Алмазные инструменты

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНЫХ РЕЗЦОВ ДЛЯ ДЕЛИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

При автоматической обработке деталей для получе­ния большой точности геометрических размеров и вы­сокого класса чистоты поверхностей необходимо иметь такой режущий инструмент, который обладал бы высо­кой размерной стойкостью. Этим требованиям удовле­творяет алмазный режущий инструмент.

Алмазные инструменты из кристаллов алмаза ис­пользуются в металлообрабатывающей промышленно­сти для тонкого точения и растачивания, фрезерования, гравирования, волочения и резки стекла; в оптико-ме­ханической промышленности — для деления шкал, се­ток, лимбов, дифракционных решеток и т. д.

Разнообразие алмазного инструмента по величине, геометрической форме, точности изготовления и чисто­те поверхностей и т. д. требует в каждом отдельном случае специальных станков для обработки алмазных кристаллов и приборов для их контроля.

При изготовлении алмазного инструмента приходит­ся решать целый комплекс разнообразных вопросов, по­чти не освещенных в литературе, таких, как: отбор кристаллов алмаза; выбор геометрической формы алмазного резца; проектирование оборудования, пред­назначенного для заточки; разработка технологии изго­товления алмазных инструментов; выбор материала планшайбы и размера алмазной пудры для ее шаржи­рования и т. д.

Свойства алмазов

Алмаз представляет собой одну из модификаций уг­лерода кристаллического строения. В алмазе каждый атом углерода соединен одинаковыми силами с четырь­мя соседними симметрично расположенными атомами. Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии и отно­сится к тетраэдрическому виду симметрии с расстоя­нием между атомами 1,54А. Атомы углерода в струк­туре алмаза образуют ковалентные связи, характери­зующиеся тесным сближением между атомами и высо­кой электронной плотностью с явно выраженной напра­вленностью.

Благодаря ковалентным связям между атомами и большим сопротивлениям деформации тетраэдрических валентных углов алмаз обладает высокой твердостью, намного превышающей твердость других материалов, используемых для изготовления инструмента. Твердость граней алмаза неодинакова; наибольшую твердость имеют грани октаэдра.

Основные физико-механические свойства алмаза представлены в табл. 1.

Цвет алмаза зависит от вида и количества включе­ний, находящихся внутри кристалла. Наиболее часто встречаемые включения состоят из графита, рутила, ильменита и т. д. При сжигании алмаза получается зола, в состав которой входят кремний, кальций, алю­миний, магний и другие металлы. Оптически алмаз изо­тропен с показателем преломления 2,42.

Алмаз обладает малым линейным коэффициентом расширения, равным 0,00000132, и коэффициентом объемного расширения, равным 0,0000039. Это важное свойство алмаза позволяет использовать его в качестве инструмента.

При нагревании до 700° С наружные части кристал­ла алмаза постепенно превращаются в графит или аморфный углерод. Алмаз химически инертен, но при нагревании до температуры 750° С и выше в присутст­вии железа наблюдается растворение алмаза, что яв­ляется важным обстоятельством, которое необходимо учитывать при изготовлении алмазного инструмента.

В кристаллической решетке алмаза не имеется сво­бодных электронов, поэтому он является диэлектриком.

Физико-механические свойства алмаза

Характеристика

Известно, что голубые алмазы являются полупровод­никами. В настоящее время проводятся работы по улучшению полупроводниковых свойств алмаза путем искусственного диффундирования в обычные алмазы мельчайших алюминиевых частиц. Удельное электриче­ское сопротивление алмаза равно 5-10^й ом-см. При трении о шерсть алмаз заряжается положительным электричеством.

Необходимо отметить, что алмаз наряду с повышен­ной твердостью обладает высокой хрупкостью. Это

объясняется наличием плоскостей спайности, по кото­рым алмаз легко раскалывается. Наименьшая удельная поверхностная энергия плоскостей спайности для гра­ни октаэдра составляет 11400 арг/см², а для грани куба — 3944 арг/см².

Алмазы в большинстве представляют собой кристал­лы ромбододекаэдрического, октаэдрического или пере­ходного вида (рис. 1). К кристаллам октаэдрического вида относятся плоскогранные острореберные и с при­тупленными ребрами или со ступенчатыми и тонкосту­пенчатыми гранями алмазы. Кристаллы ромбододека­эдрического вида имеют поверхности со ступеньками, причем в зависимости от толщины ступенек грани могут быть резко исштрихованными или почти глад­кими

Как указывалось выше, твердость и износоустойчи­вость кристаллов алмаза объясняется прочностью свя- н'й атомов углерода в кристаллической решетке, причем твердость алмаза в различных направлениях неодина­кова.

На рис. 2 показаны схемы расположения атомов углерода в плоских сетках куба (рис. 2,а), ром- пододекаэдра (рис. 2, б) и октаэдра (рис. 2, в) и на-

ж)

Рис. 2. Расположение атомов углерода, направ-
ления наибольшей и наименьшей твердости и
расстояния между плоскими сетками в кубе,
ромбододекаэдре и октаэдре.

правления наименьшей (сплошная линия) и наиболь­шей (пунктирная линия) износостойкости (рис. 2, г, <>. с).

[3 плоской сетке куба (рис. 2, а) располагаются два .тюма, поэтому плотность его равна 2: а², где а — сто­рона элементарной ячейки. Плоская сетка ромбододе­каэдра (рис. 2, б) имеет плотность 4: а}/ 2, так как на плоскость, равную a j/2, приходится четыре атома.

На плоскую сетку октаэдра (рис. 2, в) площадью а²1/ 3 : 2 приходится два атома, поэтому плотность плос­кой сетки октаэдра равна 4: а²]/3.

Из приведенного анализа видно, что наибольшей плотностью обладают плоские сетки ромбододекаэдра, но пространственное расстояние между плоскими сет­ками октаэдра, ромбододекаэдра и куба различно (рис. 2, ж, з, и), причем пространственное расположение сеток октаэдра (рис. 2, ж) резко отличается от соответ­ствующих распределений сеток ромбододекаэдра (рис. 2, з) и куба (рис. 2, и), которые расположены на

расстоянии - (ромбододекаэдр) и а:4 (куб). Меж­плоскостное расстояние между двумя сближенными

1/3

сетками октаэдра равно JL_a, тогда как далеко от-

уз

стоящие сетки находятся на расстоянии —₄—а.

Вследствие малого расстояния между сближенными сетками октаэдра их практически можно рассматривать как одну утолщенную сетку, а следовательно, плотность такой сетки удвоится. Тогда плотность плоских сеток расположится по мере уменьшения следующим образом: октаэдр, ромбододекаэдр и куб.

Атомная плотность плоских сеток характеризует из­носостойкость их при шлифовании. Наиболее стойкими являются плоские сетки октаэдра, а затем ромбододе­каэдра и куба. Износостойкость алмаза в плоских сет­ках в различных направлениях неодинакова. В направ­лении близкого расположения атомов связь между ними сильная, а поэтому износостойкость наибольшая. Так, например, ребра куба сильно отклонены от направ­ления валентных связей, расстояние между атомами в этом направлении большое, а следовательно, кристаллы куба должны сравнительно легко обрабатываться вдоль его ребер.

Твердость и прочность алмазного зерна в различных направлениях может изменяться в 100—500 раз, т. е. алмазное зерно является резко анизотропным. Поэтому очень важно при изготовлении инструмента ориентиро­вать алмаз таким образом, чтобы кристалл обрабаты­вался в «мягком» направлении, а износ алмазного ин- прумента при эксплуатации происходил в «твердом» направлении.

Ориентация алмазного зерна по вектору твердости имеет исключительно большое практическое значение как в производстве, так и при эксплуатации алмазного инструмента. Особенно важно правильно устанавливать алмаз при изготовлении резцов, служащих для нанесе­ния штрихов дифракционных решеток.

В данной статье рассматриваются технологические особенности изготовления резцов, применяемых в дели­тельном деле. Алмазные резцы для деления, гравирова­ния и нарезания дифракционных решеток отличаются от опорных резцов геометрическими параметрами, высо­кой точностью геометрических размеров и повышенной чистотой граней.

Ввиду специфичности работы от делительных резцов требуется повышенная износоустойчивость, поэтому во­просы ориентации и аттестации алмазных зерен в дан­ном случае приобретают первостепенное значение.

Делительные резцы в большинстве случаев имеют острый угол при вершине (менее 70°), поэтому к обору­дованию, па котором затачивается алмаз, предъявля­ются жесткие требования но точности.

Не допускаются вибрации корпуса и приспособле­ния, в которых закрепляется обрабатываемый кристалл. Опыт огранки показывает, что особенно вредными яв­ляются вибрации высокой частоты.

При изготовлении некоторых типов дифракционных решеток резец проходит около 48 000 пог. м пути, причем перестановка резца в процессе изготовления решетки недопустима. Штрихи дифракционной решетки имеют строго заданный профиль, и на 1 мм длины может нахо­диться 600, 1200 и более штрихов (например, при 1200 штрихах на 1 мм длины глубина штриха может равнять­ся 0,0001 мм при расстоянии между ними 0,00083 мм). Заданный профиль штриха сохраняется по всей протя­женности решетки, следовательно, резец практически не должен изнашиваться.

Методы аттестации алмаза

Кристаллы алмаза перед ориентацией необходимо аттестовать по форме, цвету, плотности, включениям, наличию трещин и т. д. Наряду с крупными включения-

ми и трещинами, видимыми невооруженным глазом или при небольшом увеличении, алмазы могут иметь мель­чайшие дефекты, невидимые даже при сильном увеличе­нии под микроскопом. Эти дефекты вызывают в кри­сталле алмаза внутренние напряжения, которые при сложении с напряжениями, возникающими при изготов­лении резцов, могут привести к повреждению его лез­вия.

Все монокристаллы правильной геометрической фор­мы (ромбододекаэдры и октаэдры) можно разделить на три следующие группы: без явных дефектов; с не­значительными дефектами (включения и трещины); со значительными дефектами (в основном наличие тре­щин). Наружные и внутренние трещины, идущие от поверхности внутрь, на кристаллах алмаза можно опре­делить путем заполнения их специальными закрашива­ющими или люминесцирующими веществами. В основе этих методов лежит явление капиллярного проникнове­ния в трещины растворов, газов или расплавов. Иссле­дования НИИАлмаза показали, что неплохими смачи­вающими способностями обладают следующие вещест­ва: бензин, керосин, четыреххлористый углерод, бензол и растворитель РДВ.

Поверхности кристалла, очищенные от грязи, покры­ваются лгоминесцирующим веществом, которое запол­няет трещины. После удаления люминофора кристалл просматривается в ультрафиолетовом свете на микро­скопе МБС-2.

Нанесение люминофора в вакууме или воздействие ультразвуковых колебаний способствует лучшему за­полнению трещины люминофором, но все же глубокие трещины остаются незаполненными. Для лучшего на­блюдения проникаемого в трещину люминофора цвет его должен быть светло-зеленым или светло-желтым. Люминесцентный метод дефектоскопии позволяет опре­делять наружные или неглубоко расположенные тре­щины.

Вместо люминофора можно применять краски, кото­рые также заполняют имеющиеся в кристалле трещи­ны. Для нахождения трещин поверхности алмаза покрываются яркой краской и после определенной вы­держки очищаются и покрываются абсорбирующим по­рошком, который вытягивает краску из трещин, обра-
ніш.шая контур трещины. Метод с использованием кра- ' и і елей так же трудоемок, как и люминесцентный, хотя аля просмотра кристалла после покрытия краской нет необходимости применять ультрафиолетовые лучи.

И кристаллах алмаза кроме трещин встречаются мельчайшие дефекты и включения, невидимые под мик­роскопом обычного увеличения. Эти дефекты вызывают внутренние напряжения, которые приводят к разруше­нию кристалла при и нотовлении рез­цов.

Некоторые вклю­чения можно обна­ружить при рассмо- | рении алмаза под микроскопом с боль­шим увеличением в поляризованном све­те. Алмаз, не имею­щий дефектов, в по­ляризованном све­те не виден, а в ал­мазе с дефектами образуется интер­ференция (аномаль­ное двулучепрелом- ление). Чем выше внутренние напря­жения, тем интенсивнее цвета интерференции.

Кристаллы алмаза, не имеющие трещин и внутрен­них дефектов, просматриваются в ультрафиолетовом свете на специальной установке и люминесцируют го­лубым, зеленовато-желтым светом или вообще не лю- мннесцируют, что, по-видимому, объясняется различны­ми структурными разновидностями алмаза.

Исследованиями Рамана и Нардова было установ­лено, что возможны четыре пространственные ориенти­ровки тетраэдрических алмазов (рис. 3); у двух из них тетраэдры параллельны друг другу с вершинами, смот­рящими в одну сторону. В третьей разновидности тет­раэдры / смотрят в одну сторону, а тетраэдры // по­ставлены вершиной вниз. В четвертой разновидности расположение тетраэдров обратное третьей.

Первые две структуры имеют тетраэдрическую сим­метрию (рис. 3, а и б), а вторые две разновидности — симметрию октаэдра (рис. 3, в и г).

Опытным путем было обнаружено, что наиболее твердыми являются алмазы, имеющие октаэдрическую структуру и не люминесцирующие в ультрафиолетовом свете. Менее твердые алмазы люминесцируют голубым или другим светом. Поэтому для изготовления резцов, используемых в делительном деле, отбираются нелгоми- несцирующие кристаллы алмаза.