Способ определения кристаллографических осей алмазов при их механической обработке

 

Использование: в области обработки твердых материалов с анизотропными свойствами, в частности при механической обработке алмазов. Сущность: алмаз и обрабатывающий инструмент приводят в контакт и сообщают им относительные перемещения. Измеряют параметр, характеризующий их физическое взаимодействие. В качестве параметра выбирают параметры волнового процесса, генерируемого в зоне взаимодействия алмаза с инструментом. Определяют зависимость значений указанных параметров от угла ориентации алмаза относительно обрабатывающей поверхности инструмента, находя значения углов, соответствующие максимальному и минимальному значениям параметров волнового процесса. По их минимальному значению фиксируют направление мягкой кристаллографической оси, а по максимальному - твердой. Целесообразно в качестве параметров волнового процесса использовать параметры или акустической эмиссии, или электромагнитного излучения, или экзоэлектронной эмиссии. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к исследованиям структуры твердых материалов с анизотропными свойствами при их механической обработке, в частности при изготовлении изделий из алмазов, алмазного инструмента широкого профиля (режущего инструмента для механической обработки материалов, буровых долот для бурения скважин и т. д.).

Известно, что при обработке анизотропых материалов их необходимо ориентировать по векторам твердости таким образом, чтобы обработка кристаллов алмаза производилась в мягком направлении, а износ алмазного инструмента в процессе работы - в твердом направлении. Расчетные методы определения мягкого и твердого направлений справедливы только для редких крупных камней с правильной кристаллографией. Ориентация кристаллов алмаза по векторам твердости обычно производится либо на базе информации, полученной в процессе определения структуры алмаза, либо оценивается субъективно огранщиком в процессе обработки.

Известны рентгенографический и рентгеноскопический способы определения структуры алмаза, заключающиеся в том, что при прохождении рентгеновских лучей через кристаллические решетки алмаза на фотопленке или специальном экране регистрируется дифракционная картина, т. е. система точек, характеризующая расположение атомов в кристалле [1].

Однако рентгенографический способ трудоемок и малопроизводителен, так как связан с обработкой рентгеноснимков и расчетами. Рентгеноскопический способ более производителен и точен, поскольку при его применении дифракционная структура алмаза наблюдается визуально на флюоресцирующем экране и сравнивается с заранее заготовленным эталоном.

Однако оба описанных способа предусматривают определение структуры алмаза на предварительной, самостоятельной стадии, т. е. вне процесса обработки алмаза обрабатывающим инструментом. Использование информации, полученной такими способами в автоматизированном режиме процесса обработки, связано с использованием дорогостоящей аппаратуры.

Известен способ определения кристаллографических осей алмазов в ходе их обработки, основанный на получении информации о вертикальных перемещениях камня в процессе его взаимодействия с обрабатывающим инструментом от датчика вертикальных перемещений, закрепленного на камне [2].

Недостатком указанного способа являются большие затраты вpемени на его реализацию, а также низкая точность определения направлений векторов твердости, обусловленная неравномерным износом шлифовального круга.

Наиболее близким к изобретению является способ определения кристаллографических осей алмазов при их механической обработке, основанный на контроле изменения условий взаимодействия алмаза с обрабатывающим инструментом путем измерения параметра, характеризующего их физическое взаимодействие, по изменениям которого выбирают направление мягкой и твердой кристаллических осей [3].

В известном способе в качестве указанного выше параметра используют температуру, измеряемую с помощью термопары, установленной в зоне контакта.

Реализация описанного способа довольно трудоемка, что снижает его производительность, и, кроме того, способ не обеспечивает высокой точности определения структуры алмаза ввиду использования такого достаточно инерционного информативного параметра, как температура.

Помимо указанных недостатков способ не предупреждает нарушения структуры алмаза, поскольку поиск кристаллографических осей осуществляется не в режиме микроподачи алмаза, а в процессе взаимодействия его с инструментом в течение определенного времени, что отражается на качестве обработки.

Задачей изобретения является повышение производительности и точности определения структуры алмаза.

Это достигается тем, что в способе определения кристаллографических осей алмазов при их механической обработке, включающем взаимодействие алмаза с обрабатывающим инструментом в процессе перемещения их относительно друг друга и измерение параметра, характеризующего их физическое взаимодействие, по изменению которого выбирают направления мягкой и твердой кристаллографических осей, в качестве параметра, характеризующего физическое взаимодействие алмаза с обрабатывающим инструментом, выбирают параметры волнового процесса, регистрируют изменение указанных параметров в зависимости от угла ориентации алмаза относительно поверхности обрабатывающего инструмента и выбор направления мягкой и твердой кристаллографических осей осуществляют соответственно по минимальному и максимальному значениям параметров волнового процесса.

Целесообразно в качестве параметров волнового процесса использовать параметры или акустической эмиссии, или электромагнитного излучения, или экзоэлектронной эмиссии.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Возникающие в зоне взаимодействия шлифовального круга с алмазом процессы микроразрушения (резание, скалывание, разогрев и снятие микровыступов) приведет к генерированию высокочастотных волн механических напряжений, распространяющихся со скоростью звука в твердых телах (более 5 км/с). Частота волн напряжений превышает сотни килогерц. Каждая волна напряжений является источником трех типов волновых процессов - акустической эмиссии, электромагнитного излучения и экзоэлектронной эмиссии. Интенсивность волновых процессов прямо пропорциональна динамике изменения условий контактирования шлифовального круга и алмаза. Чем больше выделяется волновой энергии в единицу времени в зоне контактирования, тем хуже условия контакта, т. е. больше энергии затрачивается на процесс обработки.

Таким образом, определив зависимость параметров волновых процессов от угла ориентации алмаза на обрабатывающем круге, можно по этой зависимости определить направление твердой и мягкой оси на алмазе, которое будет соответствовать большей или меньшей энергоемкости процесса обработки. В качестве информативных параметров волновых процессов наиболее целесообразно использовать амплитуду сигналов или количество импульсов в единицу времени, так как они наиболее полно характеризуют энергоемкость процесса взаимодействия двух контактирующих тел.

На фиг. 1 изображена установка для обработки алмазов; на фиг. 2 - зависимость сигналов волновых процессов (ВП) от ориентации камня относительно поверхности обрабатывающего круга, где M - область минимального значения сигналов ВП, Т - область максимального значения сигналов ВП; на фиг. 3 - значения экспертных оценок кристаллографических свойств камней при их огранке, где ТМ - твердомягкая кристаллографическая ось; М - мягкая кристаллографическая ось. Т - твердая кристаллографическая ось.

Установка для обработки алмазов (фиг. 1) содержит заготовку 1 из анизотропного материала, например алмаза, приемный преобразователь сигналов ВП 2, закрепленный на шлифовальном столе 3, шлифовальный круг 4 и регистрирующую аппаратуру 5. На чертеже использованы следующие обозначения: x, y, z - система координат, связанная со шлифовальным кругом 4; ω - угловая скорость вращения шлифовального круга; О-А-Б - обозначения в системе координат, связанной с обрабатываемым алмазом; α - угол поворота оси x системы координат, связанной со шлифовальным кругом, относительно оси 0, связанной с обрабатываемым алмазом.

Способ реализуют следующим образом.

Камень устанавливается в цанге и закрепляется вместе с ней в приспособлении для огранки (на чертеже не показаны). Затем камень подводится к поверхности обрабатывающего диска 4 и слегка прижимается к нему с одновременным наложением на камень вращательных движений вокруг оси, перпендикулярной плоскости шлифования.

С помощью приемного преобразователя 2 регистрируют изменение параметров волновых процессов, например параметров акустической эмиссии, в зависимости от ориентации камня относительно поверхности обрабатывающего диска. Сигнал с приемных преобразователей поступает на вход блока обработки сигналов (на чертеже не показан), где формируется его аналоговое отражение в виде амплитуды или скорости счета, которые в графическом виде можно наблюдать на графопостроителе. При круговом вращении обрабатываемой плоскости камня, т. е. на ± 360^о (или ± 12 ч - по обозначениям, принятым в ювелирной промышленности), зависимость параметров ВП от ориентации камня может иметь произвольный вид (фиг. 2). Направления шлифования, соответствующие минимальным и максимальным значениям параметров волновых процессов запоминают.

Окончательную обработку алмазов ведут с учетом полученных значений параметров волновых процессов, а именно: шлифование производят по направлению, соответствующему минимальным значениям сигналов волновых процессов, измеренных в начале обработки, поскольку оно соответствует направлению мягкой кристаллической оси.

Как видно из сопоставления данных, представленных на фиг. 2 и фиг. 3, мягкое направление (М) на камне, определенное с помощью сигналов ВП, совпадает с мягким направлением, определенным с помощью квалифицированного эксперта.

При изготовлении режущего инструмента режущие элементы из алмаза, обработанные описанным способом, закрепляют в державке также с учетом информации о параметрах ВП, а именно таким образом, чтобы направление, обеспечивающее максимальное значение сигналов ВП, совпадало с направлением вдоль передней или задней режущей плоскости, перпендикулярной главной режущей кромке. В этом случае режущий инструмент при обработке будет подвержен минимальным изнашивающим воздействиям, что продлит срок его службы.

Таким образом, предлагаемый способ сокращает время и повышает точность определения кристаллографических осей алмазов, что в свою очередь обеспечивает повышение качества и производительности обработки алмазов. Кроме того, использование способа предупреждает нарушение структуры алмазов, поскольку поиск кристаллографических осей осуществляется практически при кратковременном шлифовании, т. е. в режиме микроподачи алмаза.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ОСЕЙ АЛМАЗОВ ПРИ ИХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ, при котором алмаз и обрабатывающий инструмент приводят в контакт, сообщают им относительные перемещения и измеряют параметр, характеризующий их физическое взаимодействие, по изменению которого выбирают направления мягкой и твердой кристаллографических осей, отличающийся тем, что в качестве параметра, характеризующего физическое взаимодействие алмаза с обрабатывающим инструментом, выбирают параметры волнового процесса, регистрируют изменение указанных параметров в зависимости от угла ориентации алмаза относительно рабочей поверхности обрабатывающего инструмента, а выбор направления мягкой и твердой кристаллографических осей осуществляют соответственно по минимальному и максимальному значениям параметров волнового процесса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров волнового процесса выбирают параметры акустической эмиссии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров волнового процесса выбирают параметры электромагнитного излучения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров волнового процесса выбирают параметры экзоэлектронной эмиссии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3