Способ изготовления высокоизносостойкого алмазного инструмента
Алмазный инструмент Радиоэлектроника Кремний Сапфир Высокопрочные материалы Оптика Лазер
Отчет 73 с., 1 ч., 36 рис., 3 табл., 0 источн., 5 прил.
Алмазный инструмент, радиоэлектроника, кремний, сапфир, высокопрочные материалы, оптика, лазер
Настоящий отчет содержит результаты выполнения заключительного этапа НИОКР по теме “Разработка опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента” заявки № С1-201458 проекта № 78347 соглашения № 4648ГС1/78347 от 09 августа 2022 г.
До этого был подготовлен промежуточный научно-технический отчет первого этапа исследования с инвентарным номером 00001. Исходя из его результатов было решено сделать добавку в алмазные инструменты сверхвысокомолекулярного полиэтилена в виде 5%, а добавку графита – 15%.
Общей целью выполнения НИОКР является выработка подходов и технологий производства алмазного инструмента, превосходящего текущие аналоги по эксплуатационным показателям, таким как: износостойкость, адгезия, температура обработки деталей, теплопроводность, экономическая эффективность и прочность связки. Области применения алмазного инструмента:
• обработка деталей и заточка режущего инструмента из твёрдых сплавов всех марок;
• заточка и доводка инструмента из сверхтвёрдых материалов;
• порезка и обработка кремния, германия и других полупроводниковых материалов;
• порезка, обработка и доводка изделий из феррита, ситала и керамики;
• обработка графитов и углепластиков.
• резка и обработка армированных стекловолокном пластмасс;
• огранка и полировка драгоценных камней;
• резка, шлифовка и полировки природного и искуственного камня;
• обработка всех видов художественного и технического стекла, фарфора;
• резка и обработка всех видов огнеупорного материала.
Категории потенциальных потребителей:
• Предприятия ракетостроения (действующий клиент РКЦ Прогресс)
• Предприятия машиностроения (действующий клиент МАЗ, МТЗ)
• Предприятия авиастроения (действующий клиент АО "РСК МИГ")
• Предприятия радиоэлеткроники (потенциальный клиент АО «Монокристалл»)
В указанных отраслях, как правило, инструмент используется с целью придания обрабатываемым материалам высокой точности или для заточки металлообрабатывающего инструмента.
Получаемый алмазный инструмент должен обеспечивать обработку сверхтвердых материалов, таких как:
• кремний
• сапфир
• стекло
• твердые сплавы
• стали
• алмаз
Целью данного заключительного этапа НИОКР является получение реальных отзывов и объективной оценки качества алмазных кругов выбранного состава.
Задачами заключительного этапа являются:
1) Разработка рецептуры связующего и плотности связки алмазного инструмента.
2) Тестирование полученных алмазных кругов.
3) Анализ результатов тестирования.
4) Доработка состава связки.
5) Определение наиболее эффективных испытательных образцов
6) Изготовление опытные образцы высокоэффективного алмазного инструмента.
7) Проведение натурных испытаний опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
8) Доработка рецептуры связующего и технологических карт для изготовления опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
9) Разработка ТУ для опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
В рамках проведения НИОКР был выполнен анализ технологий производства алмазного абразивного инструмента. После консультации с технологами и химиками, а также исследования других работ на эту тему, было решено использовать добавку графита и сверхвысокомолекулярного полиэтилена в разных сочетаниях.
Получаемый алмазный круг должен соответствовать перечисленным требованиям:
1. Твердость аламазоносного слоя D126 (по ГОСТ 52587) от 33 до 46.
2. Отношение массы снятого слоя к величине износа алмазоносного слоя не менее 30:1 (для сплавов ВК8).
3. Относительная концентрация алмазного порошка от 75 до 225% (Примечание: под концентрацией алмазов понимают содержание алмазных зерен в единице объема алмазного слоя. За 100%-ную концентрацию принято содержание 0,878 мг (4,39 карата) алмазного порошка в 1 мм³ алмазоносного слоя или 25% по объему. При 50%-ной концентрации алмазов связка и наполнитель занимают 87,5% объема и только 12,5% - алмазное зерно).
4. Допуск радиального биения рабочей поверхности относительно поверхности посадочного отверстия не более 0,03 мм.
5. Допуск торцового биения рабочей поверхности относительно поверхности посадочного отверстия не более 0,03 мм.
6. Увеличение скорости снятия слоя относительно стандартного инструмента (связка В2 - 01) не менее 5%.
7. Снижение температуры в точке контакта не менее 5 градусов Цельсия (по сравнению со связкой В2-01 при аналогичных условиях обработки аналогичных деталей).
8. Рост числа обрабатываемых деталей не менее чем не 30% (по сравнению с инструментом на связке В2-01).
9. Снижение себестоимости обработки деталей не менее 25% (по сравнению с инструментом на связке В2-01).
У каждого получаемого круга были измерены перечисленные параметры. Все параметры кроме снятия и температуры соответствуют требованиям для каждого круга.
У образца 1 износостойкость составила 221% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 18,38 об.% графита и 17,29 об.% алмаза.
У образца 2 износостойкость составила 208% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 16,68 об.% графита и 15,68 об.% алмаза.
У образца номер 3 износостойкость составила 135% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 11,49 об.% графита и 18,39 об.% алмаза.
У образца номер 4 износостойкость составила 297% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 13,96 об.% графита и 49,84 об.% алмаза.
У образца номер 5 износостойкость составила 192% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 16,74 об.% графита и 39,85 об.% алмаза.
У образца номер 6 износостойкость составила 144% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 19,91 об.% графита и 28,44 об.% алмаза.
У образца 7 износостойкость составила 195% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 19,11 об.% графита и 8,99 об.% алмаза.
У образца 8 износостойкость составила 108% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 21,61 об.% графита и 16,21 об.% алмаза.
У образца 9 износостойкость составила 123% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 18,75 об.% сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 12,50 об.% алмаза.
У образца 11 износостойкость составила 111% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 9,72 об.% сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 8,33 об.% алмаза.
У образца 12 износостойкость составила 135% относительно стандартного круга. В этот образец не было добавлено графита или сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 8,82 об.% алмаза. 
У образца 10 износостойкость составила 142% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 8,64 об.% сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 7,41 об.% алмаза.
У образца 13 износостойкость составила 138% относительно стандартного круга. В этот образец не было добавлено графита или сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 8,82 об.% алмаза.
У образца 14 износостойкость составила 101% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 20,55 об.% сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 8,82 об.% алмаза.
У образца 15 износостойкость составила 177% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 14,29 об.% сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 33,33 об.% алмаза.
У образца 16 износостойкость составила 158% относительно стандартного круга. В этот образец было добавлено 12,50 об.% сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 41,67 об.% алмаза.
Из полученных в исследовании данных можно сделать вывод, что добавка графита в изделие значительно повышает износостойкость, но слишком большое количество графита оказывает негативный эффект. Вероятно, негативный эффект связан с тем, что связка получается слишком непрочная, и она разрушается. Также видно, что добавка сверхвысокомолекулярного полиэтилена в небольших количествах улучшает износостойкость, но чрезмерно высокое его содержание отрицательно сказывается на свойствах связки. Можно также сделать вывод, что добавка одновременно графита и сверхвысокомолекулярного полиэтилена не оказывает негативного эффекта.
Температура стандартных образцов составляла от 110 до 120 oC, а температура образцов с добавкой графита – от 90 до 100 oC. Это свидетельствует о том, что наличие графита в составе снижает рабочую температуру изделия. Причем согласно результатам чем выше концентрация добавленного графита, тем ниже температура. Известно, что сильный нагрев алмазного абразивного инструмента во время работы приводит к его неравномерному нагреву, что в свою очередь может привести к разрушению алмазной связки и порче инструмента. Согласно полученным результатам, добавка графита в инструмент снижает эту температуру. Чем меньше температура, тем меньше разрушение связки и лучше удержание алмаза. Себестоимость изделий либо не выросла, либо стала меньше. 
В результате исследования обнаружено, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен плавится при работе изделия из-за высокой рабочей температуры, что приводит к порче изделия и ухудшает эксплуатационные характеристики. Было решено, что добавка сверхвысокомолекулярного полиэтилена на втором этапе исследования должна быть небольшой.
Образцами, показавшими наилучшую износостойкость, являются образцы 1, 2, 4 и 7. Было решено на втором этапе исследования сделать добавку сверхвысокомолекулярного полиэтилена в виде 5%, а добавку графита – 15%.
ООО «С6ТУЛС» использовал в производстве экспериментальных шлифовальных кругов для производства шлифовальной поверхности смолу фирмы Bakelite. С 2022 года в связи с недружественными действиями Европейских стран и Соединенных Штатов Америки и начала СВО в условиях санкционной политики запада были введены санкции, под которые попала эта смола. ООО «С6ТУЛС» в таких условиях был вынужден начать поиск поставщика либо по параллельному импорту, либо новой смолы для производства алмазных дисков. 
На обозрение предприятию было представлено 6 образцов, опыт с которыми позволит нам понять какой из образцов пригоден для замены старой смолы фирмы Bakelite для производства шлифовальной поверхности алмазных кругов. Для того, чтобы использовать новые смолы в производстве опытных шлифовальных кругов, необходимо было определить их характеристики, чтобы можно было понять, требуются ли какие-либо изменения технического процесса и технологии производства для использования этих новых смол. Опытным путем мы устанавливали температуру плавления и полимеризации. В качестве наиболее предпочтительной была определена марка смолы Metadynea, так как она производится в России. В случае возможности замены смолы BAKELITE на смолу Metadynea образцы для дальнейших экспериментов будут изготавливаться из этой смолы.
Образцы новых смол имели следующие марки: Metadynea СФП-12А, FERS F910, FERS F8001_16, FERS FB8111, FERS FB8023, BAKELITE PF 0309 SP, BAKELITE PF0223SP. Все купленные смолы имели внешний вид порошков белого или желто-белого цвета. Для эксперимента было использовано несколько смол, чтобы посмотреть, какая смола сможет заменить предшествующий образец.
Была произведена проверка купленных смол на точку кипения для того, чтобы узнать температуру, при которой смола начинает плавиться. Также смотрели температуру при которой смола начинает полимеризоваться. Если температура плавления и полимеризации смол будет отличаться от этих температур у смолы, которую мы использовали ранее, значит надо поменять технологию производства, сменить рабочую температуру нагревания печки. 
Для этого смолы шести марок были спрессованы в таблетки с помощью прессовальной формы в лабораторных условиях, диаметр спрессованных таблеток – 1 сантиметр. Опытные образцы были пронумерованы от 0-6, где 0 – это смолы Metadynea. Остальные опытные образцы смолы были под номерами:
1 – FERS F910
2 – FERS F8001_16
3 – FERS FB8111
4 – FERS FB8023
5 – BAKELITE PF 0309 SP
6 – BAKELITE PF0223SP
На цельнометаллической плите, предназначенной для нагревания с термощупом и терморегулятором устанавливается пластина 20 на 20 сантиметров для произведения опыта. Нагревательная печь имеет внутри нагревательные электроды, расположенные вдоль пластины. Расположение электродов было определено по видимой части электропроводки, которыми они подключены. Зная расположение электродов мы разместили образцы таким образом, чтобы все они находились на линии расположения нагревательных электродов. На опытную пластину укладывают заранее спрессованные таблетки в определенном порядке в соответствии с нумерацией. При медленном нагревании оцениваем результаты опыта. С помощью термометра мы следили за повышением температуры и изменением внешнего вида опытных образцов. В опытах использовалась вытяжка, так как в состав смол входит уротропин, который при нагревании выделяет газ аммиак с резким запахом.
Первым значением температуры мы записывали начало плавления, вторым значением температуры – жидкое состояние, третьим значением температуры – затвердевание. Начало опыта было при комнатной температуре в 21 градус Цельсия.
По результатам исследования плавления смол были определены различия в температурах, необходимых для плавления и полимеризации смол. Таким образом, в технологический процесс были внесены изменения и изготовлены образцы инструмента в соответствии с учетом иной температуры плавления:
Для смолы 0 образцы спекались при температуре 165 градусов Цельсия.
Для смолы 1 образцы спекались при температуре 195 градусов Цельсия.
Для смолы 2 образцы спекались при температуре 190 градусов Цельсия.
Для смолы 3 образцы спекались при температуре 195 градусов Цельсия.
Для смолы 4 образцы спекались при температуре 185 градусов Цельсия
Для смолы 5 образцы спекались при температуре 200 градусов Цельсия.
Для смолы 6 образцы спекались при температуре 185 градусов Цельсия.
Были изготовлены 6 образцов алмазного инструмента с соответствующими смолами чтобы посмотреть, как наша формула с графитом будет себя вести в зависимости от применения разных смол. Эти образцы были отправлены на испытания в ООО «Технодрил». По результатам анализа будут получены развернутые результаты испытаний шлифования изделий из одинаковых материалов.
По результатам первого этапа исследований оптимальный состав алмазных кругов должен включать в себя 15% графита, однако в процессе производства кругов было обнаружено, что при изготовлении кругов с такой высокой концентрацией графита связка не держит форму и рассыпается, круги крошатся. Из-за большого количества брака было решено сделать добавку графита 5%, не смотря на то, что более высокая его концентрация лучше. Из оптимальных составов кругов, подобранных по результатам первого этапа исследований, были изготовлены алмазные круги, которые затем были отправлены на испытания. 
В качестве второй партии кругов были изготовлены круги с различными добавками графита и сверхвысокомолекулярного полиэтилена, за основу которых был взят алмазный круг 12R4 50x8x16x2x3 ЛКВ40 75/63 B48 100% 5,2
1. Два круга с добавлением графита, но с уменьшенным содержанием остальных компонентов.
2. Два круга с добавлением сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
3. Два круга с добавлением дополнительного пульвербакелита (смолы) к объему.
Эти круги были отправлены на исследования в ракетно-космический центр “Прогресс” – одно из главных Российских предприятий ракетно-космической промышленности.
Результаты испытаний образцов в ООО «Технодрил» показали небольшое увеличение стойкости кругов к износу и скалыванию по сравнению со стандартными кругами. В связи с тем, что началась СВО, единственная доступная смола на данный момент – это смола марки Metadynea. Доступ к смоле, из которой мы изначально планировали изготавливать инструмент, пропал. Было решено использовать смолу Metadynea в опытах на заключительном этапе.
На испытаниях кругов нами было обнаружено, что круги с добавкой сверхвысокомолекулярного полиэтилена быстро засаливаются, поскольку сверхвысокомолекулярный полиэтилен плавится при относительно низкой температуре (135-190 oC).
Результаты кругов, отправленных в РКЦ “Прогресс” пока не пришли. РКЦ “Прогресс”, по-видимому, занят активным производством продукции для нужд СВО. Из-за этого затруднительно с ними провести испытания. По имеющимся договоренностям между ООО “C6TOOLS” и ООО “Алмазный Инструмент”, ООО C6TOOLS проводит исследования на базе ООО Алмазный Инструмент на его оборудовании. ООО “C6TOOLS” планировал и планирует поставлять продукцию, полученную либо на ООО “Алмазный Инструмент” по лицензии ООО “C6TOOLS” с оплатой пользования лицензии, либо размещая заказ у ООО “Алмазный Инструмент”, чтобы он продавал продукцию ООО “C6TOOLS”. В связи с этим, запрос на РКЦ “Прогресс” идет от ООО “Алмазный Инструмент”. ООО “Алмазный Инструмент” работает с РКЦ “Прогресс” уже много лет, и для них это известная компания. Но при этом ООО “C6TOOLS” ранее поставляла круги на РКЦ “Прогресс” через других посредников.
По результатам испытаний было замечено, что после того, как круг поработает какое-то время, верхний слой круга (где находится алмаз) изнашивается и стачивается, начинает хуже работать, падает скорость снятия слоя. Это обусловлено тем, что острая часть алмаза, которая шлифует, стачивается, и становится плоской. Круг зализывается, и падает его шлифующая способность. 
Чтобы побороть это явление, нужно, чтобы изношенный алмаз из связки выпадал, и вскрывался новый слой с острыми алмазами. И для этого мы решили добавить в связку порошок скорлупы грецкого ореха. Когда круги стачиваются, трение увеличивается, и растет температура. В результате начинает выгорать порошок скорлупы грецкого ореха. Образуются пустоты на верхней поверхности круга, связка разрушается, и высвобождаются новые алмазы, еще не участвовавшие в работе.
Исходя из того, что была выбрана смола марки Metadynea, были скорректированы ТУ для опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
Способ изготовления высокоэффективного алмазного инструмента реализуется следующим образом. Алмазный порошок смачивают с фурфуролом, смоченный порошок перемешивают с пульвербакелитовой смолой, а затем в полученную смесь добавляют остальные компоненты, такие как антифрикционные добавки, вспомогательные абразивы и другие фугкциональные и вспомогательные добавки. Полученную смесь перемешивают в течении 120 минут. Смесь загружают в пресс-форму алмазного круга и нагревают до температуры начала плавления пульвербакелита. Когда смесь нагревается до заданной температуры, пресс-форму окончательно закрывают, температуру повышают и, при температуре от 180 до 240°С, происходит окончательное спекание смеси. Полученное изделие выдерживают в пресс-форме под давлением до снижения температуры до 90°С. После этого, изделие отправляют в печь для дальнейшей полимеризации. Полимеризацию производят по заданному графику, зависящему от формы изделия, до окончательного спекания массы. Для каждого типа изделия график определяется экспериментально.
В ходе выполнения заключительного этапа НИОКР были получены следующие результаты:
- Добавка графита в изделие значительно повышает износостойкость, но слишком большое количество графита оказывает негативный эффект.
- Добавка сверхвысокомолекулярного полиэтилена в небольших количествах улучшает износостойкость, но чрезмерно высокое его содержание отрицательно сказывается на свойствах связки.
 - Добавка одновременно графита и сверхвысокомолекулярного полиэтилена в умеренных количествах не оказывает негативного эффекта.
- Добавка графита слегка повышает стойкость кругов к износу и скалыванию.
- Добавка сверхвысокомолекулярного полиэтилена приводит к быстрому засаливанию кругов из-за его низкой температуры плавления (135—190 oС)
- В качестве оптимальной смолы для изготовления высокоэффективного алмазного инструмента была выбрана смола марки Metadynea
- Было решено сделать добавку порошка скорлупы грецкого ореха для высвобождения новых алмазов, еще не участвовавших в работе во время использования алмазного инструмента.
- С учетом применения смолы марки Metadynea были скорректированы ТУ для опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
- Результаты проведенных нами опытов можно считать успешными. Были успешно разработаны рецептуры связующего и технологические карты испытания образцов. Образцы были изготовлены и успешно проведены их испытания. Были определены наиболее эффективные испытательные образцы. Были изготовлены опытные образцы высокоэффективного алмазного инструмента. Были проведены натурные испытания опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента. Была доработана рецептура связующего и технологических карт для изготовления опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента. Были разработаны ТУ для опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
- Перечисленные задачи можно считать выполненными. Были разработаны рецептуры связующего и плотности связки алмазного инструмента. Были успешно протестированы алмазные круги. Анализы результатов тестирования были успешно проанализированы. Составы связок были доработаны. Определены наиболее эффективные испытательные образцы. Изготовлены опытные образцы высокоэффективного алмазного инструмента. Проведены натурные испытания опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента. Доработаны рецептуры связующего и технологических карт для изготовления опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента. Разработаны ТУ для опытных образцов высокоэффективного алмазного инструмента.
- Работы календарного плана выполнены. Результат соответствует техническому заданию.
- Получаемый алмазный инструмент сможет обеспечивать обработку сверхтвердых материалов, таких как: кремний, сапфир, стекло, твердые сплавы, стали, алмаз.
Получаемый алмазный инструмент сможет обеспечивать обработку сверхтвердых материалов, таких как: кремний, сапфир, стекло, твердые сплавы, стали, алмаз.
Алексей
Барсук
Александрович
Научный руководитель
Кандидат технических наук
Отсутствует
-
-
РОССИЯ
Андрей
Яковлев
Вячеславович
Директор
РОССИЯ
55.09.37
Абразивные и алмазные материалы
02.05.QF
MATERIALS SCIENCE, CHARACTERIZATION & TESTING
Андрей
Яковлев
Вячеславович
100%
РОССИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФОНД СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ"
1027739479734
СЕРГЕЙ
ПОЛЯКОВ
ГЕННАДЬЕВИЧ
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере"
Федеральные государственные бюджетные учреждения
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "С6ТУЛС"
1203100015326
АНДРЕЙ
ЯКОВЛЕВ
ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
Организация
Организации, учрежденные юридическими лицами или гражданами, или юридическими лицами и гражданами совместно
Общества с ограниченной ответственностью