RU2472608C1 - Method of machining nozzle diamond insert channel - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to machining jet-forming channels in nozzle diamond insert for gas- and hydroabrasive machining. Nozzle insert channel is roughed by coarse diamond powder. Then, channel surface is finished by polishing using the mix containing nanodiamond powder, powder of iron and alloy of aluminium with copper or nickel the following ratio of components in wt %: nanodiamond powder 2.0-3.0, powder of iron 10-13.0 and alloy of aluminium with copper or nickel 0 85.0-88.0.

EFFECT: decreased labor input, higher wear resistance, higher efficiency of blasting.

Description

Изобретение относится к способу изготовления алмазных сопел, в частности к обработке струеформирующего канала вставки, для газо- и гидроабразивных устройств, используемых для различных видов обработки металлических и неметаллических деталей, в том числе для тонкой резки и сверления отверстий маленького диаметра.The invention relates to a method for manufacturing diamond nozzles, in particular to processing a jet forming channel of an insert, for gas and waterjet devices used for various types of processing of metal and nonmetallic parts, including for thin cutting and drilling holes of small diameter.

Вставка, формирующая рабочую струю, является основной высокотехнологичной и дорогостоящей частью сопла. От качества обработки канала вставки зависят эксплуатационные характеристики газо- и гидроабразивных устройств, а также стоимость обработки деталей с использованием таких устройств. В частности, качество обработанной поверхности канала вставки сопла влияет на его износостойкость, которая определяет точность и эффективность обработки, особенно, когда производят резку или сверление отверстий малого диаметра струей высокого давления.The insert forming the working jet is the main high-tech and expensive part of the nozzle. The performance of gas and waterjet devices, as well as the cost of processing parts using such devices, depend on the quality of the processing of the insertion channel. In particular, the quality of the treated surface of the nozzle insertion channel affects its wear resistance, which determines the accuracy and efficiency of processing, especially when cutting or drilling holes of small diameter with a high pressure jet.

Для повышения износостойкости сопел, вставку изготавливают из твердых износостойких материалов, таких как монокристалл алмаза, алмазный поликристалл или спеченный высоконаполненный алмазным порошком материал типа Syndite, получаемый спеканием алмазного порошка и металла-связующего в условиях высоких давлений и температур (WO №2008032272, кл. В24С 1/04, 2008 г.) Для получения канала в алмазном материале вначале формируют отверстие лазерным либо электроэрозионным сверлением, после этого канал вставки обрабатывают по общепринятой технологии, которая включает шлифование и полирование канала проволокой с алмазным микропорошком. Для получения поверхности с зеркальным блеском общепринятая технология включает обработку в несколько переходов, используя на разных переходах алмазные микропорошки разной зернистости. Вначале используют более крупные алмазные микропорошки, затем зернистость алмазных микропорошков постепенно уменьшают до получения поверхности требуемого качества (RU №2336984, В24В 1/00, 2006 г). Известно, что алмаз и материалы на основе алмаза (поликристаллы, спеченные материалы) трудно поддаются механической обработке, поэтому процесс обработки канала вставки является очень трудоемким, длительным, требует большого расхода проволоки и алмазных порошков. Кроме того, структура поликристаллического и спеченного алмазных материалов представляет собой алмазные зерна, связанные друг с другом связующими материалами, физико-механические характеристики которых существенно уступают алмазу. В зависимости от технологии получения алмазного материала, связующая фаза в нем может присутствовать в различных количествах. Чем меньше содержание связующей фазы в алмазном материале, тем более трудоемким является процесс получения такого материала. При обработке материала, и особенно при эксплуатации сопла, поверхность канала будет изнашиваться неравномерно, из-за более легкой обрабатываемости связующей фазы при обработке канала, и ее более легкой истираемостью при эксплуатации. Чем больше содержание связующей фазы в алмазном материале, тем он больше будет подвержен эрозии. Наличие эрозии на поверхности канала формирует в водном или газовом потоке пристеночный турбулентный слой, обладающий тормозящим эффектом, который уменьшает скорость струи и повышает потери ее энергии, что ухудшает эффективность обработки деталей.To increase the wear resistance of the nozzles, the insert is made of hard wear-resistant materials, such as diamond single crystal, diamond polycrystal or a sintered highly filled diamond powder material such as Syndite, obtained by sintering diamond powder and metal binder at high pressures and temperatures (WO No. 20088032272, class B24C 1/04, 2008) To obtain a channel in a diamond material, a hole is first formed by laser or EDM drilling, after which the insertion channel is processed according to generally accepted technology, which includes grinding and polishing the channel with diamond micropowder wire. To obtain a surface with a mirror gloss, the generally accepted technology involves processing in several transitions using diamond micropowders of different grain sizes at different transitions. First, use larger diamond micropowders, then the grain size of diamond micropowders is gradually reduced to obtain the surface of the required quality (RU No. 2336984, B24B 1/00, 2006). It is known that diamond and diamond-based materials (polycrystals, sintered materials) are difficult to machine, therefore, the processing of the insertion channel is very time-consuming, lengthy, requires a large consumption of wire and diamond powders. In addition, the structure of polycrystalline and sintered diamond materials is diamond grains, bonded to each other by binder materials, the physical and mechanical characteristics of which are significantly inferior to diamond. Depending on the technology for producing the diamond material, the binder phase in it may be present in various quantities. The lower the content of the binder phase in the diamond material, the more time consuming is the process of obtaining such a material. When processing the material, and especially during the operation of the nozzle, the channel surface will wear out unevenly, due to the easier machinability of the binder phase during channel processing, and its easier abrasion during operation. The higher the content of the binder phase in the diamond material, the more it will be prone to erosion. The presence of erosion on the channel surface forms a wall turbulent layer in the water or gas stream, which has a braking effect, which reduces the speed of the jet and increases its energy loss, which affects the efficiency of processing parts.

Технической задачей является снижение трудоемкости обработки канала вставки сопла, увеличение износостойкости сопла и, как следствие, повышение скорости струи и уменьшение потерь энергии струи.The technical task is to reduce the complexity of processing the nozzle insertion channel, increase the wear resistance of the nozzle and, as a result, increase the speed of the jet and reduce the energy loss of the jet.

Решение технической задачи заключается в том, что в способе обработки канала алмазной вставки сопла, включающем черновое шлифование канала крупнозернистым алмазным микропорошком и окончательную обработку, отличающийся тем, что окончательную обработку канала проводят путем натирки его поверхности натирочной шихтой, содержащей наноалмазный порошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем, при следующем соотношении компонентов, вес.%:The solution to the technical problem lies in the fact that in the method of processing the channel of the diamond insert of the nozzle, including rough grinding of the channel with coarse-grained diamond micropowder and final processing, characterized in that the final processing of the channel is carried out by rubbing its surface with a grinding mixture containing nanodiamond powder, iron and alloy powders aluminum with copper or nickel, in the following ratio, wt.%:

наноалмазный порошок nanodiamond powder 2,0÷3,02.0 ÷ 3.0 порошок железа iron powder 10÷13,010 ÷ 13.0

порошок сплава Аl с Сu или Ni - 85,0÷88,0, при этом окончательной обработке подвергают поверхность канала, полученную в результате чернового шлифования.the powder of the Al alloy with Cu or Ni is 85.0 ÷ 88.0, while the surface of the channel obtained by rough grinding is subjected to final processing.

Сущность способа обработки канала алмазной вставки сопла заключается в том, что черновое шлифование проводят крупнозернистым алмазным микропорошком. Крупные алмазные микропорошки оставляют на обработанной поверхности следы обработки в виде рисок, которые при окончательной обработке - натирке заполняются материалом, содержащим наноалмазный порошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем. В результате такой обработки, получается достаточно гладкая поверхность, которая способствует формированию газо- и гидроабразивной струи постоянного давления и которая имеет высокую скоростью истечения из канала вставки без раздробления и распыления. Кроме того, заполнение рисок материалом, содержащим нанопорошки алмаза, повышает износостойкость обработанной поверхности. Способ позволяет получить гладкую износостойкую поверхность канала без необходимости многоэтапной ее обработки алмазными микропорошками разной зернистости для доведения глубины рисок, получаемых после каждого этапа обработки, до минимального размера.The essence of the method for processing the channel of the diamond insert of the nozzle is that rough grinding is carried out with coarse diamond micropowder. Large diamond micropowders leave traces of processing in the form of patterns on the treated surface, which are filled with a material containing nanodiamond powder, powders of iron and an alloy of aluminum with copper or nickel on the finished surface. As a result of this treatment, a fairly smooth surface is obtained, which contributes to the formation of a gas and hydroabrasive jet of constant pressure and which has a high flow rate from the insertion channel without fragmentation and spraying. In addition, filling the chisels with a material containing diamond nanopowders increases the wear resistance of the treated surface. The method allows to obtain a smooth wear-resistant surface of the channel without the need for multi-stage processing with diamond micropowders of different grain sizes to bring the depth of the patterns obtained after each processing step to a minimum size.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

В алмазной вставке, которая может быть изготовлена из любого алмазосодержащего материала, вначале формируют канал любым известным способом, например лазерным или электроискровым сверлением. Затем проводят обработку канала. На первом этапе проводят черновое шлифование канала крупнозернистым алмазным микропорошком. Шлифование выполняют, преимущественно, инструментом в виде иглы или проволоки, шаржированным крупнозернистым алмазным микропорошком или с подачей суспензии или пасты в зону обработки. Инструменту и вставке сообщают взаимные рабочие движения, в результате чего происходит съем материала с обрабатываемой поверхности, оставляя на поверхности следы обработки в виде рисок. На этапе чернового шлифования используют крупнозернистый алмазный микропорошок, предпочтительно, зернистостью 60/40-40/28. Зернистость алмазного микропорошка при черновой обработке выбирается с учетом глубины рисок, оставляемых алмазным зерном. Чем большую глубину будут иметь риски, тем больше натирочного материала будет содержать поверхность канала. Непосредственно после чернового шлифования осуществляют окончательную обработку, заключающуюся в заполнении рисок натирочным материалом. В качестве натирочного материала берут натирочную шихту, содержащую наноалмазный порошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем, при следующем соотношении компонентов, вес.%: наноалмазный порошок - 2,0-3,0; порошок железа - 10-13,0; порошок сплава (Аl-Сu) или (Аl-Ni) - 85,0-88,0. Наноалмазы берут зернистостью до 100 нм, порошки железа - зернистостью 4-8 мкм, порошки сплава медь-алюминий - зернистостью 10 мкм. Зернистость порошков выбирают из условия размещения их в рисках, полученных при черновом шлифовании алмазным микропорошком зернистостью 60/40-40/28. Порошки тщательно перемешивают, разбавляют спиртом до консистенции, при которой не будет происходить расслоение шихты. Шихту и спирт берут примерно в соотношении 2:1. Натирку производят проволокой, при подаче натирочной шихты в зону обработки. При взаимном перемещении инструмента и вставки натирочная шихта попадает в риски, полностью их заполняет до уровня максимальных выступов шероховатости поверхности, полученных в результате черновой обработки. Поверхность канала алмазных вставок сопла, которое применяют для гидроабразивной обработки, натирают составом шихты, содержащим алюминий - никель, а поверхность канала алмазных вставок сопла, которое применяют для газоабразивной обработки, натирают любым из предложенных сплавов.In a diamond insert, which can be made of any diamond-containing material, the channel is first formed by any known method, for example, by laser or electric spark drilling. Then carry out the processing of the channel. At the first stage, rough grinding of the channel with coarse-grained diamond micropowder is carried out. Grinding is carried out mainly with a tool in the form of a needle or wire, sharpened with coarse-grained diamond micropowder, or with the supply of a suspension or paste to the treatment zone. Mutual working movements are reported to the tool and insert, as a result of which material is removed from the surface being treated, leaving traces of processing in the form of marks on the surface. In the rough grinding step, coarse-grained diamond micropowder is used, preferably with a grain size of 60 / 40-40 / 28. The roughness of the diamond micropowder during roughing is selected taking into account the depth of the patterns left by the diamond grain. The greater the depth of risk, the more rubbing material the channel surface will contain. Immediately after rough grinding, the final processing is carried out, which consists in filling the rice with rubbing material. As a rubbing material take a rubbing mixture containing nanodiamond powder, powders of iron and an aluminum alloy with copper or nickel, in the following ratio of components, wt.%: Nanodiamond powder - 2.0-3.0; iron powder - 10-13.0; alloy powder (Al-Cu) or (Al-Ni) - 85.0-88.0. Nanodiamonds are taken with a grain size of up to 100 nm, iron powders with a grain size of 4-8 μm, and powders of a copper-aluminum alloy with a grain size of 10 μm. The granularity of the powders is chosen from the conditions of their placement in the risks obtained by rough grinding with diamond micropowder with a grain size of 60 / 40-40 / 28. The powders are thoroughly mixed, diluted with alcohol to a consistency at which there will be no separation of the charge. The charge and alcohol are taken approximately in a ratio of 2: 1. Grating is performed by wire, when applying the grate charge to the treatment zone. When moving the tool and the insert, the rubbing mixture falls into risks, completely fills them to the level of maximum protrusions of the surface roughness obtained as a result of roughing. The surface of the channel of the diamond nozzle inserts, which is used for waterjet processing, is rubbed with a charge composition containing aluminum-nickel, and the surface of the channel of the diamond nozzle inserts, which is used for gas-jet treatment, is rubbed with any of the proposed alloys.

Состав натирочной шихты обеспечивает возможность его легкого введения в следы черновой обработки на поверхности канала и прочного его удерживания. Медь или никель в сплаве с алюминием берут в соотношении, при котором сплав будет приобретать достаточную пластичность при температурах, возникающих в зоне натирки для введения его в риски вместе с остальными компонентами шихты. Соотношение компонентов в сплаве зависит от обрабатываемого материала, режимов и условий обработки. Оно должно обеспечить пластическое состояние сплава при температурах, возникающих при натирке с учетом вышеперечисленных условий, и может быть определено экспериментально, либо по диаграмме состояния сплава. Порошок железа обеспечивает лучшее удерживание натирочного состава, за счет его химического взаимодействия с алмазным материалов при температурах натирки. Железо содержится в шихте в количестве 10,0-13,0 вес.% Содержание в шихте железа более 13 вес.% приведет к уменьшению пластичности сплава, а уменьшение содержания железа приведет к ослаблению адгезии сплава к алмазу. Алмазный нанопорошок является упрочняющей фазой натирочного материала, способствующей повышению твердости и износостойкости материала. Введение алмазного микропорошка в количестве более 3,0 вес.% невозможно, т.к. объемное содержание алмазного микропорошка будет слишком велико. Содержание наноалмазного микропорошка меньше 2 вес.% не приведет к желаемым результатам. Порошок сплава содержится в шихте в количестве 85,0-88,0 вес.%. Увеличение количества сплава соответственно уменьшит количество остальных компонентов шихты, которые выполняют определенные функции, а при уменьшении количества сплава шихта не будет иметь достаточной пластичности, обеспечивающей внедрение остальных компонентов шихты в следы черновой обработки.The composition of the rubbing charge provides the possibility of its easy introduction into the traces of roughing on the surface of the channel and its strong retention. Copper or nickel in the alloy with aluminum is taken in the ratio at which the alloy will acquire sufficient ductility at temperatures that arise in the rubbing zone to introduce it at risk along with the other components of the charge. The ratio of components in the alloy depends on the material being processed, the modes and processing conditions. It should ensure the plastic state of the alloy at temperatures that occur during rubbing, taking into account the above conditions, and can be determined experimentally, or from the state diagram of the alloy. Iron powder provides better retention of the rubbing composition due to its chemical interaction with diamond materials at rubbing temperatures. Iron is contained in the charge in an amount of 10.0-13.0 wt.%. An iron content of more than 13 wt.% Will reduce the ductility of the alloy, and a decrease in the iron content will weaken the adhesion of the alloy to diamond. Diamond nanopowder is a hardening phase of the rubbing material, contributing to an increase in the hardness and wear resistance of the material. The introduction of diamond micropowder in an amount of more than 3.0 wt.% Is impossible, because the volumetric content of diamond micropowder will be too high. The content of nanodiamond micropowder less than 2 wt.% Will not lead to the desired results. The alloy powder is contained in the charge in an amount of 85.0-88.0 wt.%. An increase in the amount of alloy will accordingly reduce the number of other components of the charge, which perform certain functions, and with a decrease in the amount of alloy, the charge will not have sufficient ductility to ensure the introduction of the remaining components of the charge into the traces of roughing.

В качестве алмазного материала для изготовления вставки сопла могут быть использованы алмазные поликристаллы, полученные синтезом алмаза в камерах высокого давления и температур в присутствии металлов-каталлизаторов, алмазные композиционные материалы, полученные спеканием алмазных порошков и связующего материала при высоких давлениях и температурах, а также спеканием алмазных порошков и связующего материала в условиях обычных давлений и температур. Могут быть использованы и другие алмазные материалы. Такой вид обработки может быть использован для обработки канала вставки сопла, изготавливаемого из других неалмазных материалов, например из керамика и т.п.As the diamond material for the manufacture of the nozzle insert, diamond polycrystals obtained by synthesis of diamond in high pressure and temperature chambers in the presence of metal catalysts, diamond composite materials obtained by sintering diamond powders and a binder material at high pressures and temperatures, and also sintering diamond can be used powders and a binder under ordinary pressures and temperatures. Other diamond materials may be used. This type of processing can be used to process the nozzle insertion channel made of other non-diamond materials, such as ceramic, etc.

Таким образом, при обработке канала алмазной вставки сопла черновым шлифованием крупнозернистым алмазным микропорошком и натиркой шлифованной поверхности натирочным материалом, в состав которого входит алмазный нанопорошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем, позволяет существенно снизить трудоемкость обработки канала вставки, за счет исключения поэтапной обработки поверхности алмазными микропорошками разной зернистости, увеличить износостойкость поверхности канала, и, как следствие, обеспечить возможность повышения скорости струи, и уменьшить потери энергии струи за счет исключения образования турбулентныъ вихрей.Thus, when processing the channel of the diamond insert of the nozzle by rough grinding with coarse-grained diamond micropowder and rubbing the polished surface with rubbing material, which includes diamond nanopowder, powders of iron and an alloy of aluminum with copper or nickel, it can significantly reduce the complexity of processing the channel of the insert, by eliminating the phased surface treatment with diamond micropowders of different grain sizes, to increase the wear resistance of the channel surface, and, as a result, to provide the opportunity to increase eniya jet velocity, the jet and reduce the energy loss due to elimination of the formation of vortices turbulentny.

Claims (1)

Способ обработки канала алмазной вставки сопла для газо- и гидроабразивных устройств, включающий черновое шлифование канала крупнозернистым алмазным микропорошком и окончательную обработку поверхности канала, отличающийся тем, что окончательную обработку поверхности канала проводят путем натирки его поверхности натирочной шихтой, содержащей наноалмазный порошок, порошки железа и сплава алюминия с медью или никелем при следующем соотношении компонентов, вес.%:
наноалмазный порошок 2,0-3,0 порошок железа 10-13,0 порошок сплава (Al-Cu) или (Al-Ni) 85,0-88,0 A method of treating a channel of a diamond insert of a nozzle for gas and waterjet devices, including rough grinding the channel with coarse-grained diamond micropowder and final processing of the channel surface, characterized in that the final processing of the channel surface is carried out by rubbing its surface with a rubbing mixture containing nanodiamond powder, iron and alloy powders aluminum with copper or nickel in the following ratio, wt.%:
nanodiamond powder 2.0-3.0 iron powder 10-13,0 alloy powder (Al-Cu) or (Al-Ni) 85.0-88.0