Способ абразивной обработки

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по патентам н товарным знакам(73) Моксяков Александр Иванович(54) СПОСОБ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ(57) Использование: в машиностроении при доводке изделий из твердых и хрупких материалов.Сущность изобретения: в качестве инструмента ис 1,19) )Ц.1 т,11) .ДЯ 4 С(51) 5 В 24 В 1 00 пользуют попировальник из ковкого или серого чугуна, при этом предварительную обработку проводят в абразивной суспензии на водной основе, а при окончательной обработке в абразивную суспензию добавляют смазывающе-охлаждающую жидкость с содержанием минерального или слаболигированного масла в количестве 1 - 10 мас% и присадку в виде графитового порошка в количестве 4 - Зб мас% 1 табл Ь 3 О 4Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано при абразивной обработке и доводке иэделий изтвердых и хрупких материалов, в частностикерамических вентилей и керамических уплотнительных колец,, . В настоящее время в связи с острымдефф 1 иФМи дороговизной металлов, особвирц цветных. таких как бронза. латунь ит.п., из материала которых преимущественно изготавливаются вентили, краны, различного рода смесители и т.д. для бытовых итехнических нужд, а также в связи с несовершенством регулировочных винтов кранов, вентилей и т.п которые (например, 15при открытии обычного водопроводногокрана) требуют достаточно длительного времени для открытия и обеспечения достаточно большого напора, причем от четверти дополовины всего хода регулировочного винта 20при открывании не обеспечивает скольконибудь заметного прироста (убывания) расхода воды. Работая вхолостую с низкимКПД, достаточно остро встает вопрос о замене отдельных частей таких кранов, в частности винтов, на более дешевые,недефицитные и более эффективные керамические.Основной трудностью, с которой сталкиваются при изготовлении керамических 30регуляторов, выполненных в виде. например, керамических уплотнительных колец.является такое свойство керамики, как хрупкость, и образование на поверхности рисоки впадин в результате выщербления части материала керамики. обусловленное его физико-химическими свойствами, что вызываетбыстрое разрушение такого кольца в результате циклических нагрузок, напримерпри открывании-закрывании крана, число 40которых обычно не превышает тысячи, Основной причиной, длительное время сдерживавшей широкое применениекерамических материалов при изготовлении отдельных элементов, работающих под 45нагрузкой иэ-эа их неэффективности при достаточно длительной эксплуатации. является(кроме хрупкости) недостаточное качествообработки мест сопряжения таких элементов (колец) с другими частями, например 50крана, вызывающее появление эадиров (ввыщербленных местах поверхности) и возникновение схватывания кольца соприкасающимися частями крана, что в свою очередьспособствует быстрому разрушению хрупкого кремниевого кольца.В настоящее время нет способов, обеспечивающих абразивную обработку такихкерамических колец с обеспечением высоких противозадирочных свойств мест его сопряжения, Известные способы либо обеспечивают только высокие оптические и геометрические параметры обрабатываемых иэделий из керамики и других хрупких материалов, не обеспечивая противозадирочные свойства обрабатываемых поверхностей, либо предназначены для обеспечения противозадирочных свойств металлов, значительно отличающихся по своим свойствам от хрупкой керамики, и не обеспечивают экологическую чистоту обрабатываемых изделий, что важно при использовании их для бытовых нужд, например, в водопроводном кране.Известен способ полирования деталей иэ оптической керамики битумным полистирольным полировальником с алмазным микропорошком АСМ 5/3 с подачей СОЖ, содержащей 2-10-ный водный раствор йодистого калия в зону обработки. Однако известный способ не обеспечивает хорошие противоэадирочные свойства обрабатываемой поверхности из керамики, а также не является экологически чистым при использовании обработанных таким способом иэделий в быту, например, в системах водоснабжения из-за наличия полистрола, который может быть причиной выпадения зубов, а также вредных компонентов в битуме (сернистых соединений) и йодистого калия.Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ абразивной обработки преимущественно монокристаллического кремния и подобных хрупких материалов, согласно которому осуществляют последовательно предварительную и окончательную обработку инструментом на электропроводной связке с подачей смаэывающе-охлаждающей жидкости на этапе предварительной обработки, содержащей минеральное или слаболегированное масло или водомасляную смесь с содержанием минерального или слаболегированного масла, не менее 30;(, а на этапе окончательной обработки, содержащей 1-5;(,-ный раствор соды или 5 Д-ный раствор соды с содержанием углеводородной присадки до 30 мас. (.Однако известный спосор не обеспечивает наличие у обработанной поверхности, например керамической, хороших противозадирочных свойств, что не позволяет широко использовать такие изделия взамен металлических из-эа их быстрого разрушения.Целью изобретения является повышение качества обработки путем повышения противозадирочных свойств обрабатываемой поверхности.Это достигается тем, что в способе абразивной обработки, включающем осущест 20009145 10 15 вление последовательно предварительной и окончательнои обработки инструментом с абразивной суспензией на электропроводной связке с подачей смазочно-охлаждающей жидкости, содержащеи минеральное или слаболегированное масло или водомасляную смесь, или углеродсодержащую присадку, в отличие от прототипа, в качестве инструмента используют полировальник из ковкого или серого чугуна. а в качестве углеродсодержащей присадки используют графитовый порошок, при этом на этапе окончательной обработки в качестве смазочно-охлаждающей жидкости используют 4,0-36,0 мас.ь суспензию графитового порошка в минеральном или слаболегированном масле или водомэсляной смеси с содержанием минерального или слаболегированного масла 1-10 мас. Оь. Способ абразивной обработки заключаетсяя в следующем,При предварительной обработке поверхности керамического иэделия зернистость абразивной суспенэии значительно больше ( в 4 раза). чем абразивнои суспензии на этапе окончательной обработкиВ результате предварительной обработки образуется равномерная сетка микротрещин в поверхностном слое, что достигается эа счет от осительно жестких режимов обработки (большая эернисгость абразивной суспензии и повышенное давление на полировальник) и низкой разности электрических потенциалов между инструментом и изделием вследствие наличия электропроводной связи, например дистиллированной воды, в абразивной суспензии, При этом сформированный микрорельеф представляет собой участки с малой высотой микронеровностей - "плато" и впадин - рисок, глубина которых может быть в десятки раэ больше, чем высота микронеровностей на "плато", В результате проведения предварительной обработки такие риски на поверхности обрабатываемой керамики чаСтично заполняются пластинчатым или шаровидным графитом - в случае применения серого чугуна в качестве полироэальника или хлопьевидным - в случае применения ковкого чугуна в качестве полировальника. а также мягкими металлами типа алюминий, к 6 торые могут присутствовать в чугуне в качестве легирующих элементов, за счет частичного разрушения поверхностного слоя такого полировальника при обработке. Это приводит, прежде всего к устранению воды или другой элекропроводной связки на водной основе иэ рисок эа счет их поглощения графитом и предотвращения их 20 25 30 35 40 45 50 55 дальнейшего разоуи.д ос,. г. цействия (увеличения размера рисок,ред 1 гн тд 1 е дличия рдсклиниваюшего.-, фек 1," Реби дерд в рисках под действием, например, периодически нагреваемой и охлаждаемой воды (под действием, е дпример, сезонных температур и в зависимости от подаваемой температуры водопроводной воды в кране). При этом наличие в рисках и частично на "плато" графита и возможно мягких металлов (алюминия) вместо воды позволяет резко повысить противозадирные свойства обрабатываемой керамической поверхности в наиболее критические и, следовательно, опасные в отношении зддиров и схватывания моменты, когда нагрузка на поверхность трения наибольшая, в том числе и за счет исключения (повышения) вероятности возникновения задира или схватывания о реэульгдте увеличения размера рисок и трещин под действием рдсклинива 1 ощего эффекта периодически нагреваемой и охлаждаемой воды (эффект. Ребиндерд), В противном случае удалить воду из рисок и трещин и устранить расклинивающий эффект практически не представляется возможным из за сильных капиллярных сил удерживающих воду в рисках и трещинах Г к ожно удалить лишьэгпееднлем до нескольких сотен градусовв;,к. лле. Б техническом решении по прототипу вода всег",д присутствует в рисках, увличивдч тем .дглым вероятность задира и схьд 1 ывди я обработанной керамической поверхности когда нагрузка нд поверхность трения нэиболыцая зз счет увеличени- такой вероятности при увеличении рдзл ерэ рисок и трещь н о результате оасклинивэюще "о действия воды. Масло при этом находится в верхней части рисок или трещин или может совсем вытеснятьсл водой что делает противозадирнье свойства обработанной поверхности по прототипу с учетом боле низких антифрикционных свойств масла по сравнению с графитом еще более низкимиИа скончательномэтапе обработки вследствие мягких режимов обработки (:леньшие зернистость абразивной суспензии и давление на полировальник) трещинообразование в поверхностном слое уменьшается и снижается величина нарушенного слоя, полученного при предварительной обработке,Высота микронеровностей "плато" составляет Р, = 0,08 - 0,16, э впадин, рисок - в несколько раэ больше, чем высота микроне- ровностей. Для повышения противозадирочных свойств обрабатываемой керамической поверхности в смазочно-охлаждающую жидкость добавляется антифрикцион 20009145 10 15 ный материал - порошковый графит, образующий суспенэию более высокой концентрации, чем в чугунном полировальнике, и поэтому позволяющий не только заполнить все трещины и риски на этапе окончательной обработки, но и позволяет графитировать всю обрабатываемую керамическую поверхность, Введение порошкового графита помимо чугунного полировальника на предварительном этапе нецелесообразно из-за его безвозвратных потерь при грубой абразивной обработке без заметного улучшения и ротивозадирочных свойств обрабатываемой поверхности. При окончательной обработке порошковый графит и другие возможные антифрикционные элементы (масло, алюминий иэ чугуна и т.п.) заполняют полностью риски и трещины обрабатываемой поверхности и благодаря адгезии переходят на выступы и "плато" этой поверхности. Чугунный полировальник. основной материал которого не склонен к адгеэии йи с обрабатываемым материалом-керамикой, ни с материалами, нанесенными на ее поверхность, и имеет более высокую твердость, разравнивает графит и возможные другие антифрикционные элементы по поверхности керамики, при этом образуется тонкий, прочно связанный с поверхностью керамики слой, обеспечивающий высокие противозадирочные свойства обрабатываемой поверхности. Слой масла, который остается, поглощается графитом. надежно удерживает его и, препятствуя тем самым испарению и вытеканию масла с обработанной поверхности, обеспечивает сохранение высоких антифрикционных и противозадирочных свойств обработанной поверхности, а нагревание обрабатываемой поверхности при трении с нее чугунного полировальника способствует закреплению графитового порошка и других ингредиентов на обрабатываемой поверхности.Выбор в качестве антифрикционной присадки графита обусловлен прежде всего его экологической безопасностью при обработке изделий, эксплуатирующихся, преимущественно, в бытовых условиях (водопроводные краны), высокой смазочной способностью и доступностью. неокисляемостью в результате трения в отличие. например, от дисульфита молибдена. а также присутствием графита (пластинчатого или шаровидного или хлопьевидного) в используемом чугунном полировальнике, аналогичного по структуре и физико-химическим свойствам используемому порошковому графиту. Последнее позволяет обеспечивать высокую погло цательную способность графита к воде и маслу в течение всего процесса абра 20 25 30 35 40 45 50 55 эивной обработки и дальнейшей эксплуатации и позволяет испольэовать инструмент (чугунный полировальник) без дополнительного введения каких-либо ингредиентов в него, требущего трудоемкого процесса, а требует только обеспечения необходимой формы инструмента.Наличие графита в виде порошка в суспенэии со смазочно-охлаждащей жидкость (СОЖ) позволяет образовывать равномерную и иэотропную по своим физико-химическим свойствам взвесь, обеспечивающую равномерное распределение во всем обьеме также и абразивных зерен микропорошка во взвешенном состоянии длительное время и необходимую для абразивной обработки вязкость. При этом предлагаемая суспензия СОЖ является хорошим амортизатором при передаче давления от инструмента на обрабатываемую поверхность, а в некоторых случаях препятствует соприкосновению абразивных зерен с поверхностью керамики. Способ абразивной обработки реализуется следующим образом,На шпинделе станка ПДМ помещают инструмент-полировальник из серого или ковкого чугуна с содержанием пластинчатого или шаровидного или хлопьевидного графита, преимущественно 4 мас.1 ь. Готовят абразивную суспензию, преимущественно иэ карбида бора (может быть карбид кремния. синтетический алмазный порошок и т.п.) в электропроводной связке, например, дистиллированной воде зернистостью микропорошка, например, М 20 до М 50 и содержанием микропорошка, например 30 мас Детали, например, уплотнительные кольца иэ керамики ВК-1 ТУ 11.а.ЯО.021.002,ТУ помещают нэ держатель, размещенный на кривошипе, и совершают качательное движение с числом оборотов шпинделя пшел - 30-50 об/мин, числе двойных ходов каретки 10-20 дв.ход./мин и давлении на полировальник 50-200 г/см . Одновременно через отвер 2стие в хвостовике инструмента подают абразивную суспензию в зону обработки, Нэ предварительном этапе обработки достигается йа - 0,3, плоскостность - 0,5 мкм. На этапе окончательной обработки готовят абразивную суспенэию, преимущественно иэ карбида бора в электропроводной связке, например, дистиллированной воде зернистотью микропорошка, например, М 5 и содержанием микропорошка. например, 10-30 мас.;.Готовят СОЖ, содержащую суспензию графитового порошка дисперсностью, например, 80-63 мкм е минераль 2000914 1055 ном масле, например ЦИАТИМе или легированном минеральном масле например ЦИАТИМе с добавками эминола и (или) проксанола (до 0,5 мас.,) или водомасляной смеси, например, с содержанием веретенного масла 1-10 мас.ф в дистиллированной воде. Осуществляют одновременное введение, например, через отверстие в хвостовике инструмента абразивной суспенэии и СОЖ в зону обработки керамической детали при более мягком режиме обработки, совершающей качательное движение с числом оборотов шпинделя пшл. - 30-50 об/мин числе двойных ходов каретки 10-20 дв.ход./мин и давлении на полировальник 20-50 г/см. На окончательном этапе обработки достигается йэ = 0.08-0,16, плоскостность 0,1-0,5 мкм при этом количество полных циклов работы обработанного таким образом уплотнительного кольца из керамики составляет не менее 500000 циклов без разрушения, что и требуется по ГОСТУ 19681-83 для работоспособности водопроводнОго крана. Для сравнения осуществляли обработку уплотнительных колец из керамики 8 К - 94-1 ТУ 11 а.Я 0.027.002 ТУ по прототипу и испытания на стенде по испытанию уплотнительных колец согласно ГОСТ 19681-83 на заводе "Энергомаш", Результаты испытаний сведены в таблицу,Как показали результаты испытаний, представленные в таблице, абразивная обработка предложенным способом (примеры ММ 2-6, 9-13 и 15 - 21) позволяют увеличить ресурс работы обработанных изделий до 500000 циклов беэ разрушения. что и требуется по ГОСТУ на краны (дальнейшие испытания не проводились) по сравнению с 1000 циклов по прототипу до полного разрушения (пример М 22). т,е. качество обработки эа счет повышения противозадирочных свойств обрабатываемой поверхности увеличивается не менее чем в 500 раэ.При содержании графитового порошка в суспенэии менее 4.0 мас.% (пример М 1) на обрабатываемой поверхности не образуется достаточное количество графита (на "плато" и выступах), обеспечивающего значительное улучшение прстивоэадирочных свойств поверхности, а менее 4 мас,графитового порошка обеспечивают эффективное заполнение только рисок и некоторых трещин "плато" и это количество может быть обеспечено самим полировальником из ковкого или серого чугуна,При концентрации графитового порошка свыше 36,0 мас.0(пример М 7) не происходит увеличения ресурса работы обработанных изделий, в то время, как увеличиваются безвозвратные потери графита, а 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 приготовление суспензий изотропной по своему составу и физико-химическим свойствам становится затруднительным при таком содержании графита и требует специальных приемов (температура, перемешивание ультразвуком, специальный подбор масел и т,д.),При концентрации минерального масла в водомасляной смеси менее 1 мас,7 ь (пример М 8) приготовление суспензии графитового порошка с концентрацией свыше 20 мас.становится затруднительным и не гарантирует изотропности по свойствам и составу полученной суспензии, что затрудняет подачу СОЖ при абразивной обработке и. как следствие, снижает противозадирочные свойства обрабатываемой поверхности.При концентрации масла в водомасляной смеси выше 10 мс.% (пример М 14) приготовление суспензии. изотропной по своему составу и свойствам графитового порошка концентрации свыше 20.0 мас, с таким содержанием масла также становится затруднительным, что затрудняет равномерную и иэотропную по свойствам подачу СОЖ в зону обработки и тем самым снижает противозадирочные свойства обрабатываемой поверхности,Оптимальными являются концентрация графитового порошка в суспензии 20,0 мас.0 и минерального масла в водомасляной смеси - 5.5 мас. " ,Результаты испытаний по использованию в качестве ЦИАТИМа других минеральных масел (примеры ММ 18, 17) привели примерно к аналогичным результатам как при использовании ЦИАТИМа, Однако преимуществом ЦИАТИМа по сравнению с другими маслами и. как следствие, его предпочтительное использование является его высокая способность образовывать с графитовым порошком иэотропные по составу и свойствам суспензии до 36,0 мас.ф и выше беэ специальных условий.Результаты испытаний по абразивной обработке других хрупких и полупроводниковых материалов предложенным способом привели к аналогичным результатам(примеры 19-21). На основании вышеизложенного достигаемым техническим результатом в предложенном способе абразивной обработки являетсяповышение качества обработки эа счет повь шения противоэадирочных свойств обрабатываемой поверхности не менее чем в500 раз; увеличение ресурса работы не менеечем в 500 раз:12 2000914 Материал об- рабатываемой детали Состав и концентрация минеральногомасла в воде,мас,Концентрация графитового порошка в суспензии,мас. Пример Керамика и15 16 20,0 17 20,0 20,0 20,0 18 Окись кремния Монокристаллический кремний Ге маний.ЦИАТИМ 20,0 20 21 20,0 ИАТИМ 500000 обеспечение возможности эффективной замены дорогостоящих и остродефицитных, прежде всего цветных металлов, на иэделия иэ дешевых и хрупких материалов типа керамики; обеспечение экологической Веретенное масло (0.8) Вода (99,2) Веретенное масло (1,0) Вода (99,0) Веретенное масло (1,2) Вода (98.8) Веретенное масло (5,5) Вода (94.5) Веретенное масло (9,8) Вода (90,0) Веретенное масло (10,0) Вода (90,2) Веретенное масло (10,2) Вода (89,8) ЦИАТИМ(1,0) Трансформаторное масло ВеретенноемаслоЦИАТИМ безопасности обработанных изделий приэксплуатации в бытовых условиях,(56) Авторское свидетельство СССР5 М 1255396, кл. В 24 В 1/00. 1984. Работоспособность (кол-во полных циклов работы до разрушения) г2000914 Продолжение таблицы Составитель Т.КузнецоваРедактор Н.Федорова Техред М.Моргентал Корректор Е.Папп Заказ 3102 Тираж Подписное НПО" Поиск" Роспатента113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101 Формула изобретения СПОСОБ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ. хрупких материалов инструментом на металлической связке, включающий предварительную и окончательную обработки с подачей смаэывающе-охлаждающей жидкости, содер- . жащей минеральное или слаболегированное масло или водомасленную смесь с присадкой, отличающийся тем, что в качестве инструмента используют полировальник из ковкого или серого чугуна, а в качестве присадки используют графитовый порошок, при этом предварительную обработку проводят в абразивной суспензии на водной основе, а при окончательной обработке в абразивную суспензию добавляют смазывающе-охлаждающую жидкость с содержанием минерального или слаболегированного масла в количестве 1 - 1 О мас.б и графитовый порошок в количестве 4 - 36 мас, 0 ь,