СПОСОБ ОБРАБОТКИ КАНАЛА АЛМАЗНОЙ ВСТАВКИ СОПЛА
METHOD OF MACHINING NOZZLE DIAMOND INSERT CHANNEL

Изобретение относится к способу изготовления алмазных сопел, в частности к обработке струеформирующего канала вставки, 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.
Вставка, формирующая рабочую струю, является основной высокотехнологичной и дорогостоящей частью сопла. От качества обработки канала вставки зависят эксплуатационные характеристики газо- и гидроабразивных устройств, а также стоимость обработки деталей с использованием таких устройств. В частности, качество обработанной поверхности канала вставки сопла влияет на его износостойкость, которая определяет точность и эффективность обработки, особенно, когда производят резку или сверление отверстий малого диаметра струей высокого давления.
Для повышения износостойкости сопел, вставку изготавливают из твердых износостойких материалов, таких как монокристалл алмаза, алмазный поликристалл или спеченный высоконаполненный алмазным порошком материал типа Syndite, получаемый спеканием алмазного порошка и металла-связующего в условиях высоких давлений и температур (WO №2008032272, кл. В24С 1/04, 2008 г.) Для получения канала в алмазном материале вначале формируют отверстие лазерным либо электроэрозионным сверлением, после этого канал вставки обрабатывают по общепринятой технологии, которая включает шлифование и полирование канала проволокой с алмазным микропорошком. Для получения поверхности с зеркальным блеском общепринятая технология включает обработку в несколько переходов, используя на разных переходах алмазные микропорошки разной зернистости. Вначале используют более крупные алмазные микропорошки, затем зернистость алмазных микропорошков постепенно уменьшают до получения поверхности требуемого качества (RU №2336984, В24В 1/00, 2006 г). Известно, что алмаз и материалы на основе алмаза (поликристаллы, спеченные материалы) трудно поддаются механической обработке, поэтому процесс обработки канала вставки является очень трудоемким, длительным, требует большого расхода проволоки и алмазных порошков. Кроме того, структура поликристаллического и спеченного алмазных материалов представляет собой алмазные зерна, связанные друг с другом связующими материалами, физико-механические характеристики которых существенно уступают алмазу. В зависимости от технологии получения алмазного материала, связующая фаза в нем может присутствовать в различных количествах. Чем меньше содержание связующей фазы в алмазном материале, тем более трудоемким является процесс получения такого материала. При обработке материала, и особенно при эксплуатации сопла, поверхность канала будет изнашиваться неравномерно, из-за более легкой обрабатываемости связующей фазы при обработке канала, и ее более легкой истираемостью при эксплуатации. Чем больше содержание связующей фазы в алмазном материале, тем он больше будет подвержен эрозии. Наличие эрозии на поверхности канала формирует в водном или газовом потоке пристеночный турбулентный слой, обладающий тормозящим эффектом, который уменьшает скорость струи и повышает потери ее энергии, что ухудшает эффективность обработки деталей.
Технической задачей является снижение трудоемкости обработки канала вставки сопла, увеличение износостойкости сопла и, как следствие, повышение скорости струи и уменьшение потерь энергии струи.
Решение технической задачи заключается в том, что в способе обработки канала алмазной вставки сопла, включающем черновое шлифование канала крупнозернистым алмазным микропорошком и окончательную обработку, отличающийся тем, что окончательную обработку канала проводят путем натирки его поверхности натирочной шихтой, 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 Аl с Сu или Ni - 85,0÷88,0, при этом окончательной обработке подвергают поверхность канала, полученную в результате чернового шлифования.
Сущность способа обработки канала алмазной вставки сопла заключается в том, что черновое шлифование проводят крупнозернистым алмазным микропорошком. Крупные алмазные микропорошки оставляют на обработанной поверхности следы обработки в виде рисок, которые при окончательной обработке - натирке заполняются материалом, содержащим наноалмазный порошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем. В результате такой обработки, получается достаточно гладкая поверхность, которая способствует формированию газо- и гидроабразивной струи постоянного давления и которая имеет высокую скоростью истечения из канала вставки без раздробления и распыления. Кроме того, заполнение рисок материалом, содержащим нанопорошки алмаза, повышает износостойкость обработанной поверхности. Способ позволяет получить гладкую износостойкую поверхность канала без необходимости многоэтапной ее обработки алмазными микропорошками разной зернистости для доведения глубины рисок, получаемых после каждого этапа обработки, до минимального размера.
Способ осуществляется следующим образом.
В алмазной вставке, которая может быть изготовлена из любого алмазосодержащего материала, вначале формируют канал любым известным способом, например лазерным или электроискровым сверлением. Затем проводят обработку канала. На первом этапе проводят черновое шлифование канала крупнозернистым алмазным микропорошком. Шлифование выполняют, преимущественно, инструментом в виде иглы или проволоки, шаржированным крупнозернистым алмазным микропорошком или с подачей суспензии или пасты в зону обработки. Инструменту и вставке сообщают взаимные рабочие движения, в результате чего происходит съем материала с обрабатываемой поверхности, оставляя на поверхности следы обработки в виде рисок. На этапе чернового шлифования используют крупнозернистый алмазный микропорошок, предпочтительно, зернистостью 60/40-40/28. Зернистость алмазного микропорошка при черновой обработке выбирается с учетом глубины рисок, оставляемых алмазным зерном. Чем большую глубину будут иметь риски, тем больше натирочного материала будет содержать поверхность канала. Непосредственно после чернового шлифования осуществляют окончательную обработку, заключающуюся в заполнении рисок натирочным материалом. В качестве натирочного материала берут натирочную шихту, содержащую 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 (Аl-Сu) или (Аl-Ni) - 85,0-88,0. Наноалмазы берут зернистостью до 100 нм, порошки железа - зернистостью 4-8 мкм, порошки сплава медь-алюминий - зернистостью 10 мкм. Зернистость порошков выбирают из условия размещения их в рисках, полученных при черновом шлифовании алмазным микропорошком зернистостью 60/40-40/28. 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, 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, а поверхность канала алмазных вставок сопла, которое применяют для газоабразивной обработки, натирают любым из предложенных сплавов.
Состав натирочной шихты обеспечивает возможность его легкого введения в следы черновой обработки на поверхности канала и прочного его удерживания. Медь или никель в сплаве с алюминием 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 других неалмазных материалов, например из керамика и т.п.
Таким образом, при обработке канала алмазной вставки сопла 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 обработки канала вставки, за счет исключения поэтапной обработки поверхности алмазными микропорошками разной зернистости, увеличить износостойкость поверхности канала, и, как следствие, обеспечить возможность повышения скорости струи, и уменьшить потери энергии струи за счет исключения образования турбулентныъ вихрей.