивно такие дефектные слои образуются в монокристаллах с высокими критериями хрупкости (кремний, германий, арсенид галлия, антимонид индия и т.п.), что вызывает необходимость их удаления на последующий операциях шлифования и травления, в результате чего резко возрастают потери дорогостоящих материалов.
Однако негативной стороной повышения концентрации наноалмазов в связующем веществе является увеличение хрупкости этой структуры, что повышает вероятность растрескивания режущего слоя и его отслаивание от
основы в результате изгиба инструмента. Этот отрицательный эффект проявляется тем сильнее, чем выше концентрация наноалмазов в связующем веществе.
И если в таких видах алмазного инструмента, как отрезные круги или полотна, значительные изгибные деформации могут наблюдаться в основном в результате недостаточно аккуратного обращения в процессе изготовления, контроля или установки инструмента на станок, то такой алмазный инструмент как проволока в процессе эксплуатации непрерывно изгибается, перематываясь с одного барабана на другой. Именно по этой причине предельная концентрация наноалмазов в связующем веществе по известному инструменту - прототипу не может превышать 2,3%.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание инструмента, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, который может быть достигнут при использовании заявляемого в качестве полезной модели алмазного инструмента, заключается в снижении изгибных и сдвиговых нагрузок в рабочем режущем слое и предотвращении его растрескивания и отслаивания от основы и увеличении тем самым стойкости инструмента и его срока службы.
Для достижения указанного технического результата предлагается алмазный инструмент, содержащий основу и расположенный на ней режущий слой, включающий связующее вещество с наполнителем в виде наноалмазов и рабочими алмазами. Инструмент также содержит дополнительный слой связующего вещества из пластичного материала с наполнителем в виде наноалмазов, причем, режущий слой расположен на основе посредством дополнительного слоя и имеет концентрацию наполнителя 1,6-5%, а дополнительный слой имеет концентрацию наполнителя 0,3-0,8%.
Такое техническое решение позволяет повысить износостойкость инструмента, т.к. внутренний пластичный дополнительный слой связки деформируясь предотвращает растрескивание режущего слоя с высокой концентрацией наноалмазов и его отслаивание от основы.
Преимущественно толщина дополнительного слоя выбирается в пределах 0,2-0,4 от общей толщины слоев.
В дополнительный слой могут быть включены рабочие алмазы, чем достигается возможность использования этого слоя как режущего после истирания основного режущего слоя.
В качестве связующего вещества слоев предпочтительно использован гальванически осажденный никель.
Ограничения по концентрации наноалмазов в дополнительном и режущем слоях имеют следующие обоснования.
Если концентрация наноалмазов во внутреннем слое связующего вещества меньше 0.3%, то практически не появляется эффект его упрочнения от насыщения наполнителем. Поэтому после полного износа наружного рабочего слоя связующего вещества в процессе эксплуатации инструмента, происходящего в течение довольно длительного временного отрезка, износ значительно менее твердого внутреннего дополнительного слоя связующего вещества происходит намного быстрее. Т.е. поставленная техническая задача не достигается.
Если концентрация наноалмазов во внутреннем дополнительном слое связующего вещества больше 0,8%, то пластичность этого слоя становится недостаточной для компенсации деформаций наружного режущего слоя связующего вещества. Вследствие этого не исключается опасность растрескивания режущего слоя и его отслаивания от основы инструмента.
При концентрации наноалмазов в наружном режущем слое связующего вещества менее 1,6% недостаточно проявляется эффект повышения износостойкости режущего слоя.
Если концентрация наноалмазов в наружном режущем слое свяующего вещества превышает 5%, то твердость этого слоя становится сопоставимой с твердостью абразивных брусков, которыми производится правка режущего слоя. В результате чрезвычайно затрудняется вскрытие новых рабочих алмазов вместо разрушенных и затупившихся.
Толщина дополнительного слоя не может быть меньше 0,2 общей толщины слоев, т.к. при меньшей его толщине не обеспечивается необходимая величина пластической деформации, препятствующая растрескиванию режущего слоя.
При толщине дополнительного слоя с низкой концентрацией наполнителя более 0,4 общей толщины слоев снижается положительный эффект в виде повышения производительности обработки от насыщения связующего вещества наноалмазами ввиду существенного снижения толщины режущего слоя. Как известно, алмазный инструмент эксплуатируется практически до полного износа режущего слоя. Поэтому после эксплуатационного износа связующего вещества режущего слоя последующий износ дополнительного слоя происходит значительно быстрее и резко снижается износостойкость инструмента, а значит решаемая техническая задача не обеспечивается.
Существо заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где изображен алмазный инструмент, показанный на примере алмазной проволоки в разрезе.
Алмазная проволока содержит основу 1, на которую нанесено связующее вещество 2 с низкой концентрацией наполнителя 3 в виде наноалмазов, режущий слой 4 с высокой концентрацией наполнителя 3 и рабочие алмазы 5.
Инструмент работает следующим образом. Алмазная проволока наматывается в несколько десятков или сотен витков на два параллельно расположенных цилиндрических барабана. При вращении каждого барабан вокруг своей оси проволока перематывается с одного барабана на другой.
Линейное перемещение проволоки при перемотке является рабочим движением инструмента, при котором происходит резание обрабатываемого материала. Одновременно обрабатываемое изделие с заданным усилием прижимается к движущейся проволоке. Иногда для интенсификации процесса резки проволоке вместе с барабанами придают дополнительное возвратно-поступательное перемещение в направлении, совпадающем с рабочим движением проволоки.
Ввиду того, что проволока постоянно испытывает изгибные деформации, дополнительный слой с указанными параметрами необходим для обеспечения стойкости инструмента.
Ниже даны примеры испытания алмазной проволоки при разделении монокристаллов на пластины.
Пример 1. Алмазный проволочный инструмент содержит цилиндрическую основу диаметром 150 мкм, выполненную их холоднокатаной высоконагартованной стали. На основу методом гальванического осаждения последовательно нанесены два слоя связующего вещества из никеля с наполнителем из наноалмазов с размерами частиц 50-300 нм. Внутренний из этих слоев нанесен непосредственно на основу, и его толщина составляет 25 мкм. Концентрация наполнителя в этом слое 0.6%. На внутренний слой нанесен наружный режущий слой связующего вещества толщиной 75 мкм с концентрацией наноалмазов 4,2%.
Эксплуатационные испытания инструмента производились путем разделения цилиндрического монокристалла сапфира диаметром 60 мм на пластины толщиной 2 мм на стандартном оборудовании при стандартных технологических режимах. Одновременно отрезалось 50 пластин. Износостойкость инструмента определялась как суммарная площадь пропила, отнесенная к эксплуатируемой длине инструмента. Площадь пропила измерялась в квадратных сантиметрах, а длина инструмента - в метрах. Измеренная таким образом износостойкость инструмента составила 16,3 кв.см./м.
Другие примеры приведены ниже и сведены в таблицу.
При м
Размер рабочих алмазов , мкм
Толщина внутреннего слоя связки, мкм
Концентрация наноалмазов во внутреннем слое связки, %
Толщина внешнего слоя связки, мкм
Концентрация наноалмазов во внешнем слое связки, %
Разрнзаемый материал
Износостойкость инструмента, кв.см/м.
1
20/14
20
0,8
80
2,6
кремний
124,4
2
20/14
0
-
10
1,5
кремний
98,8
3
20/14
40
0,3
60
5,0
кремний
137,3
4
50/40
40
0,3
60
2,6
Сапфир
12,5
5
50/40
0
-
15
1,2
Сапфир
9,2
6
50/40
25
0,6
75
4,2
Сапфир
16,3
7
50/40
20
0,8
80
5,0
Сапфир
14,8
Как видно из таблицы, выполнение в инструменте дополнительного слоя связующего вещества с низкой концентрацией наполнителя в виде наноалмазов, расположенного между основой и слоем связующего вещества с высокой концентрацией наполнителя позволяет повысить износостойкость инструмента.