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"Procédé de fabrication d'outils abrasifs diamantés" .
La présente invention concerne la technologie des constructions mécaniques et notamment un procédé de fabrication d'outils abrasifs diamantés.
Les outils, fabriqués selon la présente invention et destinés à l'usinage du diamant, du verre, de la céramique ainsi que d'autres matériaux, sont utilisés dans les industries de la bijouterie, de l'optique mécanique, et du bâtiment.
On connalt un procédé de fabrication de disques diamantés ä facetter selon lequel on applique un mélange huileux ou graisseux contenant du diamant sur un disque métallique et on effectue le rechargement du disque en ce melange en frottant le disque par un élément en alliage dur tel qu'un rodoir en fonte portant ledit mélange. Pour le rechargement, on applique une charge statique sur l'element en alliage dur en le faisant tourner simultanement ä une fréquence de 2 à 40 tours par seconde ("Technologie du facettage des diamants en brillants."V. J.
Epifanov et autres. Moscou"Vyshaya shkola"p. 233, 1982).
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Ce procécé connu est caractérisé par un rendement médiocre car l'Operation de rechargement nécessite un temps allant jusqu'à 20 ä 30 minutes. En outre, le procédé ne permet pas d'assurer une haute concentration des grains de diamant dans le métal du disque et le taux requis de leur adhérence pendant le travail. 11 s'ensuit de basses caractéristiques du travail des disques de facettage ainsi qu'une consommation élevée de matériaux diamantés coûteux.
Ce procédé ne peut pas être utilise pour la fabrication de disques abrasifs, dont l'épaisseur est du même ordre de grandeur que la dimension d'un grain de diamant par suite de la déformation des disques.
On connatt également un procédé de fabrication d'un outil abrasif diamanté qui consiste à appliquer, sur une ébauche, une couche de poudre abrasive contenant des grains de diamant et ä exerçer ensuite une action (pression) sur toute la surface de cette ébauche à l'aide d'un poinçon en alliage dur. L'action du poinçon est de nature statique, la pression dépassant 400 ä 500 MPa.
Ce procédé connu ne permet pas lui non plus d'assurer un haut niveau d'adherence d'un grain de diamant au métal d'une ébauche car l'effet de son enfoncement n'est pas totalement réalisé.
Du fait que la direction de l'Implantation (enfoncement) d'un grain de diamant dans le substrat correspond A la direction de l'action de la charge statique qu'il a subie il s'avère impossible d'introduire dans une ébauche des grains de diamant en une concentration supérieure à 40% en volume. Les
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facteurs susmentionnés influent d'une manière défavorable sur les caractéristiques de travail de l'outil.
En outre, le procédé envisagé nécessite un matériel de pressage consommant une grande quantité d'énergie.
On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de fabrication d'outils abrasifs diamantés hautement productif et assurant a l'outil abrasif de hautes caractéristiques de travail par le choix des paramètres technologiques au stade de l'enfoncement des grains de diamant dans l'ébauche.
Le procédé de fabrication d'outils abrasifs diamantés selon l'invention consiste ä appliquer sur une ébauche, une couche de poudre abrasive, contenant des grains de diamant, ä exercer une action par pression sur l'ébauche du c8t6 oü elle est revêtue de ladite couche ä l'aide d'un élément en alliage dur pour enfoncer la poudre abrasive dans ladite ébauche en agissant sur l'ébauche d'une part par au moins une impulsion de l'ordre de 200 à 800 kN/s et d'autre part par un élément en alliage dur tournant ä une fréquence de 900 ä 2500 tours par seconde.
Cette action exercée sur l'ébauche assure les conditions les plus favorables pour l'enfoncement maximal possible des grains de diamant dans l'ébauche et leur forte adhérence. On a ainsi la possibilité de fabriquer un outil de faible épaisseur par exemple un outil ä tronçonner d'une épaisseur aussi faible que 0, 05 mm, la concentration en grains de diamant de la couche de travail allant jusqu'à 60 ä 65% en volume. En outre, la durée de vie de l'outil, fabriqué selon ce mode, croît de 40 à 45%, l'intensité de
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la coupe, par exemple du diamant, augmente de 50 ä 55% et le rendement de sa fabrication crott de 3 ä 4 fois.
Selon une variante de l'invention la couche de poudre abrasive est appliquée sur une ébauche en forme de disque circulaire plan, puis on confère ä celle-ci la forme d'un segment ou d'une calotte sphérique, dont le rayon de la sphère est de 3 à 10 fois le rayon du disque plan de depart.
En modifiant la forme de l'ébauche au stade de l'application de la poudre abrasive, on assure la répartition optimale en volume des grains de diamant en élevant ainsi la durée de vie de l'outil.
Selon une autre variante de l'invention, on applique sur l'ébauche une poudre, dont la composition est (% en volume) : grains de diamant 20 ä 60 ; métal à basse température de complément fusion ä 100.
Selon encore une autre variante on applique la couche de poudre abrasive contenant des grains de diamant sur l'ébauche après que celle-ci ait été recouverte préalablement d'un métal à basse température de fusion.
En introduisant un métal ä basse température de fusion dans la charge ou en revêtant au préalable l'ébauche d'un métal à basse température de fusion, on élève, dans la structure d'un outil, la teneur en grains de diamant dont les dimensions sont supérieures ä 200 ä 250 pm en l'augmentant jusqu'à la concentration maximale possible.
Le procédé de l'invention peut être réalisé de la manière suivante.
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On applique une couche de poudre abrasive contenant des grains de diamant sur une ébauche. On installe, au-dessus de l'ébauche, du cote de la couche de poudre abrasive appliquée et ä son voisinage immédiat, un element en alliage dur, par exemple un plateau à base de carbure de Tungstène et on le met en rotation ä une fréquence de 900 ä 2500 tours par seconde.
On applique une impulsion de choc, comprise dans une gamme de 200 à 800 kN/s, à l'ébauche, du cote opposé ä celui ayant reçu la couche de poudre abrasive et sur toute sa surface, en assurant un déplacement de l'ébauche à haute vitesse en direction de l'element en alliage dur et la collision entre l'ébauche et l'element en alliage dur.
En agissant sur l'ébauche, l'impulsion de choc de la valeur susmentionnée assure, par les conditions de son contact avec l'element en alliage dur tournant ä grande vitesse, l'enfoncement des grains de diamant dans le métal de l'ébauche suivant une trajectoire complexe ä une profondeur suffisant ä leur fixation solide. Ceci permet d'augmenter la concentration des grains de diamant dans l'outil, de supprimer leur séparation en cours de travail, ce qui élève les caractéristiques de travail dudit outil.
En outre, la courte durée d'une impulsion de choc pour l'enfoncement des grains de diamant contribue ä l'elevation du rendement du procédé.
L'application de la matière pulvérulents sur la surface d'une ébauche peut être réalisée par formation libre par exemple par pulvérisation en s'aidant d'une grille. 11 est alors avantageux que la poudre soit apportée sur l'ebauche en forme de
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disque sensiblement plan circulaire et que l'ébauche soit tranformée sous la forme d'un segment ou d'une calotte sphérique dont le rayon atteint de 3 ä 10 fois le rayon initial du disque de départ puis ramenée ä un profil plan ou moins incurvé. On élève ainsi la solidité de la fixation des grains de diamant dans l'ébauche grâche au fluage plastique du métal de l'ébauche pendant l'enfoncement des grains de diamant.
L'augmentation du rayon du segment sphérique au-delà de la valeur la plus grande indiquée ne contribue pas à l'amelioration des caractéristiques de travail de l'outil alors que la diminution de ce même rayon au-dessous de la valeur la plus petite indiquée rend impossible de donner ä l'ébauche la forme désirée sans gaufrage.
Le procédé de l'invention permet d'utiliser une poudre abrasive avec différentes teneurs en grains de diamant dont les granulométries varient largement en fonction de l'outil ä fabriquer.
La poudre abrasive utilisée, a la gamme de composition suivante, (en % volume) : grains de diamant 20 ä 60 métal ä basse température complement de fusion ä 100.
Le métal ä basse température de fusion joue, au cours de la formation de la structure de la matière de l'outil, un role de liant qui contribue à l'adherence solide des grains de diamant, dont les granulométries dépassent 200 a 250 um.
11 est également possible d'atteindre le même resultat en appliquant au préalable un revêtement ou "placage" d'un métal à basse tempé-
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rature de fusion sur la surface de 1'débauche. Dans ce cas, il est indispensable de veiller ä ce que l'épaisseur de la couche du "placage" ne soit pas supérieure à la moitie de la dimension la plus petite des particules de diamant car dans le cas contraire on ne pourra pas obtenir leur enfoncement maximal
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dans l'ébauche.
On va décrire ci-dessous, des exemples concrets de réalisation du procédé revendiqué.
Exemple 1
On fabrique des disques abrasifs tronçonner utilisés pour le sciage des cristaux de diamant. Comme bauches, on utilise des disques
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d'acier de 80 mm de diamètre et de 0, 08 mm d'épaisseur.
On applique sur la surface de l'ébauche une poudre de diamant, dont la granulométrie est de 20/16 um, régulièrement ä l'aide d'une colle. On pose l'ébauche par son côté non revêtu de poudre de diamant sur la surface d'un élément élastique, par exemple en polyurethane, reposant lui-meme sur une plaque de cuivre. Dans ce cas, l'élément élastique et la plaque peuvent se déplacer parallèlement ä un meme axe. Ensuite, on dispose l'inducteur plat d'une installation magnétique ä action impulsionnelle au voisinage immédiat de la plaque de cuivre et sous
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elle.
On dispose au-dessus de l'ébauche, vis à vis de la couche diamantée, un plateau en alliage dur, par exemple du type WC-Co, et on le met en rotation autour d'un axe ayant la direction permise de déplacement de l'element élastique et de la plaque de cuivre ä une fréquence de 500 à 2500 tours par seconde. On effectue la décharge d'un accumulateur
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capacitif dans 1'installation magnétique à action impulsionnelle sur l'inducteur plat qui assure une action percutante impulsionnelle sur l'ébauche par l'intermédiaire de l'élément élastique et de la plaque de cuivre. La valeur d'une impulsion de choc
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est de 200 a 800 kN/s.
La collision de l'ébauche avec le plateau en alliage dur assure l'enfoncement et la fixation des grains de diamant dans l'ébauche.
Le plateau 1 ci-après donne les caractéristiques d'emploi des disques abrasifs à tronçonner fabriqués avec différents paramètres de réalisation
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Tableau 1 Caractéristiques Fréquence de rota- Valeur de l'im- tion du plateau en pulsion de choc tours par secondes en kN/s avec avec une impulsion une rotation du de choc de 200 KN/s plateau en alliage dur de
900 tours par seconde
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<tb>
<tb> 1500 <SEP> 2000 <SEP> 2500 <SEP> 200 <SEP> 400 <SEP> 600 <SEP> 800
<tb> intensité <SEP> de
<tb> soiage, <SEP> mm2/h <SEP> 34,1 <SEP> 35,2 <SEP> 35,4 <SEP> 32,5 <SEP> 35,2 <SEP> 38,3 <SEP> 38,9
<tb> Surface <SEP> totale
<tb> du <SEP> sciage, <SEP> mm2 <SEP> 43, <SEP> 2 <SEP> 45, <SEP> 6 <SEP> 45, <SEP> 9 <SEP> 41, <SEP> 9 <SEP> 42, <SEP> 2 <SEP> 42, <SEP> 4 <SEP> 42,
<SEP> 8
<tb> Pertes <SEP> relatives <SEP> de <SEP> la
<tb> matière <SEP> première <SEP> ä <SEP> traiter, <SEP> % <SEP> 2,5 <SEP> 2,6 <SEP> 2,5 <SEP> 2,5 <SEP> 2,4 <SEP> 2,5 <SEP> 2,6
<tb> ----------------------------------------
<tb>
Exemple 2
On fabrique des disques abrasifs ä tronçonner pour le sciage des cristaux de diamant. On utilise comme ébauches des disques en bronze de 50 mm de diamètre et de 0, 05 mm d'épaisseur.
Par la méthode de formation libre, on répartit régulièrement de la poudre de diamant sur la surface de 1 ' ébauche .
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On installe successivement dans un coffre ou carter un plateau de cuivre mobile, un élément élastique par exemple en Polyurethane et l'ébauche en bronze dont la face non couverte d'abrasif est en regard de l'element élastique. Ensuite, on place au-dessus de l'ébauche un plateau en alliage dur, dont la surface est concave suivant un rayon de 150 ä 500 mm et présente sa concavité vers la face de l'ébauche couverte d'abrasif. Ceci fait, on déclenche
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Q l'action d'un champ magnétique impulsionnel de 6. 108 A/m d'intensité sur le plateau de cuivre. Sous son action, l'ébauche prend la forme d'un segment ou d'une calotte sphérique en assurant simultanément l'enfoncement partiel des grains de diamant dans celle-ci.
Ensuite, on remplace le plateau à profil sphérique par un plateau plat en alliage dur qu'on met en rotation à la fréquence de 1000 tours par seconde ; ensuite on applique ä nouveau l'action
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magnétique impulsionnelle sur le plateau de cuivre. magne La valeur d'une impulsion de choc transmise à l'ébauche est de 450 kN/s.
Les caracteristiques de travail des disques abrasifs ä tronçonner fabriques sont données dans le tableau 2 en fonction du rayon du segment ou de la calotte sphérique dont la forme a été imposée à l'embauche
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Tableau 2
Rayon du segment ou de la calotte Caractéristiques sphérique de 1 ' ébauche, mm
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<tb>
<tb> 150 <SEP> 200 <SEP> 300 <SEP> 350 <SEP> 400 <SEP> 500
<tb> Intensité <SEP> de
<tb> sciage, <SEP> mm2/h <SEP> 33, <SEP> 2 <SEP> 34, <SEP> 8 <SEP> 35, <SEP> 3 <SEP> 36, <SEP> 2 <SEP> 36, <SEP> 7 <SEP> 36, <SEP> 9
<tb> Surface <SEP> totale
<tb> du <SEP> sciage, <SEP> mm2 <SEP> 40, <SEP> 5 <SEP> 43, <SEP> 3 <SEP> 43, <SEP> 1 <SEP> 43, <SEP> 3 <SEP> 43, <SEP> 5 <SEP> 43,
<SEP> 8
<tb> Pertes <SEP> relatives
<tb> de <SEP> la <SEP> matière
<tb> première <SEP> ä
<tb> traiter, <SEP> % <SEP> 2, <SEP> 6 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP> 2, <SEP> 4
<tb>
Exemple 3
On fabrique des disques abrasifs pour tron- çonner un plat de 40 mm d'épaisseur de"textolite" (plastique stratifié qui peut être arme). On utilise comme ébauches des disques d'acier de 200 mm de diamètre et de 1, 0 mm d'épaisseur.
On pulvérise une charge constitutée d'une
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poudre de diamant, dont 5 a granulométrie est de 315/250 um et d'une poudre d'étain, dont les grains sont de 300 à 320 pm, régulièrement sur la surface de l'ébauche. Ensuite, on dispose un plateau plat en alliage dur (WC-Co) au-dessus de l'ébauche au voisinage immédiat de la couche de poudre abrasive et on le met en rotation ä la fréquence de 1500 tours par seconde. Ceci fait, on applique une impulsion de
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choc de 650 kN/s à l'ébauche sur sa face non garnie de poudre abrasive au moyen d'une installation hydraulique ä percussion.
La collision de l'ébauche avec le plateau en alliage dur en rotation assure l'enfoncement des grains de diamant dans l'ébauche. La fixation des grains de diamant dans l'ébauche est réalisée grâce à leur enfoncement dans le corps de l'ébauche, l'étain de la charge qui fond ou flue dans les conditions mécaniques et physiques qui lui sont imposées faisant fonction de brasure.
Les caractéristiques de travail des disques abrasifs sont données dans le tableau 3 en fonction du rapport des grains de diamant et d'étain pour une vitesse de coupe de 60 m/s et une avance de 0, 6 mm par tour.
Tableau 3
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<tb>
<tb> Teneur <SEP> de <SEP> la <SEP> charge <SEP> en <SEP> grains <SEP> de
<tb> Caractéristiques <SEP> diamant <SEP> (l'étain <SEP> faisant <SEP> le <SEP> complément <SEP> ä <SEP> 100%) <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> volume
<tb> 20 <SEP> 30 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 60
<tb> Résistance <SEP> ä
<tb> l'usure, <SEP> mg/m2 <SEP> 0, <SEP> 41 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 0, <SEP> 60 <SEP> 0, <SEP> 69 <SEP> 0, <SEP> 72
<tb> surface <SEP> totale <SEP> du
<tb> traitement, <SEP> m2 <SEP> 8020 <SEP> 8350 <SEP> 9126 <SEP> 9200 <SEP> 9280
<tb>
Exemple 4
On fabrique des disques ä trongonner des pièces de "textolite" de 50 mm d'épaisseur. Comme ébauches. On utilise des disques d'acier de 200 mm de
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diamètre et de 1, 0 mm d'épaisseur.
On recouvre d'abord les ébauches d'une couche d'étain de 18 um d'épaisseur. On apporte la charge constituée par une poudre de diamant de granulométries de 400/250 juni et 63/40 pm et une poudre d'étain (le rapport des constituants de la charge étant respectivement de 30 : 30 : 40) sur la surface de l'ébauche. Ensuite, on réalise les opérations de manière analogue au cas décrit dans l'exemple 3.
La résistance des disques fabriqués est de 0, 83 mg/m2 et la surface de 1'usinage de"textolite" est de 9290 m2.
Exemple 5 On fabrique des disques abrasifs pour le surfaçage des cristaux de diamant. A cet effet, on applique une poudre de diamant de granulométrie 50/40 jus sur une ébauche d'acier. On dispose le plateau en alliage dur (WC-Co) au voisinage immédiat de la surface de l'ebauche recouverte du produit abrasif et on le met en rotation ä la fréquence de 2200 tours par seconde. On exerce une action d'impulsion de choc de 750 kN/s sur la face de l'ébauche non garnie de produit abrasif à l'aide d'une istallation pneumatique à percussion.
Après la collision de 1 ' ébauche avec le plateau tournant, une couche contenant des grains de diamant se forme dans une zone voisine de la surface de l'ébauche, la concentration en grains de diamant y atteignant 60% en volume.
L'intensité de rectification de l'outil ainsi produit est de 1, 9 ä 2, 0 mg/mn.