ES2682921T3 - Procedimiento para procesar superficies cilíndricas de piezas de zafiro, un par de pistones de zafiro y una bomba de dosificación basada en los mismos - Google Patents

Procedimiento para procesar superficies cilíndricas de piezas de zafiro, un par de pistones de zafiro y una bomba de dosificación basada en los mismos Download PDF

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Abstract

Procedimiento de mecanizado de superficies cilíndricas de piezas de cristal basado en la modificación α del óxido de aluminio con el logro de una rugosidad superficial Ra de 0,2-0,5 nm (2-5 Å) que comprende: la perforación de las piezas de trabajo preliminares de piezas de cristal basado en la modificación α del óxido de aluminio usando herramientas de diamantes, el mecanizado en tres etapas de la superficie con las herramientas de diamantes en presencia de fluidos lubricantes con la reducción sucesiva del tamaño de grano abrasivo a 125/100 y/o 100/80 μm, el alivio de la tensión interna en piezas de trabajo mediante recocido en el horno de mufla, el mecanizado de la superficie con pulidoras de mano o ruedas de pulido semiblandas o blandas con tamaño de grano de diamante de 5/3 μm y/o 1/0 μm sobre aceite de reloj, el pulido triboquímico de la superficie con compuestos de pulido basados en SiO2 coloidal .

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para procesar superficies cilmdricas de piezas de zafiro, un par de pistones de zafiro y una bomba de dosificacion basada en los mismos
El conjunto de invenciones esta relacionado con dispositivos, particularmente, con elementos de bomba y con bombas dosificadoras basadas en elementos de bomba, y tambien con la fabricacion de dispositivos y de piezas de estos, particularmente, con el mecanizado de superficies cilmdricas de las piezas de zafiro. El grupo de invenciones puede usarse en cualquier campo tecnico en el que se utilicen elementos de bomba, incluyendo componentes de dispositivos de bombeo y/o de dosificacion (bombas dosificadoras), particularmente en las industrias farmaceutica, de procesamiento de alimentos, qmmica, de perfumena, cosmetica, de ingeniena y en otras industrias.
Ahora, la mayona de las bombas dosificadoras para las industrias farmaceutica y de procesamiento de alimentos comprenden elementos de bomba de varios materiales metalicos y ceramicos (vease, por ejemplo, los documentos US4273263 A, 16.06.1981; DE2723320 C2, 04.11.1982; FR2797046 A1, 02.02.2001).
Pero, con las bombas dosificadoras con elementos de bomba metalicos y ceramicos, existe el problema del roce de piezas. Se forman partmulas mas pequenas del material de estas piezas debido a la friccion de las piezas en contacto, que contaminan los lfquidos a dosificar, lo que es especialmente indeseable en la industria farmaceutica. Ademas, debido a que las piezas que rozan se desgastan, el volumen a dosificar cambia, lo que tampoco es permisible para la dosificacion de alta precision. Ademas, las bombas dosificadoras en las industrias farmaceutica y de procesamiento de alimentos debenan soportar la exposicion a largo plazo a factores operativos agresivos, en particular, al procedimiento de esterilizacion.
Puede lograrse una resistencia al desgaste significativamente mayor con la fabricacion de piezas de elementos de bomba de cristales, en particular, de cristales basados en la modificacion a del oxido de aluminio (a-A^O3, tambien conocido como corindon).
El estudio realizado ha demostrado que, por ejemplo, el leucozafiro (que es la version del a-A^O3) dirigido hacia el eje de referencia [0001] tiene una resistencia al desgaste 10 veces mayor que la del recubrimiento de cromo, y 5 veces mayor que la de las ceramicas de corindon.
Ademas, el leucozafiro es transparente dentro del amplio dominio de la longitud de onda, tiene escasa dispersion de la luz y alta homogeneidad optica, alta resistencia a la radiacion y baja tension interna, y alta resistencia a los medios agresivos. La transparencia del leucozafiro es la ventaja adicional que ofrece la posibilidad de controlar visualmente la presencia/ausencia de burbujas durante el funcionamiento de las bombas dosificadoras, lo que es importante para la dosificacion de alta precision.
Como dicta la tecnologfa, las piezas de los elementos de bomba se fabrican de cristal de leucozafiro (RU2240733 C1,27.11.2004) Este es el prototipo de la presente invencion. La desventaja de este prototipo es la gran rugosidad superficial. De acuerdo con una evaluacion realizada por el autor de la presente invencion sobre la base del conocimiento utilizado en la solucion de ingeniena del procedimiento de mecanizado de superficies cilmdricas de piezas de elementos de bomba de zafiro, la rugosidad superficial Ra de la superficie de las piezas de los elementos de bomba de zafiro supera 5 pm. La alta rugosidad superficial de las piezas que rozan conduce a una mayor fuerza de friccion entre ellas que a su vez da lugar a un mayor desgaste de las piezas que rozan y, de forma correspondiente, afecta a la consistencia de operacion y a la vida util de los elementos de bomba y de las bombas dosificadoras basadas en elementos de bomba.
La tarea que este grupo de invenciones ha de resolver radica en el desarrollo del procedimiento de mecanizado de superficies cilmdricas de zafiro que permite obtener un nivel de rugosidad superficial Ra de 0,2-0,5 nm (2-5 A) y en la fabricacion mediante este procedimiento de elementos de bomba de zafiro con un coeficiente de friccion mmimo.
El elemento de bomba consiste principalmente en un solo cristal de leucozafiro, pero tambien puede fabricarse de cristales basados en la modificacion a del oxido de aluminio (a-A^O3) con aditivos, por ejemplo, de cristal de color alejandrita, de rub rojo, de zafiro azul, de zafiro naranja, de padparadscha naranja, de zafiro amarillo, de zafiro verde, de zafiro rosa, de zafiro rojo oscuro, de zafiro violeta y otros.
La invencion se refiere a un procedimiento para mecanizar superficies cilmdricas de piezas de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio de acuerdo con la reivindicacion 1 y a un elemento de bomba que comprende al menos una pieza externa e interna de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio de acuerdo con la reivindicacion 7. Las piezas de trabajo preliminares, fabricadas con cristal de leucozafiro cultivado, con las tolerancias requeridas para el mecanizado posterior, se perforan usando una herramienta de diamante (conformado). Las unidades de ensamblaje principales de los dispositivos de bombeo y dosificacion de zafiro son las siguientes: la porcion (pieza) externa es el cilindro de zafiro (tambien conocido como caja, manguito o forro) y la porcion (pieza) interna es el embolo de zafiro (tambien conocido como piston o vastago). El cilindro de zafiro y el embolo de zafiro forman juntos el elemento de bomba. Por lo tanto, el elemento de bomba comprende al menos una pieza externa de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio y al menos una pieza interna de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio. Para algunos modelos de bombas dosificadoras, el diseno
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proporciona una compuerta de deslizamiento de zafiro (el segundo embolo actua como valvula de retencion).
Las piezas de trabajo de zafiro preliminares cilmdricas pueden obtenerse por dos procedimientos diferentes. En el primer procedimiento, se perforan piezas de trabajo cilmdricas de piston y de cilindro de zafiro a partir de un solo cristal de zafiro cultivado de una sola pieza. La perforacion se realiza con una corona de diamantes del diametro requerido con la debida cuenta para permitir un mecanizado posterior. La perforacion se realiza usando varios fluidos lubricantes. Estos pueden ser diferentes grados de aceites de corte sinteticos, por ejemplo, 5W-ADDINOL Super light 5W-40, OW CASTROL Formula SLXOW-30 y otros. El material restante se devuelve a la planta de fusion y crecimiento de cristales. El segundo procedimiento consiste en el aserrado de un “monocristal” de zafiro de una sola pieza (crecimiento mediante la tecnica Kyropoulos) o de un monolito "quilla" (crecimiento mediante la tecnica Bagdasarov) con discos de diamante para obtener bloques cuadrados. Posteriormente, estos bloques se mecanizan en equipos de mecanizado de rectificado con discos de diamante de grano grueso, es decir, se realiza un desbaste. El resultado son piezas de trabajo de zafiro cilmdricas desbastadas a maquina. Es preferible el primer procedimiento.
A continuacion, las piezas de trabajo se mecanizan en equipos de mecanizado de alta precision utilizando herramientas de diamante. En el procedimiento, se utilizan varios discos de diamante, coronas de diamantes y piedras afiladoras rodeadas de diamantes con diferentes tamanos de grano de diamante. En todos los procedimientos de mecanizado, se utilizan diversos fluidos lubricantes de forma obligatoria. Estos pueden ser diferentes grados de aceites de corte sinteticos, por ejemplo, 5W-ADDINOL Super light 5W-40, OW CASTROL Formula SLXOW-30 y otros
Posteriormente, las piezas de trabajo de zafiro se mecanizan con herramientas de diamante de granos de diamante mas pequenos. En esta fase de mecanizado, se logra una tolerancia minima a defectos para fases posteriores de mecanizado mas preciso y fino. El procedimiento puede realizarse en equipos de rectificacion de varios tipos y modificaciones, en particular, en la rectificadora circular multiusos modelo CG 2535-AL o CG 2550-AL, en la rectificadora semiautomatica circular multiusos modelo 3U12AAF11 con Unidad de Lectura Digital y en otros.
A continuacion, se realiza el mecanizado previo al acabado de las piezas de trabajo de leucozafiro con las herramientas de diamante de tamano de grano mmimo. Se utilizan discos de diamante con ligante M1 con un tamano de grano de 125/100 pm, 100/80 pm. El contenido es del 100 %, el grado del diamante es AC 15, AC 20, AC 32, la velocidad de la herramienta es de 5 m/s. En el procedimiento, se logra una rugosidad superficial Ra de 0,6 pm y la profundidad de la capa exterior es h=11 pm. La velocidad de eliminacion del producto alcanza 1,000 pm/min. Esta fase de mecanizado se realiza paso a paso usando herramientas de corte de diamante con una reduccion constante del tamano de grano de diamante de estas herramientas. Dependiendo de la pieza determinada a mecanizar, el mecanizado puede realizarse tanto en equipos sin centros como entre centros, como sabe cualquier experto en la materia.
Cuando los cristales simples entran en contacto con las herramientas de mecanizado, debe tenerse en cuenta la anisotropfa de las propiedades del leucozafiro. La mejora de la calidad del mecanizado se logra debido a la reduccion del corte con granos individuales de una herramienta.
Una vez finalizado el mecanizado previo al acabado, debe aliviarse la tension interna generada en las piezas de trabajo de zafiro para que no se produzca el agrietamiento del zafiro. Para esto, se utiliza la tecnica de recocido de las piezas de trabajo de zafiro. La pieza de trabajo se carga en un horno de mufla, en el que al calentarse por etapas a 700-800 °C durante 20-30 minutos, se produce un alivio de la tension interna. Posteriormente, el horno se apaga para un enfriamiento lento. Las piezas de trabajo enfriadas estan listas para un mecanizado de acabado adicional.
A continuacion viene el mecanizado de acabado, o el pulido qrnmico y mecanico. La rugosidad superficial Ra de 0,20,5 nm (2-5 A) de las caras de trabajo de los elementos de bomba de leucozafiro en las bombas dosificadoras de zafiro se logra de la siguiente manera. Las piezas sometidas a un mecanizado de preacabado sufren un pulido qrnmico y mecanico. El modo de cuasi moldeabilidad permite el mecanizado de superficies con una rugosidad de 210 nm, la eliminacion es de 0,4 pm/min y el mecanizado se realiza con una rueda de pulido de tela con un grano de diamante de 5/3 pm sobre aceite de reloj a una presion de 1,5 *10-2 KSS/mm2; en el pulido fino, el mecanizado se realiza con un grano de diamante de 1/0 pm sobre aceite de reloj, la eliminacion es de 0,1 pm/min, y el resultado del procedimiento es la llamada textura de superficie a nanoescala. Como herramienta de acabado, se utilizan pulidoras de mano y ruedas de pulido semiblandas y blandas. La pieza de trabajo de estas herramientas esta fabricada de materiales semiblandos y blandos como poliuretano, gamuza, fieltro, tela; los materiales mas preferidos son gamuza genuina y tela. Como material de pulido, se usan grados de aceite filtrados en arena altamente purificados.
Durante el pulido qrnmico y mecanico de las superficies de zafiro cilmdricas, se elimina la capa intermedia formada debido a la accion qmmica de los fluidos en lugar del material base. El procedimiento de grabado puede dividirse en las dos fases siguientes:
- difusion de complejos de aniones y cationes en la superficie del cristal;
- formacion de compuestos adsorbidos y eliminacion de la superficie del cristal.
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La rugosidad de las superficies mecanizadas se reduce y su textura y pureza mejoran:
- a medida que se reduce el tamano del grano de suspension de diamante;
- en la transferencia de herramientas de rectificado solido en operaciones de primera fase de pulido y de pulido fino a instrumentos de pulido flexibles y blandos de poliuretano, gamuza y fieltro en operaciones de mecanizado final;
- en la transferencia del corte abrasivo de diamante a la interaccion triboqmmica del compuesto de pulido, por ejemplo NALCO-2354, NALCO 2360 o Siopol-1 (V.V. Rogov. Fisicoqmmica en procedimientos de formacion de superficies funcionales de equipos electronicos y piezas de vidrio y de zafiro de sistemas opticos (a-A^Os) en el pulido triboqmmico. Materialmente Sverkhtvyordiye, 2009, N.°4, pag. 74-83; UA48581 A, l5.08.2002), con zafiro en la eliminacion de la tolerancia.
En el procedimiento, se logra una rugosidad minima Ra de 2-5 A de superficie cilmdrica maquinada y la pureza optica de clase mas alta P 0-10 (Norma estatal (GOST) 11141-84). Con eso, la tasa de solucion de grabado suministrada gota a gota a la rueda de pulido es de 25-45 gotas por minuto. Para obtener tales resultados, se usa uno de los dos tipos de compuestos de pulido:
1. Siopol-1 con licor coloidal agua-amomaco OSCh.6-3, pH 9.3 (V.V. Rogov. Fisicoqmmica en procedimientos de formacion de superficies funcionales de equipos electronicos y piezas de vidrio y de zafiro de sistemas opticos (a-AhOa) en el pulido triboqmmico. Materialmente Sverkhtvyordiye, 2009, N.° 4, pag. 74-83; UA48581 A, 15.08.2002)
2. Solucion de agua de sflice coloidal (S1O2) NALCO-2354, pH 10,85 o NALCO-2360, pH 8,54.
La rugosidad superficial Ra es de 0,2-0,5 nm (2-5 A). Todos los procedimientos de mecanizado, su alta precision geometrica de redondez, el paralelismo, la centricidad, la linealidad y la rugosidad superficial en todas las fases de fabricacion se monitorizan en pantallas electronicas de monitores de equipos de mecanizado de alta precision. La aceptacion final de la calidad de fabricacion se realiza en el laboratorio SGC utilizando instrumentos de medicion mecanicos y electronicos. El parametro Ra se mide utilizando instrumentos opticos sin contacto, en particular, MII-5, MII-10 y MII-15 (MII significa microscopio de interferencia de medicion), MPI (microscopio de interferencia de indicacion de rugosidad) y el sistema de analisis de doble haz FEI Helios 650 Nanolab para escanear microscopfa electronica e ionica (SEM: microscopfa de superficie con resolucion de menos de 0,7 nm).
Posteriormente, si es necesario, el vastago y el cilindro de zafiro se presionan sobre las piezas metalicas apropiadas usando una prensa mecanica manual. Las porciones auxiliares de los dispensadores, en particular, de los dispensadores para su fijacion a una maquina, para el prensado de zafiro sobre metal, consisten en acero inoxidable de grado medico preferentemente de grado AISI 316 L o de grado 12Kh18N10T.
Mediante el "procedimiento multietapa de pulido qmmico y mecanico" de las caras de trabajo de los elementos de bomba de zafiro descrito anteriormente, se logra el resultado tecnico de la invencion, es decir, la reduccion del coeficiente de friccion de las superficies que rozan, que a su vez permite reducir el desgaste de las piezas del elemento de bomba, aumentando asf la vida util de la bomba dosificadora basada en elementos de bomba, incluido el mantenimiento prolongado de la precision de dosificacion de los fluidos dispensados, que es especialmente importante en la industria farmaceutica cuando se dosifica un medicamento lfquido. La vida util esperada de las
bombas dosificadoras basadas en elementos de bomba de zafiro mecanizados mediante el "procedimiento
multietapa de pulido qmmico y mecanico" es de 25-30 anos que supera significativamente la vida util de las bombas dosificadoras comercialmente disponibles actualmente con elementos de bomba metalicos y ceramicos.
La realizacion a modo de ejemplo anterior no es limitativa, y un experto en la materia puede implementar otras realizaciones dentro de las reivindicaciones. Para los elementos de bomba y la bomba dosificadora basada en elementos de bomba reivindicados, las unicas caractensticas esenciales en la relacion de causa y efecto con el resultado tecnico que se logra son el material del que estan fabricadas las piezas del elemento de bomba-el de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio, preferentemente el monocristal de leucozafiro, y la rugosidad superficial Ra de 0,2-0,5 nm (2-5 A); todas las demas caractensticas, como la presencia de piezas adicionales, la geometna y los materiales de las piezas, excepto el material del cilindro y del piston, las caractensticas de diseno de las bombas dosificadoras, etc. no son esenciales para lograr el resultado tecnico reivindicado y un experto en la materia puede seleccionarlas a partir de opciones conocidas sobre la base de
principios de diseno conocidos. Para el procedimiento reivindicado de mecanizado de superficies cilmdricas de
piezas de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio con el logro de una rugosidad superficial Ra de 0,2-0,5 nm (2-5 A), las caractensticas esenciales en la relacion de causa y efecto con el resultado tecnico que se logra es la presencia de las siguientes fases y sustancias: perforacion de piezas de trabajo preliminares de piezas de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio utilizando herramientas de diamantes, mecanizado de la superficie en tres etapas con herramientas de diamantes en presencia de fluidos lubricantes con la reduccion sucesiva del tamano de grano abrasivo a 125/100 y/o 100/80 pm, alivio de la tension interna en las piezas de trabajo a traves del recocido en el horno de mufla, mecanizado de la superficie con pulidoras de mano o ruedas de pulido
semiblandas o blandas con tamano de grano de diamante de 5/3 pm y/o 1/0 pm sobre aceite de reloj, pulido triboqmmico de la superficie con compuestos de pulido basados en SiO2 coloidal. El presente procedimiento de mecanizado puede usarse tambien para otras superficies no planas de zafiro, por ejemplo para superficies esfericas.
El conjunto de invenciones cumple con los requisitos de unidad de la invencion, ya que el procedimiento de 5 mecanizado esta destinado a la fabricacion del elemento de bomba y de la bomba dosificadora basada en elementos de bomba, y el elemento de bomba esta concebido para su uso en la bomba de dosificacion.

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de mecanizado de superficies cilmdricas de piezas de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio con el logro de una rugosidad superficial Ra de 0,2-0,5 nm (2-5 A) que comprende: la perforacion de las piezas de trabajo preliminares de piezas de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio usando herramientas de diamantes, el mecanizado en tres etapas de la superficie con las herramientas de diamantes en presencia de fluidos lubricantes con la reduccion sucesiva del tamano de grano abrasivo a 125/100 y/o 100/80 pm, el alivio de la tension interna en piezas de trabajo mediante recocido en el horno de mufla, el mecanizado de la superficie con pulidoras de mano o ruedas de pulido semiblandas o blandas con tamano de grano de diamante de 5/3 pm y/o 1/0 pm sobre aceite de reloj, el pulido triboqmmico de la superficie con compuestos de pulido basados en SiO2 coloidal .
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio es el monocristal de leucozafiro.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio es el cristal con aditivos seleccionados del siguiente grupo: cristal de color alejandrita, rub rojo, zafiro azul, zafiro naranja, padparadscha naranja, zafiro amarillo, zafiro verde, zafiro rojo oscuro, zafiro violeta.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las piezas son el cilindro y el piston del elemento de bomba.
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo de la pulidora manual o del disco de pulido semiblandos o blandos esta fabricada de poliuretano, gamuza, fieltro o tela.
  6. 6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el NALCO-2354, NALCO-2360 o Siopol-1 se usa como compuesto de pulido basado en SiO2 coloidal.
  7. 7. Elemento de bomba que comprende al menos una pieza externa de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio y al menos una pieza interna de cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio; caracterizado porque una rugosidad Ra de las caras de trabajo en contacto de las piezas es de 0,2-0,5 nm (2-5 A).
  8. 8. Elemento de bomba de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio es el monocristal de leucozafiro.
  9. 9. Elemento de bomba de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el cristal basado en la modificacion a del oxido de aluminio es el cristal con aditivos seleccionados del siguiente grupo: cristal de color alejandrita, rub rojo, zafiro azul, zafiro naranja, padparadscha naranja, zafiro amarillo, zafiro verde, zafiro rojo oscuro, zafiro violeta.
  10. 10. Elemento de bomba de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que las piezas externa e interna son el cilindro y el piston, correspondientemente.
  11. 11. Bomba dosificadora que comprende el elemento de bomba de la reivindicacion 7.
  12. 12. Bomba dosificadora de acuerdo con la reivindicacion 11 para uso en la industria farmaceutica, de procesamiento de alimentos, qbmica, de perfumena, cosmetica o de ingeniena.
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