Выбор технологической среды при обработке свободным абразивом

Эффективность абразивной нанообработки, связанная с улучшением эксплуатационных характеристик, а также ее производительность зависят от технологической среды, которая включает полировальник, абразивную и неабразивную составляющие технологического состава и материал заготовки.

На рис. 2.1 приведена классификация полировальников, применяемых для нанообработки.

Рис. 2.1. Классификация полировальников

Особое место среди полировальников занимают композиционные полировальники, а также полировальники из замши, которые в настоящее время нашли наибольшее применение дли обработки лазерных зеркал, магнитных дисков, подложек микросхем. Композиционные полировальники на смоляной основе могут обеспечить хорошее качество поверхности при длительной полировке абразивными суспензиями, так как их поверхностный слой быстро насыщается шаржированными частицами абразива и практически мало изнашивается, они легко принимают требуемую форму.

Основные требования, предъявляемые к полировальникам:

- высокая износостойкость;

- оптимальный модуль упругости материала;

- оптимальная текстура, обеспечивающая хорошее закрепление абразивных зерен и их подачу в зону обработки;

- оптимальная толщина, обеспечивающая необходимую форму обрабатываемой поверхности и ее физико-химические свойства;

- стойкость к агрессивным полирующим составам.

Условия взаимодействия абразивных зерен с материалом заготовки и полировальника зависят от свойств и состояния всех элементов технологической системы (полировальник – абразивная прослойка – заготовка).

При полировании незакрепленным абразивом поверхности заготовок деталей с высокой отражательной способностью применяются различные полировальники, например, из технической шерсти, фторопласта, полихлорвинила или пеко–канифольной смолы [2, 3]. Известно, что эти материалы обладают рядом недостатков, вызывающих снижение эффективности процессов полирования. Например, полировальник, изготовленный из фторопласта, обеспечивает получение деталей с высокой отражательной способностью, но съем материала при этом невысокий, так как фторопласт плохо удерживает абразив в зоне обработки. Полировальники из пеко–канифольной смолы быстро изнашиваются, поэтому не позволяют снимать припуск на обработку в первый период процесса, когда параметр шероховатости обрабатываемой поверхности Ra находится в диапазоне 0, 50... 0, 40 мкм.

Прочностные свойства полировальника, износостойкость его рабочей поверхности, хорошее удержание абразивной суспензии в зоне обработки и равномерность ее распределения можно обеспечить введением в состав полировальной смолы СП-18 (ТУСТБ 47-71), изготовляемой Красногорским оптико-механическим заводом, добавки в виде износостойких мелкодисперсных частиц фторопласта-4.

В полировальниках, конструкция которых состоит из композиции смолы СП-18 и фторопласта-4, фторопласт-4, как и древесно-смоляной пек, упрочняет канифольную матрицу. Материал полировальника данного состава имеет гетерогенную структуру, состоящую из менее износостойкой основы (пеко-канифольной смолы) и более износостойких частиц (фторопласта-4). Благодаря мягкой основе в процессе обработки на рабочей поверхности полировальника образуются лунки, обеспечивающие хорошее удержание зерен абразива.

Частицы фторопласта-4, обладающие более высокой износостойкостью, способствуют сохранению заданной формы поверхности полировальника и повышению отражательной способности обрабатываемой детали. Применение такого полировальника благоприятно влияет на физико-химическую структуру поверхности – способствует снижению шаржирования и окисления поверхности благодаря увеличению интенсивности съема материала.

Зависимость съема меди и износа полировальника от содержания мелкодисперсного порошка фторопласта-4 (2, 5; 5; 7, 5; 10; 12; 12, 5 и 15 масс. %) в пеко-канифольной смоле марки СП-18 приведены на рисунках 2.2 и 2.3.

Рис. 2.2. Зависимость съёма меди марки Моб от содержания износостойкого мелкодисперсного порошка фторопласта-4 в композиционном составе полировальника

Рис. 2.3. Зависимость износа полировальника от содержания
износостойкого мелкодисперсного порошка фторопласта-4

На основании результатов исследований [4] для изготовления полировальника рекомендуется композиционный материал следующего состава (масс. %): 90 – 95 пеко-канифольной смолы и 5 – 10 мелкодисперсного порошка фторопласта-4. Эксплуатационные характеристики полировальников рекомендуемого состава лучше ранее применяемых на основе пеко-канифольной смолы.

Фторопласт-4 практически не взаимодействует с обрабатываемой поверхностью, поэтому его частицы будут способствовать не только сохранению заданной формы поверхности полировальника на более длительный срок, но и окажут положительное влияние на повышение отражательной способности за счет благоприятного влияния на физико-химические параметры поверхностного слоя.

Производительность обработки с применением такого полировальника по сравнению с обработкой полировальником на основе пеко-канифольной смолы выше на 20 – 25 %, а износостойкость – на 23 – 26 %.

В нанообработке полировальные составы применяются в виде твердых мазеобразных паст, суспензий. Физико- механические свойства основных абразивных материалов, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 2.1.

Табл. 2.1. Физико-механические свойства абразивных материалов

При выборе абразивных составляющих следует учитывать размер, форму и твердость абразивных частиц, так как с увеличением их размера и твердости скорость съема материала возрастает, но одновременно ухудшаются физико-химические параметры поверхности, шероховатость и глубина дефектного слоя.

Полирующая способность абразивов определяется начальной формой зерен и динамикой их изменения в процессе обработки. Предпочтительной, с точки зрения производительности обработки, является остроугольная пластинчатая форма частиц, а для обеспечения гладкости и уменьшения шаржируемости – овализированная или круглая форма.

Концентрация абразива в полировальных составах может достигать 70 %. Оптимальная концентрация порошков зависит от их химической активности, твердости обрабатываемого материала и др.

Оптимальное количество абразивных частиц в суспензиях можно определить по максимуму коэффициента абразивного взаимодействия k_i:

k_i = n_i / (svkt), (2.1)

где n_i – число зерен, попавших на элементарную площадку обрабатываемой поверхности;

v – скорость истечения суспензии кол/с;

k – концентрация абразива в суспензии;

t – время переноса через элементарную площадку, с.

Обычно отношение количества жидкости и микропорошка в суспензиях изменяется в широких пределах от 2: 1 до 60: 1.

Важным свойством абразивных зерен является степень гидрофобности их поверхностей. Плохая смачиваемость жидкостных абразивных частиц и отсутствие между ними и полировальником жидкостной прослойки улучшают сцепление абразива с полировальником и условия полирования поверхности. Например, гидрофобизация порошков растворами, содержащими олеиновую кислоту, является очень эффективной. Мягкие абразивные материалы на основе окислов материалов, особенно металлов с переменной валентностью, способны оказывать на обрабатываемую поверхность химическое воздействие с образованием преимущественно на микровыступах поверхности окисной пленки, облегченное удаление которой улучшает качество полирования как мягких, так и твердых материалов.

Для улучшения качества поверхности абразивные зерна подвергают корректированию их формы различными методами, например методом механической (вариант А) или термической (вариант Б) овализации. Геометрия зерен существенно влияет на характер физико-механических явлений, что может значительно улучшить эксплуатационные характеристики. Такому корректированию (овализации) подвергаются и алмазные микропорошки, часто применяемые для изготовления деталей. Они изготовляются из синтетических алмазов АСМ и AСH (ГОСТ 9206–80) и природных алмазов AM и АН.

Твердые абразивные материалы, особенно алмазные микропорошки, проверяют на соответствие содержанию основных, крупных и мелких фракций зерен (табл. 2.2). На рис. 2.4 показано распределение размеров зерен алмазных микропорошков АСМ различной зернистости, изготовленных по ГОСТ 9206–80 и алмазных микропорошков зернистостью АСМ5/3, изготовленных также по этому ГОСТ, но с последующей овализацией по вариантам А и Б (термический и механический).

Табл. 2.2. Зернистость микропорошков и размер зёрен

Исследование геометрии зёрен на микроскопе МБИ-6 со специальной сеткой (увеличение 600 и 1200) (в качестве иммерсионной среды использовалось кедровое масло) показало, что вариант А является более предпочтительным в отношении равномерности зёрен.

Рис. 2.4. Кривые распределения размеров зёрен основных, крупных и мелких фракций в микропорошках АСМ: А) различной зернистости: 1 – АСМ20/14; 2 – АСМ 14/10; 3 – АСМ10/7; 4 – АСМ 7/5; 5 – АСМ5/3, 6 – АСМ3/2; Б) АСМ 5/3, изготовленных по ГОСТ (1) и методом овализации по вариантам А (2) и Б (3)

В настоящее время, очень эффективно применение ультрадисперсных абразивов оксида алюминия сферической формы, полученного газодисперсным синтезом (ГДС).

С целью выбора наиболее качественных абразивов для на- нополирования металлических медных зеркал проводились исследования следующих абразивов: карбид титана, карбид хрома, сложный карбид хрома, кубонит, гексанит, алмазные синтетические микропорошки (по ГОСТ и с овализацией), а также оксид алюминия ультрадисперсный сферический, полученный ГДС (табл. 3.3 и 3.4).

Табл. 2.3. Перечень абразивных порошков

Табл. 2.4. Отражательная способность и шероховатость поверхности медных зеркал после обработки абразивами

Критерием их оценки служили отражательная способность и высота шероховатости поверхности.

Анализ результатов применения различных видов абразивных порошков позволил сделать вывод, что наиболее пригодными абразивами для полирования зеркал являются алмазные овализированные порошки и порошки оксида алюминия.

Жидкость в абразивных суспензиях должна обеспечивать транспортировку абразивных зерен в зону обработки с равномерным распределением их по поверхности, удалять шлам, препятствовать образованию конгломератов шлама, охлаждать полировальник и деталь, химически взаимодействовать с материалом детали для облегчения его удаления с поверхности. Эти функции могут быть реализованы, если жидкость имеет малую вязкость, большую теплоёмкость, плохо смачивает полировальник и абразивные частицы, обладает достаточной химической активностью. В качестве жидкости в полирующих суспензиях применяют воду, керосин, скипидар, спирт, машинное масло, ПАВ, щелочные растворы и др.

В абразивных пастах неабразивная часть содержит смесь вспомогательных веществ, которые формируют жировую основу пасты, служат связующими веществами, химически активными добавками, растворителями. Это прежде всего стеариновая и олеиновая кислоты, церезин, парафин, вазелиновое и машинное масла, говяжий жир, канифоль, солидол, пчелиный воск, петролатуры, скипидар, керосин. Стеариновая и олеиновая кислоты выполняют функции химически активных добавок, ПАВ и в некоторой степени смазок. Парафин, стеарин, вазелиновое и машинное масла, петролатум создают требуемую вязкость и служат загустителями пасты, масла, жиры, керосин, скипидар, олеиновая кислота уменьшают поверхностную энергию материалов и облегчают условия диспергирования. Керосин, скипидар, бензин, дибутилфталат, этиленгликоль, асидон, глицерин, изопен, касторовое, костное, веретённое масла служат растворителями и разбавителями в пастах. С увеличением вязкости пасты шероховатость обработанной поверхности возрастает. Оптимальной считается вязкость паст 1 – 3 сет (1·10^-4 – 3·10^-4 м²/с) и плотность абразива 0, 1 – 0, 2 г/см³.

Важным параметром материалов связок абразивных паст является температура испарения. При медленном испарении связки в составе абразива оказывается большое количество разрушенных и истративших свою режущую способность частиц, что приводит к засаливанию и снижению скорости съема. При слишком быстром испарении связки происходит преждевременное сбрасывание работоспособных частиц с полировальника.

Учитывая, что процесс полирования абразивными суспензиями сопровождается как динамическим, так и физико–химическим воздействиями неабразивной среды, при ее подборе следует учитывать следующие основные требования:

- необходимое и достаточное поверхностное натяжение;

- хорошую смазывающую способность;

- отсутствие окисления обрабатываемой поверхности в процессе обработки;

- экологическую чистоту.