EA029195B1

EA029195B1 - СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ИСКУССТВЕННО ВЫРАЩЕННОГО МОНОКРИСТАЛЛА НА ОСНОВЕ ALPHA-AlO

Info

Publication number: EA029195B1
Application number: EA201600034A
Authority: EA
Inventors: Виталий Алексеевич САВЕНКОВ
Original assignee: Ооо "Фармасапфир"
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2018-02-28
Also published as: RU2585885C2; RU2014133051A; EA201600034A1; WO2016024882A1

Abstract

Изобретение относится к способу обработки трущихся поверхностей сапфировых деталей. Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей плунжерных пар, в том числе как составные части насосных и/или дозирующих устройств (насосов-дозаторов), в частности в фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерной, косметической, машиностроительной и других областях промышленности. Техническим результатом изобретения является разработка способа обработки цилиндрических поверхностей сапфира с применением финишной безобразиной ультразвуковой обработки до шероховатости поверхности R≤0,025-0,020, R≤0,032-0,025, снижение коэффициента трения трущихся изделий, трудоемкости работ и времени изготовления, увеличение твёрдости и микротвёрдости поверхностного слоя изделий. Способ обработки трущихся поверхностей деталей из искусственно выращенного кристалла на основе α-AlOвключаюет изготовление заготовок деталей из искусственно выращенного кристалла на основе α-AlO, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива. Причем механическая обработка включает последовательные стадии, а именно: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности R=10-20 мкм и по крайней мере одну последующую финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц до шероховатости поверхности R=0,020-0,025 мкм.

Description

Изобретение относится к способу обработки трущихся поверхностей сапфировых деталей. Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей плунжерных пар, в том числе как составные части насосных и/или дозирующих устройств (насосов-дозаторов), в частности в фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерной, косметической, машиностроительной и других областях промышленности. Техническим результатом изобретения является разработка способа обработки цилиндрических поверхностей сапфира с применением финишной безобразиной ультразвуковой обработки до шероховатости поверхности К_а<0,025-0,020, Κ_ζ<0,032-0,025, снижение коэффициента трения трущихся изделий, трудоемкости работ и времени изготовления, увеличение твёрдости и микротвёрдости поверхностного слоя изделий. Способ обработки трущихся поверхностей деталей из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃ включаюет изготовление заготовок деталей из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива. Причем механическая обработка включает последовательные стадии, а именно: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности Κ_ζ=10-20 мкм и по крайней мере одну последующую финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц до шероховатости поверхности К_а=0,020-0,025 мкм.

029195

Область техники

Изобретение относится к способу обработки трущихся поверхностей сапфировых деталей. Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей плунжерных и поршневых пар, в том числе как составные части насосных и/или дозирующих устройств (насосов-дозаторов), в частности в фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерной, косметической, машиностроительной и других областях промышленности.

Уровень техники

В настоящее время большинство насосов-дозаторов для фармацевтической и пищевой промышленности содержат плунжерные пары из различных металлических и керамических материалов (см., например, И8 4273263 А, 16.06.1981; ΌΕ 2723320 С2, 04.11.1982; РК 2797046 А1, 02.02.2001).

Однако для насосов-дозаторов с металлическими и керамическими плунжерными парами существует проблема износа трущихся деталей. Образующиеся в результате трения соприкасающихся деталей мельчайшие частицы материала этих деталей загрязняют дозируемые жидкости, что особенно нежелательно в фармацевтической промышленности. Также в результате износа трущихся деталей происходит изменение дозируемого объёма, что также неприемлемо для высокоточного дозирования. Кроме того, насосы-дозаторы в фармацевтической и пищевой промышленности должны выдерживать длительное воздействие агрессивных факторов эксплуатации, в частности, процесс стерилизации.

Значительно большую износостойкость можно получить при изготовлении деталей плунжерной пары из кристаллов, в частности из кристаллов, основой которых является α-модификация оксида алюминия (α-Α1₂Ο₃, он же корунд).

Проведенные исследования показали, что, например, лейкосапфир (являющийся разновидностью αΑ1₂Ο₃), ориентированный в направлении кристаллографической оси [0001] имеет износостойкость, в 10 раз большую по сравнению с покрытием из хрома и в 5 раз большую по сравнению с корундовой керамикой.

Кроме того, лейкосапфир прозрачен в широком интервале даин волн, имеет слабое светорассеяние и высокую оптическую однородность, высокую радиационную стойкость и низкие внутренние напряжения, высокую устойчивость к агрессивным средам.

Прозрачность лейкосапфира - это дополнительное преимущество, заключающееся в возможности визуального контроля наличия/отсутствия пузырей при работе насосов-дозаторов, что является важным при высокоточном дозировании.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ обработки плунжерных пар на основе α-Α12Ο3, изготовление заготовок, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии смазочно-охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок (КИ 2521129 С1, 27.06.2014). Недостатком прототипа является высокий коэффициент трения трущихся изделий, высокое время изготовления изделий.

Задача, на решение которой направлена группа изобретений, заключается

уменьшение интенсивности износа при высоких контактных нагрузках в работе лейкосапфировой (сапфировой) плунжерной пары или её отдельных составляющих;

увеличение твёрдости и микротвёрдости поверхностного слоя трущихся рабочих лейкосапфировых (сапфировых) плунжерных пар или её отдельных составляющих;

снижение шероховатости трущихся рабочих поверхностей лейкосапфировых (сапфировых) плунжерных пар или её отдельных составляющих;

уменьшение коэффицента трения обработанных рабочих трущихся поверхностей;

снижение рабочего времени на изготовление лейкосапфировых (сапфировых) плунжерных пар или

их составляющих за счёт отказа от промежуточных циклов механической обработки;

снижение механической нагрузки на всё оборудование, в котором используются лейкосапфировые

(сапфировые) плунжерные пары или их составляющие;

сокращение времени между ремонтами оборудования, в котором используются лейкосапфировые

(сапфировые) плунжерные пары или их составляющие.

Исключение эффекта "подклинивания" за счёт высокой обработки трущихся поверхностей лейкосапфировой плунжерной пары или её отдельных составляющих.

Сущность созданного технического решения

Техническим результатом изобретения является разработка способа обработки цилиндрических поверхностей сапфира с применением финишной безобразиной ультразвуковой обработки до шероховатости поверхности К_а<0,025-0,020, Κ_ζ<0,032-0,025, снижение коэффициента трения трущихся изделий, трудоемкости работ и времени изготовления, увеличение твёрдости и микротвёрдости поверхностного слоя изделий.

Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного способа обработки плунжерных пар на основе α-Α12Ο3, изготовление заготовок, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последо- 1 029195

вательным убыванием величины зерна абразива: грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок, в предложенном способе обработки плунжерных пар на основе αА1₂0з, среднее шлифование поверхности заготовок осуществляют до значений шероховатости поверхности Κ_ζ=10-20 мкм, после чего осуществляют финишную безабразивную обработку заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 кГц до шероховатости поверхности К_а=0,020-0,025 мкм.

В заявленном способе после среднего шлифования осуществляют тонкое шлифование поверхности заготовок до шероховатости К_а=1,25-1,6 мкм или до шероховатости К_а=0,63-0,80 мкм.

После тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности К_а=1,25-1,6 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности Κ_ζ=0,05-0,063 мкм, а после тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности К_а=0,63-0,80 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности Κ_ζ=0,025-0,032 мкм.

Кристалл на основе а-А1₂О₃ представляет собой монокристалл лейкосапфира или кристалл, выбранный из группы: александрит, красный рубин, синий сапфир, оранжевый сапфир, оранжевый падпараджа, желтый сапфир, зеленый сапфир, розовый сапфир, темно-красный сапфир, фиолетовый сапфир.

В качестве охлаждающих жидкостей используют воду, смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) различные синтетические масла, часовое профильтрованное масло.

Осуществление изобретения

Основными сборочными единицами сапфировых насосных и дозирующих устройств являются: наружная часть - сапфировый цилиндр (он же корпус, гильза или втулка) и внутренняя часть - сапфировый плунжер (он же поршень или стержень). Для некоторых моделей насосов-дозаторов конструкцией предусмотрен сапфировый шибер второй плунжер, выполняющий роль запирающего устройства-крана).

Предварительные цилиндрические заготовки на основе а-А1₂О₃ могут быть получены двумя различными способами. В первом способе цилиндрические заготовки сапфировых поршня и цилиндра высверливаются из цельного искусственно выращенного монокристалла сапфира. Высверливание происходит алмазным сверлом необходимого диаметра с учётом припуска на дальнейшую обработку. Высверливание происходит с применением различных СОЖ. Это могут быть различные марки синтетических охлаждающих масел, например 5^-ΑΌΌΙΝΟΕ 8ирег йдЫ 5\У-40. О^-СА8ТКОЬ Рогти1а 8ЬХО^-30 и другие. Оставшийся материал отправляется обратно в установку расплава и роста кристаллов.

Второй способ заключается в распиле цельного сапфирового монолита "були" (рост по методу Киропулоса) или "лодочки" (рост по методу Багдасарова) алмазными кругами с получением квадратных блоков. Далее эти блоки обрабатывают на шлифовальном станочном оборудовании алмазными кругами с крупными зёрнами алмаза, для получения грубо обработанных сапфировых цилиндрических заготовки. Первый способ является предпочтительным.

Стадия грубого шлифования полученные заготовки на основе а-А1₂О₃ осуществляется на высокоточном станочном оборудовании механическим путем с применением алмазного инструмента. При этом применяются различные алмазные круги, алмазные свёрла и алмазные хоны, с разными величинами алмазного зерна. Размер алмазных зёрен от 0,8 мм до 0,1 мм. Все процессы обработки обязательно происходят с применением различных СОЖ. Это могут быть различные марки синтетических охлаждающих масел, например 5^-ΑϋΌΙΝΟΕ 8ирег БдЫ 5^-40, О\У-СЛ8ТРОЕ Рогти1а 8ЕХО\У-30 и другие.

Среднее шлифование заготовок на основе а-А1₂О₃ осуществляют путем механической обработки алмазными инструментами с более мелким зерном алмазного инструмента. Размер алмазных зёрен от 0,3 мм до 0,09 мм. На этом этапе обработки достигается минимальный допуск для следующих более точных и тонких этапов обработки. Процесс может происходить на разных марках и модификациях шлифовального станочного оборудования с применением различных СОЖ, в частности, на универсальном круглошлифовальном станке модели СО 2535-АБ или СО 2550-АЕ, универсальном круглошлифовальном станке полуавтомате модели 3Ш2ААР11 с УЦИ, и других.

Тонкое шлифование заготовок на основе а-А1₂О₃ осуществляют алмазными инструментами с фракцией зерна наименьших размеров с применением различных СОЖ. Применяются алмазные абразивные круги на связке М1 с размером зёрен 125/100 мкм, 100/80 мкм. Концентрация 100%, марка алмаза АС 15, АС 20, АС 32, скорость инструмента 5 м/с. Скорость удаления продукта достигает 1000 мкм/мин. Данная ступень обработки происходит поэтапно, с применением режущего алмазного инструмента с постоянным уменьшением фракции алмазного зерна в этих инструментах. В зависимости от конкретной обрабатываемой детали, обработка может происходить как на без центровальном оборудовании, так и в центрах, как известно специалисту в данной области техники.

При взаимодействии монокристалла с обрабатывающим инструментом необходимо учитывать анизотропию свойств лейкосапфира. Улучшение качества обработки достигается за счёт снижения резания единичными зёрнами инструмента.

Финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 21-23 КГц осуществляют на устройстве, генерируемом ультразвуковые колебания, следующем

- 2 029195

образом: подаваемое на обмотку магнитострикционного преобразователя напряжение вызывает в нем колебания ультразвуковой частоты, передаваемые через концентратор на излучатель ультразвука и связанный с ним наконечник, установленный на расстоянии 0,3-1 мм в зависимости от диаметра обрабатываемой детали. Для охлаждения заготовок подают воду, смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ), такие как масла различных марок, например, часовое профильтрованное масло. При воздействии ультразвука удара наконечника о поверхностный слой кристалла происходит пластическая деформация микронеровностей поверхности. В результате чего происходит снижение шероховатости поверхности и увеличивается коэфицент твердости и микротвердости поверхностного слоя деталей. Для обеспечения более низкой шероховатости поверхности обрабатываемых заготовок применяется несколько проходов безабразивной ультразвуковой обработки, предпочтительно, три.

Пример 1.

Изготавливают цилиндрические заготовки (плунжерную пару) из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃. Поверхности полученных заготовки подвергаются грубой шлифовке, затем осуществляют среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности Κ_ζ=10-20 мкм. После чего осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями до шероховатости поверхности К_а=0,020-0,025 мкм.

Пример 2.

Изготавливают цилиндрические заготовки (плунжерную пару) из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃. Поверхности полученных заготовки подвергаются грубой шлифовке, затем осуществляют среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности Κ_ζ=10-20 мкм, с последующим тонким шлифованием поверхности заготовок до шероховатости К_а=0,630,80 мкм. После чего осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями до шероховатости поверхности Κ_ζ=0,025-0,032 мкм.

Пример 3.

Обработку цилиндрических заготовок (плунжерной пары) из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃ осуществляют аналогично примеру 2. Отличие состоит в том, что для получения более низкой шероховатости поверхности дополнительно осуществляют два прохода безабразивной ультразвуковой обработки поверхности заготовок до шероховатости поверхности Κ_ζ=0,002-0,005 мкм.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет осуществить способ обработки цилиндрических поверхностей деталей на основе а-А1₂О₃ с применением финишной безобразиной ультразвуковой обработки до шероховатости поверхности К_а<0,025-0,020, Κ_ζ<0,032-0,025, снизить коэффициент трения трущихся изделий, трудоемкость работ и временя изготовления изделий, увеличить твёрдость и микротвёрдость поверхностного слоя изделий.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обработки трущихся поверхностей деталей из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃, включающий изготовление заготовок деталей из искусственно выращенного кристалла на основе а-А1₂О₃, механическую обработку поверхности полученных заготовок алмазным инструментом в присутствии охлаждающих жидкостей с последовательным убыванием величины зерна абразива, включающую грубое шлифование поверхности заготовок, среднее шлифование поверхности заготовок до значений шероховатости поверхности Κ_ζ=10-20 мкм и по меньшей мере одну последующую финишную безабразивную ультразвуковую обработку поверхности заготовок с частотой колебаний 21-23 кГц до шероховатости поверхности К_а=0,020-0,025 мкм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после среднего шлифования осуществляют тонкое шлифование поверхности заготовок до шероховатости К_а=1,25-1,6 мкм или до шероховатости К_а=0,63-0,80 мкм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристалл на основе а-А1₂О₃ представляет собой монокристалл лейкосапфира.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристалл на основе а-А1₂О₃ представляет собой кристалл, выбранный из группы: александрит, красный рубин, синий сапфир, оранжевый сапфир, оранжевый падпараджа, желтый сапфир, зеленый сапфир, розовый сапфир, темно-красный сапфир, фиолетовый сапфир.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающих жидкостей используют воду, СОЖ.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что после тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности К_а=1,25-1,6 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности Κ_ζ=0,05-0,063 мкм.

- 3 029195
7. Способ по п.2, отличающийся тем, что после тонкого шлифования поверхности заготовок до шероховатости поверхности К_а=0,63-0,80 мкм осуществляют финишную безабразивную обработку поверхности заготовок ультразвуковыми колебаниями с частотой 22 кГц до шероховатости поверхности Κ_ζ=0,025-0,032 мкм.
8. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве СОЖ используют синтетические масла, часовое профильтрованное масло.