АБРАЗИВНАЯ МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИРОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК B24D3/34 

Изобретение относится к производству полировального инструмента, который может быть использован при обработке вставок из поделочных или ювелирных камней, ситалла, стекла, например, силикатов. Как правило, полировку граней камней выполняют на медных притирах и только алмазными пастами.

Известны попытки использовать для ручной полировки алмазный полировальный инструмент на металлоорганической связке, который представляет собой алмазоносный композиционный материал, включающий помимо алмаза в основном порошки меди, олова, твердой смазки на основе полимерного связующего. Для полировки вставок камней размером 3 мм и менее в инструменте используется порошок алмаза зернистостью АСМ 3/2, для вставок размером более 3 мм АСМ 5/3. Порошок алмаза является одним из основных и неотъемлемых компонентов массы для изготовления полировального инструмента, используемого при обработке вставок из поделочных или ювелирных камней, ситалла, стекла, причем изменение концентрации алмаза существенным образом изменяет упруго-пластические свойства алмазоносного слоя инструмента и тем самым влияет на условия полирования вставок из материалов различной твердости.

Для полировки вставок камней на полуавтоматических линиях фирмы "Люкс" (ФРГ) используется импортный алмазный инструмент производства ФРГ. При обработке на линии фирмы "Люкс" кассета с шестнадцатью обрабатываемыми вставками прижимается к полировальному инструменту с усилием около 40 H, обеспечивая необходимое для полировки упругое внедрение алмазных зерен в материал вставки.

Известны связки на основе фенолформальдегидных смол (а.с. N 545457, кл. B 24 D 3/34, 1977, бюл. N 5, а.с. N 751611, кл. B 24 D 3/34, 1980, бюл. N 28, а.с. N 844256, кл. B 24 D 3/34, 1981, бюл. N 25), содержащие металлические наполнители и твердые смазки, например графит, гексагональный нитрид бора, дисульфид молибдена или вольфрама, диселенид ниобия или вольфрама, йодистый кадмий, этоний и др. что улучшает антифрикционные свойства инструмента. Однако абразивный инструмент на таких связках непригоден для полировки неметаллических материалов, так как не обладает рациональным содержанием компонентов, а также достаточной прочностью удержания зерен абразива в связке, что снижает его стойкость и полирующую способность.

Известен способ повышения стойкости абразивного инструмента на бакелитовой связке, при котором в абразивную массу вводят порошок циркония, образующий высокопрочные окисные пленки, покрывающие абразивные зерна, и карбид циркония, способствующие в совокупности повышению износостойкости инструмента (а.с. N 630066, кл. B 24 D 3/34, 1978, бюл. N 40). Однако инструмент, изготовленный по такому способу, недостаточно пластичен и имеет низкую прочность удержания зерен абразива в связке.

Известна масса для изготовления алмазно-абразивного инструмента, включающая алмаз, фенолформальдегидную смолу, медь, олово и тугоплавкое соединение циркония, в качестве которого используется стабилизированная двуокись циркония (фианит) в виде порошка при следующем соотношении компонентов, об. фенолформальдегидная смола 20-40; медь 20-50; олово 10-30; стабилизированная двуокись циркония 7,5-25; алмаз остальное (а.с. N 1061978, кл. B 24 D 3/20, 1983, бюл. N 47). Алмазно-абразивный инструмент, изготовленный из известной массы, используют для ручной полировки вставок из фианита, поделочных или ювелирных камней. Анализ приведенного в формуле изобретения соотношения компонентов, а также данных, представленных в таблице на стр. 2 его описания, показывает, что содержание порошка алмаза в массе по аналогу изменяется в пределах 6,25-42,5 об. Действительно, если в соответствии с данными таблицы нижний предел содержания алмаза составляет 6,25 об. а из формулы изобретения следует, что сумма нижних пределов остальных компонентов массы составляет 63,75 об. то верхний предел содержания алмаза в массе не должен превышать (100-63,75) + 6,25 42,5 об.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является масса, включающая алмаз и известную связку для изготовления абразивного инструмента, в состав которой входят фенолформальдегидная смола, медь, олово, бор, тугоплавкое соединение циркония, в качестве которого используется диборид циркония, и твердую смазку, в качестве которой используется селенид кадмия, при следующем соотношении компонентов, вес. фенолформальдегидная смола 8-11; медь 45-50; олово 28-32; селенид кадмия 3-10; диборид циркония 2-5; бор 1-5 [1] В алмазоносном слое с концентрацией алмаза 6,25-42,5 об. соотношение компонентов известной связки составляет, об. фенолформальдегидная смола 16,5-35,5; медь 16,5-23; олово 13,5-22,5; селенид кадмия 2-8,5; диборид циркония 1-3; бор 2-7,5. Инструмент на такой связке имеет высокую износостойкость в условиях резания труднообрабатываемых материалов, например твердых сплавов, с малым пятном контакта.

В приведенных составах известных алмазо-абразивных инструментов (аналога и прототипа) присутствует тугоплавкое соединение циркония, а именно: либо диборид циркония, либо стабилизированная двуокись циркония (фианит) в виде порошка, весьма сходные по своим физико-механическим свойствам. Плотность ZrB₂ составляет 5,81 г/см³, ZrO, 5,7 г/см³; температура плавления соответственно 2200 и 2700^oC; модуль Юнга 495,8 и 185,4 ГПа; коэффициент Пуассона 0,12 и 0,29. Присутствие тугоплавкого соединения циркония оказывает поверхностно-активное воздействие и способствует размягчению тонких поверхностных слоев обрабатываемого материала, тем самым повышая качество и производительность обработки.

Как известно, поверхность алмазно-абразивного инструмента для полировки вставок камней предварительно "укатывают", т.е. пластически деформируют его поверхностный слой плоской или сферической вставкой через алмазосодержащую жидкую прослойку, добиваясь большей плотности его поверхностного слоя и отсутствия чрезмерно выступающих из связки зерен алмаза. Однако, при скольжении плоского жесткого штампа, которым является вставка, прижимаемая к инструменту, пластическое деформирование поверхности алмазного слоя приводит к образованию тонкого, так называемого труктурированного, приповерхностного слоя, для которого характерно упрочнение, т.е. повышение микротвердости, медной составляющей (занимающей до 20-50% объема) выходящих на поверхность инструмента частиц порошка меди (t пл 1083^oC). Это упрочнение не может быть релаксировано температурными импульсами в зоне контакта со вставкой, не превышающими 180-200^oC. Эффект упрочнения медной составляющей не способствует созданию условий для шаржирования структурированного слоя выпавшими из связки и находящимися в незакрепленном состоянии между инструментом и вставкой алмазными зернами, а также продуктами диспергирования материала вставки, что не способствует полированию вставки и снижает качество обработки. На практике это означает, что из-за относительно жесткой заделки алмазных зерен в связке такой инструмент пригоден только для полирования вставок из кристаллических материалов твердостью в пределах 7,5 8 единиц по шкале Мооса, например граната, фианита, циркона, сиокса и др. В то же время вставки из относительно мягких материалов, в том числе и с аморфной структурой типа хрусталя, ситалла, стекол-полухрусталей и НГГ трудно поддаются полировке: получается либо матовая поверхность граней (гранит, стекла-полухрустали), либо недополированная поверхность граней, то есть имеет место недостаточно выраженный блеск, характерный для полностью полированных граней (у хризолита и НГГ).

Таким образом, при полировании встык средней и низкой твердости, преимущественно из силикатов, известный инструмент (по аналогу и по прототипу) недостаточно податлив и не имеет полирующих свойств, хотя и обладает приемлемыми режущими свойствами.

Кроме того, использование селенида кадмия в качестве смазки при изготовления полированных инструментов, требующих нагрева прессуемой массы для полимеризации фенольного связующего, запрещено в настоящее время из-за высокой токсичности газообразных выделений, в которых присутствуют соединения селена (предельно допустимая концентрация (ПДК) для окиси селена составляет 0,1 мг/м³ и особенно кадмия (ПДК для содержащих Cd люминофоров по Cd - 0,1мг/м³, см. книгу "Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей". Изд. 7-е, пер. и доп. В 3-х томах. Т3. "Неорганические и элементоорганические соединения". Под ред. Н.В.Лазарева и И.Д.Гадосиной Л. Химия, 1977, 608с.).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является поиск такого сочетания компонентов абразивной массы и изменения их процентного содержания, при которых обеспечиваются условия для шаржирования структурированного поверхностного слоя инструмента выпавшими из связки и находящимися в незакрепленном состоянии в зазоре между инструментом и вставкой алмазными зернами, а также продуктами диспергирования материала вставки при общем снижении токсичности массы.

Для решения поставленной задачи в абразивную массу для изготовления полированного инструмента, включающую алмаз и известную связку, содержащую фенолформальдегидную смолу, олово, медь, тугоплавкое соединение циркония и твердую смазку, согласно изобретению, в качестве твердой смазки введен гексагональный нитрид бора, а компоненты взяты в следующем соотношении, об. фенолформальдегидная смола 17-31; олово 22-33; медь 10-15; гексагональный нитрид бора 1-5; диборид циркония 2-7; алмаз остальное. Кроме того, в качестве тугоплавкого соединения циркония масса может содержать двуокись циркония.

Соответствие изобретения критерию изобретательский уровень докажем следующим образом. Как показывает соотношение компонентов абразивных масс в известных и заявляемом решении, площадь поверхности алмазоносного слоя инструмента, занимаемая наполнителем, остается примерно неизменной: 60-80% у аналога; 65-84 у прототипа; (68-83)% у инструмента из заявляемой массы. Если в известных решениях соотношение площадей, занимаемых наиболее крупными составляющими наполнителя оловянной и медной, колеблется в пределах 0,2-1,5, то в заявляемом решении это соотношение составляет 2,0-3,3. Увеличение соотношения порошков олова и меди, во-первых, пропорционально снижает эффект повышения микротвердости "структурированного" слоя, обусловленный деформационным упрочнением его медной составляющей, и во-вторых, создает качественно новые условия для упруго-пластического внедрения в поверхность алмазоносного слоя и удержания в нем алмазных зерен, а также частиц диспергированного материала, что благоприятно сказывается при полировании вставок относительно невысокой твердости. Действительно, упруго-пластические свойства инструмента, изготовленного из известных масс (по аналогу и прототипу) и из заявляемой, а именно динамический модуль упругости (Юнга), исследовали на динамико-механическом анализаторе мод. 981 (DMA-981), входящем в состав термоанализатора мод. TA-1090 фирмы "DuPont". Для исследования изготовили образцы в виде алмазоносных брусков размерами 7х25х1 мм, причем модуль Юнга измеряли в интервале температур от комнатной до 160^oC. На основании известной в области решения контактных задач формулы для расчета осадки плоского жесткого штампа в упругое полупространство (Расчет на прочность деталей машин. Справочник/И. А.Биргер и др. 3-е изд. пер. и доп.-М.Машиностроение, 1979, 702с.) оценивали величину упругого внедрения алмазного зерна в материал вставки по отношению к величине его внедрения в материал инструмента:

где E_и, ν_и E_в, ν_в соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона алмазосодержащего слоя инструмента и вставки;и,в - величина упругого внедрения алмазного зерна соответственно в материал инструмента и вставки. Изменение полученных значений упругих постоянно (модуля Юнга и коэффициента Пуассона) материала инструмента, приготовленного из известной массы (по аналогу и по прототипу) и согласно предлагаемому изобретению, а также отношение величин упругого внедрения алмазного зерна в материалы фианита (твердостью 7,5 ед. по шкале Мооса), кварца и стекла (твердостью соответственно 7 и 6,5 ед. по шкале Мооса) к величине его внедрения в материал инструмента в зависимости от повышения концентрации алмаза представлены в табл.1.

Результаты экспериментов показывают, что у изготовленного из заявляемой массы инструмента величина относительно внедрения алмазного зерна в материал вставки из стекла уменьшается в 2-2,2 раза по сравнению с инструментом по аналогу и в 1,4-1,6 раза по сравнению с инструментом по прототипу. При обработке вставки из кварца эта величина уменьшается соответственно в 2,2-2,6 и 1,6-1,7 раза. Таким образом, инструмент из заявляемой массы достаточно пластичен для того, чтобы обеспечить, во-первых, большую, чем у известных инструментов, локальную податливость зерна в связке, снижая вероятность появления царапин на полируемой грани, и, во-вторых, прилегание поверхности алмазоносного слоя за счет его более высокой пластичности к полируемой грани, исключая "завалы" (сглаживание) ребер, что создает качественно новые сигналы условия для полирования указанных материалов.

Из заявляемой абразивной массы изготавливают полировальный инструмент, например круги формы 6А2. С этой целью массу, состоящую из перечисленных в формуле изобретения компонентов, кроме алмаза, получают смешиванием сухих порошков в смесителе типа "пьяная бочка", обеспечивающем равномерное распределение частиц компонентов в объеме массы, а затем перетирают вместе с микропорошком алмаза через сита с размером ячейки 60 мкм. Полученную абразивную массу засыпают в пресс-форму и затем подвергают формированию при нагреве до температуры 180^oC под давлением 800-1000 кГ/см².

Пример. Изготовили полировальный круг формы 6А2 с наружным диаметром 140 мм, шириной и высотой абразивосодержащего слоя соответственно 35 и 2 мм, для чего приготовили заявляемую массу при следующем содержании компонентов, об. фенолформальдегидная смола 24,5% медь 12,5% олово 27,5% гексагональный нитрид бора 4,5% диборид циркония 5% алмаз 25% В качестве абразива использовали алмазный порошок АСМ 5/3. Круг испытали на станке ССД-2 на операции полировки вставок размером 1, 3, 4 мм из синтетического граната, фианита, а также полухрусталя. В частности, вставка диаметром 4 мм, например из фианита по ТУ 25-11.879-78, имеет 8-угольную площадку, характеризуемую диаметром описанной окружности 2 мм и площадью около 3,14 мм², а также 16 граней верха площадью приблизительно 0,85 мм², и 24 грани низа площадью около 1,28 мм². Режим испытаний: скорость вращения круга 1500 об/мин, прижим обрабатываемого изделия к кругу и радиальное перемещение его по абразивосодержащему слою осуществляли за счет ручной подачи квадранта с закрепленной в нем вставкой,СОЖ вода. Кроме того, были изготовлены инструменты из заявляемой массы, содержащие граничные значения компонентов совокупности, при выходе за граничные значения компонентов, а также при замене доборида циркония на двуокись циркония с учетом соотношения их упруго-пластических свойств. При тех же условиях были изготовлены инструмент по аналогу и по прототипу. Состав полировальных инструментов и результаты испытаний приведены в табл.2. При испытаниях установлено также, что в зависимости от изменения площади обрабатываемой грани концентрации алмаза в инструменте, в основном в пределах от 50 до 150% решающим образом влияет на показатели процесса: 50%-ную концентрацию алмаза лучше всего использовать для полирования граней площадью 0,5-1,0 мм²; 75%-ную для полирования граней площадью 1,0-3,0 мм²; 100%-ную для полирования граней площадью 3,0-5,0 мм² и 150%-ную для полирования граней площадью свыше 5,0 мм².

Анализ данных табл.2 свидетельствует о повышении полирующей способности инструмента, выражающейся в снижении шероховатости полированной поверхности силикатов в 2,5-4 раза, при снижении продолжительности их обработки на 20-30% по сравнению с инструментом по прототипу и по аналогу.

Использование полировального инструмента, изготовленного из заявляемой массы, позволяет значительно расширить номенклатуру обрабатываемых материалов твердостью в диапазоне от 6 до 8 ед. по шкале Мооса, в том числе и на полуавтоматических линиях для огранки камней фирмы "Люкс" (ФРГ) при использовании комплекта, состоящего всего лишь из 3-х инструментов с концентрацией алмаза 50, 75, и 100% Кроме того, повышение концентрации алмаза свыше 100% открывает возможности для ручной полировки вставок из корунда, твердость которого составляет 8,5 ед. по шкале Мооса.

Использование: изготовление полировального инструмента для обработки вставок из поделочных или ювелирных камней, стекла, в частности силикатов, в том числе для полировки вставок камней на полуавтоматических линиях. Обеспечивает повышение качества и производительности обработки. Сущность изобретения: в массе, включающей алмаз, фенолформальдегидную смолу, олово, медь, тугоплавкое соединение циркония и твердую смазку, объемное содержание порошка олова не менее, чем в два раза превышает содержание порошка меди, и в качестве твердой смазки в нее введен гексагональный нитрид бора, а компоненты массы взяты в следующем соотношении, об.%: фенолформальдегидная смола 17 - 32, олово 22 - 33, медь 10 - 15, гексагональный нитрид бора 1 - 10, тугоплавкое соединение циркония 3 - 7, алмаз - остальное, причем в качестве тугоплавкого соединения циркония она может содержать стабилизированную двуокись циркония. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Абразивная масса для изготовления полировального инструмента, включающая алмаз, фенолформальдегидную смолу, олово, медь, тугоплавкое соединение циркония и твердую смазку, отличающаяся тем, что в массе объемное содержание олова не менее чем в два раза превышает содержание меди, причем в качестве твердой смазки в нее введен гексагональный нитрид бора, а компоненты массы выбраны в следующем соотношении, об.

Фенолформальдегидная смола 17 32
Олово 22 33
Медь 10 15
Гексагональный нитрид бора 1 10
Тугоплавкое соединение циркония 3 7
Алмаз Остальное
2. Масса по п.1, отличающаяся тем, что в качестве тугоплавкого соединения циркония выбрана стабилизированная двуокись циркония.