Способ полирования поверхности поликристаллического алмазного покрытия деталей
METHOD OF POLISHING THE SURFACE OF A DIAMOND COATING OF PARTS

Изобретение относится к способам обработки алмазных покрытия металлических деталей и может быть использовано для производства элементов микроэлектроники, силовой оптики лазеров с высокой мощностью излучения, деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания, хирургических скальпелей, бритв, подшипников, различного инструмента и многих других изделий, работающих в условиях повышенного трения и износа.
Известен способ полирования поверхности поликристаллического алмазного покрытия деталей, полученного методом осаждения из газовой фазы, включающий обработку поверхности покрытия трением путем взаимодействия поверхности покрытия с вращающимся металлическим контртелом (RU 2369473, МПК В24В 1/00, опубликован 10.10.2009). Контртело выполнено из упорядочивающегося сплава на основе титана, частота вращения контртела составляет от 3000 до 5000 об/мин при нагрузке от 8 до 12 Н. Непосредственно после осуществления основной обработки проводят дополнительную обработку вращающимся контртелом с частотой от 100 до 200 об/мин при нагрузке от 1 до 5 Н и взаимном смещении контактирующих тел. В процессе обработки контролируют величину коэффициента трения, а дополнительную обработку проводят после скачкообразного увеличения коэффициента трения. Основную и дополнительные обработки повторяют.
Недостатками данного способа являются невозможность обработки покрытия малой толщины из-за высокого съема припуска и низкая производительность из-за многоэтапности процесса.
Известен способ термохимической полировки алмазных пластин (RU 2483856, МПК В24В 37/04, В24В 1/00, опубликован 10.06.2013), при котором осуществляют безабразивную полировку поверхности алмазных поликристаллических пластин трением путем взаимодействия поверхности пластин с вращающимся контртелом. Контртело изготавливают из керамики или кварца, которые не вступают в реакцию с поверхностью алмазной пластины при температуре полировки. Дополнительно используют ультрадисперсный порошок меди или оксида меди в качестве вещества, инициирующего термохимическую обработку алмаза. Обработку ведут на воздухе или в атмосфере, содержащей не менее 10% кислорода при температуре, превышающей 400°С.
Недостатком данного способа является сложность практической реализации, так как обработку необходимо осуществлять в специальных условиях, обеспечивающих присутствие кислорода и ультрадисперсного порошка меди, в процессе обработки осуществляется быстрый износ покрытия, что ограничивает его применении при обработке тонких алмазных пленок.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ полирования поверхности алмазного покрытия деталей, включающего обработку поверхности покрытия трением путем взаимодействия поверхности покрытия с вращающейся и совершающей продольную подачу металлической щеткой (Заявка на изобретение №2019143812/02(084854), МПК В24В 1/00 - прототип). Обрабатываемые детали устанавливают плотно в один ряд и осуществляют их последовательную обработку на проход в прямом и обратном направлениях, а в качестве инструмента используют цилиндрическую металлическую щетку.
Недостатком этого способа является невысокое качество обработки из-за неоднородности микрорельефа обработанной поверхности и появления на обработанной поверхности металлических включений. Указанные недостатки связаны с тем, что в случае использования для обработки цилиндрической щетки ее контакт с обрабатываемой поверхностью получается линейным, в зоне контакта одновременно находится небольшое число щетинок, что приводит к появлению нестабильности результата обработки.
Кроме того, для обеспечения на обрабатываемой поверхности требуемой температуры, необходимой для возникновения процесса химико-термической обработки, приходится использовать повышенную скорость вращения цилиндрической щетки, что вызывает оплавление кончиков ее щетинок и налипание металла на обрабатываемую поверхность.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества обработки.
Техническим результатом является повышение однородности микрорельефа на обработанной поверхности и ограничение возможности налипания металла на обработанную поверхность.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе полирования поверхности алмазного покрытия деталей, включающем обработку поверхности покрытия трением путем взаимодействия поверхности покрытия с вращающейся и совершающей продольную подачу металлической щеткой, в качестве металлической щетки используют чашечную металлическую щетку, а ось вращения металлической щетки устанавливают перпендикулярно обрабатываемой поверхности.
Так как в качестве металлической щетки используют чашечную металлическую щетку, а ось вращения металлической щетки устанавливают перпендикулярно обрабатываемой поверхности, то в одновременном контакте с обрабатываемой поверхностью находится большое число щетинок щетки, что, с одной стороны, усредняет воздействие щетинок на обрабатываемую поверхность и повышает однородность ее микрорельефа, а, с другой стороны, обеспечивает необходимую температуру обрабатываемой поверхности при небольшой скорости вращения металлической щетки, что снижает вероятность оплавления щетинок и налипания металла на обрабатываемую поверхность.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком, где приведена схема обработки.
На рисунке используются следующие обозначения: 1 - обрабатываемые заготовки; 2 - установочно-зажимное приспособление; 3 - деталь-отбойник в конце ряда заготовок; 4 - деталь-отбойник в начале ряда заготовок; 5 - чашечная металлическая щетка
Обрабатываемые заготовки 1 плотно устанавливают в установочно-зажимном приспособлении 2. В начале и в конце ряда заготовок 1 устанавливают детали отбойники 3 и 4, которые предотвращают образование заусенцев на кромках заготовок. В качестве инструмента используют чашечную металлическую щетку 5, изготовленную из химически активного по отношению к алмазу материала, например, сплавов на основе железа, титана, хрома, кобальта, никеля и других.
Ось чашечной металлической щетки 5 устанавливают перпендикулярно обрабатываемой поверхности заготовок 1, поверхность чашечной металлической щетки заглубляют по отношению к обрабатываемой поверхности на величину h и придают ей вращение от специального привода (не показано) с частотой n. Деталям 1 вместе с приспособлением 2 сообщают подачу S вдоль плоскости обрабатываемой поверхности в сторону чашечной металлической щетки 5. После первого рабочего хода возможно осуществление второго рабочего хода приспособления.
В процессе обработки, с одной стороны, осуществляется механическое скалывание наиболее выступающих вершинок микронеровностей под действием удара щетинок щетки. С другой стороны, под действием сил трения на обрабатываемой поверхности возникает повышенная температура, вызывающая химико-термический процесс, приводящий к графитизации вершинок микронеровностей. Все это приводит к снижению шероховатости обрабатываемой поверхности и формированию полированной поверхности. Но так как в формировании микрорельефа каждого микроучастка обрабатываемой поверхности участвуют практически все щетинки чашечной щетки, то это обеспечивает высокую однородность микрорельефа обработанной поверхности. А значительная площадь контакта чашечной щетки с обрабатываемой поверхностью стабильно обеспечивает требуемую температуру обрабатываемой поверхности при невысокой скорости вращения чашечной металлической щетки, что предотвращает перегрев щетинок, их оплавление и налипание металла на обрабатываемую поверхность. Тем самым решается задача повышения качества обработанной поверхности.
Пример. Полировке подвергались рабочие поверхности детали «Призма», используемой в механизме топливной аппаратуры дизельных двигателей. Рабочие поверхности деталей имели тонкопленочное поликристаллическое алмазное покрытие типа «ta-С». Для полировки деталей в качестве инструмента использовалась чашечная стальная щетка диаметром 80 мм. Обработка осуществлялась на фрезерном станке. Одновременно 7 заготовок устанавливались плотно одна к другой в приспособление на столе станка.
Глубина обработки составляла h=0,5 мм, частота вращения инструмента n=2000 об/мин, подача приспособления с деталями S=400 мм/мин. Осуществлялся один рабочий ход в прямом направлении и один рабочий ход в обратном направлении.
После обработки шероховатость полированной поверхности в среднем составляла Ra 0,034-0,037, машинное время обработки одной заготовки - 0,2 мин. Толщина покрытия находилась в пределах 1,7-1,9 мкм. Таким образом, в среднем результат обработки получился такой же, как и после обработки цилиндрической щеткой. Но если после обработки чашечной щеткой среднее квадратическое отклонение (СКО) величины Ra составляло σ=0,0057 мкм, то после обработки цилиндрической щеткой СКО составляло σ=0,011 мкм, что почти в 2 раза больше. А это означает, что после обработки чашечной металлической щеткой получается более стабильный результат, так как рассеивание значений шероховатости поверхности деталей получается значительно меньше. Кроме того, с помощью электронного сканирующего микроскопа Tescan Mira 2 LM на поверхности после обработки цилиндрической щеткой наблюдались участки с налипшим металлом. После обработки чашечной щеткой такие участки отсутствовали.
Таким образом, предложенный способ полирования поверхности алмазных покрытий обеспечивает решение поставленной задачи - повышение качества обработки за счет обеспечения однородности микрорельефа обработанной поверхности и отсутствия участков с налипшим металлом.