СПОСОБ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА Российский патент 2001 года по МПК B28D5/00 B24B9/16 

Изобретение относится к технологии обработки кристаллов алмаза с выбором вектора "мягкого" (оптимального) направления шлифования плоскостей и может быть использовано в гранильной промышленности.

Известны способы выбора направления "мягкого" (оптимального) шлифования плоскостей кристаллов алмаза, основанные на определении количества удаляемого материала алмаза за единицу времени, температуры, до которой нагревается кристалл алмаза в процессе шлифования [1], величины силы трения в зоне обработки [2].

Недостатком этих способов является то, что для их реализации необходимы внешние датчики - преобразователи контролируемой величины (количество удаляемого материала алмаза, температура или величина силы трения) в выходной сигнал, используемый для управления технологическим процессом шлифования кристаллов алмаза в оптимальном направлении. Наличие подобных датчиков создает дополнительную погрешность в измерении контролируемой величины и снижает точность выбора направления оптимального шлифования плоскостей кристаллов алмаза, что усложняет технологический процесс обработки, особенно морфологически сложного сырья.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является способ ориентации алмаза при обработке по минимальным сигналам акустической эмиссии в зоне шлифования [3].

Недостатком данного способа является то, что он недостаточно надежен и требует определенных режимов обработки. Наличие пьезоэлемента также вносит дополнительную погрешность в выбор направления "мягкого" (оптимального) шлифования.

Задачей изобретения является повышение технологичности обработки морфологически сложного алмазного сырья и точности выбора вектора "мягкого" направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе обработки кристаллов алмаза, который включает выбор вектора "мягкого" направления шлифования плоскостей, обработку осуществляют в направлении, имеющем наибольшую величину трибоэдс в зоне шлифования.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

В отличие от известных способов в предлагаемом изобретении датчиком "мягкого" направления шлифования является сам кристалл алмаза.

Механическое шлифование кристалла алмаза сопровождается хрупким разрушением и пластической деформацией, которые приводят к образованию и движению дислокаций. Дислокации создают в запрещенной зоне зонной диаграммы алмаза ряд близко расположенных акцепторных уровней. При этом влияние дислокаций на проводимость приповерхностной области кристалла алмаза тождественно легированию примесными атомами. Имеет место так называемое "дислокационное" легирование алмаза. Примесь имеет акцепторный характер. Температура в зоне шлифования достигает 300. . .700^oC, поэтому часть электронов из валентной зоны алмаза переходит на акцепторные уровни. Акцепторы, в целом электронейтральные, становятся отрицательно заряженными. Отрицательные заряды имеют фиксированное состояние, тогда как компенсирующие их заряд положительно заряженные дырки - подвижное. Алмаз в приповерхностном слое зоны шлифования приобретает дырочную проводимость, то есть становится полупроводником p-типа.

С целью упрощения рассмотрения процесса возникновения трибоэдс остановимся на взаимодействии обрабатываемого алмаза с единичным резцом (алмазом). Предполагается, что твердость резца выше твердости алмазного сырья.

В исходном состоянии (резец неподвижен) в области контакта резец - кристалл алмаза образуется двойной электрический слой. При приложении к чугунному основанию усилия P и его перемещении со скоростью V начинается механическое удаление части слоя кристалла. При этом имеют место процессы хрупкого разрушения и пластической деформации, сопровождающиеся, как было уже сказано, "дислокационным" легированием. Под действием механической силы отрицательно заряженные микрочастицы, блоки, зерна и т. п. перемещаются по боковой поверхности резца к чугунному основанию. Движение отрицательно заряженных частиц образует электрический ток, направленный от чугунного основания к поверхности кристалла алмаза. Условие электрической нейтральности в двойном электрическом слое приводит к тому, что при механическом "выдавливании" из него определенного числа отрицательно заряженных частиц такое же количество электронов поступает из приграничной зоны. Поэтому поверхность кристалла алмаза относительно чугунного основания имеет положительную полярность. Таким образом, образуется трибоэдс. При относительно большом значении концентрации дырок начинается процесс их рекомбинации, возникает электрический ток рекомбинации, направленный навстречу электрическому току. В результате значение трибоэдс устанавливается на уровне
U_T = (I_T - I_R) • R_y,
где I_Т - электрический ток, направленный от чугунного основания к поверхности кристалла алмаза;
I_R - электрический ток рекомбинации;
R_y - сопротивление среды, расположенной между поверхностью кристалла алмаза и чугунным основанием.

В том случае, когда твердость резца равна твердости обрабатываемого алмазного сырья, хрупкого разрушения и пластической деформации, а также связанного с этими процессами дислокационного легирования нет, и трибоэдс отсутствует. Так как "твердое" и "мягкое" направления шлифования плоскостей кристалла алмаза существенно отличаются по твердости, то при обработке алмаза в "мягком" направлении шлифования значение трибоэдс будет существенно превышать значение в "твердом" направлении обработки. Ограночный диск можно представить состоящим из множества единичных резцов. Величина трибоэдс будет определяться некоторым усредненным значением по всем резцам диска. Таким образом будет достигнут технический результат, заключающийся в точности выбора вектора "мягкого" направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза по наибольшей величине трибоэдс в зоне шлифования, вследствие чего можно повысить технологичность обработки морфологически сложного алмазного сырья.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлены электрические процессы при механическом взаимодействии алмазного резца и обрабатываемого алмаза, где I_T - электрический ток, P - усилие, приложенное к чугунному основанию, V - скорость перемещения чугунного основания;
на фиг. 2 - блок-схема экспериментальной установки;
на фиг. 3 - график зависимости тока от направления шлифования в плоскости куба (100), где i - ток, протекающий по цепи диск-алмаз-цанга, мк; I - интенсивность шлифования кристалла алмаза 1 в относительных единицах в той же плоскости по данным [4]; α - угловое положение алмаза в плоскости шлифования, град; Δ - экспериментальные точки зависимости i (α).

Способ реализуется следующим образом.

Зависимость величины трибоэдс от направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза определяют косвенным методом: измеряют величину электрического тока, протекающего в замкнутой электрической цепи, состоящей из ограночного диска, кристалла алмаза и цанги. Для этого цангу 1 с закрепленной алмазной заготовкой 2 изолируют от цанги ограночного приспособления 3 термостойкой фторопластовой пленкой 4 толщиной 0,1 мм. Электрический контакт подводят к алмазной заготовке 2 следующим образом. Алмазную заготовку 2 устанавливают основанием на площадку медного винта 5, покрытого слоем графита 6 для образования надежного контакта. К медному винту 5 припаивают провод с фторопластовой изоляцией, который подключают к измерительной схеме. При шлифовании цангу 1 с алмазной заготовкой 2 вставляют в цангу ограночного приспособления 3. Ограночное приспособление устанавливают в механизм для подшлифовки алмазов и прижимают к ограночному диску, представляющему собой чугунное основание 7, на которое нанесен алмазоносный слой 8. При шлифовании образуется электрический контакт алмаз - ограночный диск, и в цепи протекает электрический ток i по направлению от цанги через микроамперметр к ограночному диску. Как показали экспериментальные исследования, зависимость регистрируемых токов от направления шлифования хорошо кореллирует с характером анизотропии интенсивности процесса шлифования.

Источники информации
1. Пат. N 3916573 США, МКИ³ В 24 В 9/16. Устройство для огранки драгоценного камня. - N 557666; Заяв. 12.03.75; Опубл. 04.11.75: НКИ 51-118.

2. Пат. N 2037196 Великобритания, МКИ³ В 24 В 9/16. Gem stone polishing machines/ Bonas Machine Co Ltd.- N 7942080; Заяв. 06.12.79; Опубл. 09.07.80; НКИ B 3 D.

3. Международная публикация N WO 96/16769, МКИ⁶ В 24 В 9/16, B 28 D 5/00, 06.06.96. Способ ориентации алмаза при обработке и устройство для его осуществления (варианты). - PCT/RU 95/00253; Заяв. 27.11.95; Приоритет 29.11.94; N 94042375 (RU) (прототип).

4. В.И. Епифанов, А.Е. Песина, Л.В. Зыков Технология обработки алмазов в бриллианты.- М., Высшая школа, 1976 г.

Изобретение относится к технологии обработки кристаллов алмаза с выбором вектора "мягкого" направления шлифования плоскостей. Технический результат - повышение технологичности обработки алмазного сырья и точности выбора вектора "мягкого" направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза. В способе обработки кристаллов алмаза, который включает выбор "мягкого" направления шлифования, обработку осуществляют в направлении, имеющем наибольшую величину трибоэдс в зоне шлифования. 3 ил.

Способ обработки кристаллов алмаза, включающий выбор "мягкого" направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза, отличающийся тем, что обработку осуществляют в направлении, имеющем наибольшую величину трибоэдс в зоне шлифования.