Алмазы

Процесс изготовления указанных алмазных инструментов имеет ряд совершенно аналогичных операций, выполняемых на одних и тех же станках и приспособлениях. Поэтому в данном разделе будут описаны лишь основные операции процесса изготовления наконечников с алмазным конусом и некоторых других инструментов.

Наконечник с алмазным конусом. Одной из ответственных операций процесса изготовления наконечника является прочность крепления кристалла в оправе, так как в процессе испытаний на алмаз действуют большие нагрузки. Поэтому при недостаточно прочном креплении кристалла в оправе может произойти вдавливание кристалла в тело оправы, смешение и повертывание оси алмазного конуса относительно оси оправы и др., что будет оказывать влияние на точность показаний прибора, а также и на срок службы наконечника.

В течение длительного времени крепление кристаллов алмазов в наконечниках с алмазным конусом производилось путем пайки. Однако этот метод крепления вследствие недостаточной прочности применявшихся припсев не обеспечивал прочности указанного соединения, в результате чего был разработан ряд новых методов. На фиг. 8 приведена схема креплениз кристалла алмаза в оправе наконечника с алмазным конусом. В этой схеме крепления кристалл алмаза опирается специально отшлифованной плоской I ,,аныо, перпендикулярной к оси конуса, на плоскость твердо-сплав..ой пластины, впаянной в тело оправки, естественно, тто этот метод крепления обеспечивает более устойчивое положение кристалла алмаза при действии на него нагрузок. Недостатком

конструкции является необходимость спиливания или сошлпфовы-вания части кристалла алмаза. Между тем, в некоторых случаях в процессе эксплуатации наконечника представляется возможным использовать также противоположную вершину кристалла, которая при данном методе крепления удаляется. Наиболее соверш* нным методом крепления алмаза является запрессовывание кристалла алмаза в металлокерамичеекий брикет, который затем спекают. Благодаря высоким прочностным показателям материала металло-кепамического брикета обеспечивается прочное крепление кристалла алмаза.

Следующей оп оацией процесса является предварительная обработка конуса. Первоначально конус закрепленного кристалла алмаза обрабатывают на настольном токарном станке; число оборотов шпинделя станка приблизительно 800 в минуту. Вместо резца применяется металлическая оправка с закрепленным в ней крупным менее качественным кристаллом (алмазным бортом) весом от 0,2 до 1,5 карата. Обычно для этой пели используют кристаллы алмазного борта, имеющие острые режущие ребра. Е процессе выполнения этой операции оправка с кристаллом алмазногс борта не крепится в суппорте станка, а удерживается вручную. Время выполнения этой операции составляет примерно 10—20 мин. в зависимости от формы кристалла. При обработке трением одного кристалла алмаза о другой образуются отходы алмазов в виде мелких осколков, которые следует собирать с помощью специально установленных на станке заградительных тожухов или щитов.

1 осле указанной обработки производят предварительное шлифование алмазного конуса на обычных кругюшлифовальных станках. Гт щ этом вместо абразивного круга устанавлгвают чугунный диск соответствующего размера, изготовленный из перлитного чугуна. На заводе, изготовляющем алмазные инструменты, предварительное шлифование алмазного конуса произьодят на круглсшлчфсзальном станке типа ЗГ12. на котором установлен чугунный диск диаметром приблизительно 200 мм. Число оборотов шпинделя станка 3500 в минуту. При этом скорость шлифования составляет приблизительно 36 м/сек Операция шлифования производится в течение 10—15 мин. при длительном выхаживании без под, ‘щ круга на врезание.

Переднюю бабку станка, во вращающемся шпинделе которой укреплен а лмазный наконечник, повертывают под углом 60° в направлении движения стола относительно рабочей поверхности чугунного диска. В связи с тем, что шлифование алмазного конуса на чугунном диске осуществляется с высокими окружными скоростями, а вес диска в несколько раз болыце вега обычного шлифовального круга, рекомендуется производить особо тщательную его балансировку. Неуравновешенность или дисбаланс чугунного диска вызывает, с одной стороны, преждевременный износ подшипников станка, с другой стороны, вибрации в процессе шлифования, которые могут вызвать раскалывание кристалла алмаза.

От уравновешенности системы во многом зависит и качество шлифуемой поверхности. Балансировку чугунного диска следует производить с точностью не ниже 1-го класса согласно ГОСТу 3060-55. уравновешивание массы диска осуществляется или путем сверления неглубоких отверстий на тяжелой стороне, или путем перемещения подвижных грузов, размещенных в планшайбе.

Окончательное шлифование алмазного конуса наконечника производят на таких же станках. Однако в качестве инструмента применяют не чугунные, а стеклянные диски, имеющие наружный диаметр 300 мм», внутренний 55 и высоту от 25 до 40 мм. Согласно техническим условиям эти диски изготовляются из неполированного стекла непрерывного проката, причем стекло должно быть равномерно отожжено. Напряжения в стекле не должны превышать 10 миллимикрон на 1 мм хода луча. Не допускаются в стекле фицы, трещины и инородные включения. Степень отжига стекла определяется путем просмотра в торцовые грани образца стекла. При неравномерном отжиге на стекле будут видны трещины.

Режим шлифования: скорость шлифования примерно равна 25 м/сек, число оборотов изделия приблизительно 450 в минуту. Шлифование алмазных конусов на стеклянном диске обеспечивает получение микрогеометрии поверхности в пределах до 14-го класса по ГОСТу 2789-51.

Следующей операцией процесса является заправка радиуса на вершине конуса R = 0,2 мм, выполняемая вручную с помощью плоского металлического притира, шаржированного алмазными микропорошками зернистостью 3—5 мк. Если при выполнении этой операции центр сферической поверхности вершины наконечника будет смешен относительно оси алмазного конуса, то, как показала практика, при измерении твердости таким наконечником будут неизбежны погрешности. Указанные погрешности могут иметь место также, если ось сферы и ось конуса не совпадают с осью металлической оправы.

После заправки радиуса производят контроль геометрических размеров оправки и особенно алмазного конуса, а затем контрольные измерения на эталонном приборе. Проверка алмазного конуса производится путем сравнения показаний с контрольным конусом на контрольном приборе при помощи четырех образцовых мер. При проверке наносят в пределах одного и того же участка рабочей поверхности пять отпечатков контрольным наконечником и пять отпечатков проверяемым наконечником. Отклонения средних значений чисел твердости, подсчитанных по результатам испытаний, не должны превышать +0,5 ед. Согласно чертежу поверхность алмаза на длине не менее 0,3 мм от вершины конуса должна быть тщательно отполирована. На этой поверхности не должно быть сколов, трещин и других дефектов.

Высокие требования к геометрии формы и микрогеометрии поверхности алмазного конуса обусловлены, с одной стороны, требованиями точности работы прибора, с другой стороны, большими удельным-и давлениями на рабочую поверхность конуса в процессе

работы. При этих условиях большое влияние на процесс проникновения в тело испытуемого образца алмазного конуса будет оказывать его микрогеометрия. От величины микронеровностей будет зависеть величина коэффициента внешнего трения, а соответственно и глубина проникновения алмазного конуса в испытуемое тело.

Для контроля формы наконечников с алмазным конусом или пирамидой недавно был разработан прибор, показанный на фиг. 9. Сущность метода, на котором основаны измерения, состоит в том, что при вдавливании вершины наконечника в пластичный материал на боковой поверхности вдавливаемого наконечника по линии его границы с пластичным материалом остается тонкая замкнутая линия. После многократного вдавливания вершины наконечника в плоскую поверхность металлической пластинки в разных участках на различные последовательно уменьшающиеся и точно измеряемые глубины на боковой поверхности наконечника образуются замкнутые линии, измеряемые обычными методами. При измерении на приборе, показанном на фиг. 9, наконечник укрепляют в шпинделе 3, который перемещается маховичком 5, при этом величина перемещения измеряется индикатором 4 с ценой деления 2 мк. На столик 1 винтового пресса кладут плоскопараллельную латунную пластину 2 с травленой верхней поверхностью.

Сначала шпиндель с наконечником приводят в исходное положение; для этого определяют момент касания его вершины с поверхностью пластинки по известному способу ФИЗО, т. е. по сближению видимых в поле зрения микроскопа 6 изображения вершины наконечника и его отражения от поверхности пластинки. Затем устанавливают в исходное положение шкалу индикатора, наконечник которого должен касаться торца шпинделя при натяге 400—500 мк. Нулевое деление шкалы совмещают со стрелкой и вдавливают наконечник в пластинку на глубину, достаточную для определения формы вершины на заданной высоте. После этого шпиндель с наконечником поднимают, перемещают латунную пла-•стинку, вновь устанавливают наконечник в исходное положение и производят последующее вдавливание на меньшую глубину.

Цикл многократно повторяют, каждый раз подводя под наконечник новый участок пластинки и уменьшая глубину вдавливания (250, 200, 150, 100 и 50 мк).

После каждого вдавливания наконечника на его поверхности остается тонкое замкнутое кольцо, состоящее из мельчайших частиц материала пластины, хорошо видимых под микроскопом при увеличении 30 х и более. После вдавливаний наконечника его снимают и устанавливают вершиной вверх на столике микроскопа.

Затем на столик ставят стеклянный цилиндр соосно с наконечником. Сбоку ставят осветительную лампу так, чтобы конус наконечника был равномерно освещен, а кольца отчетливо видны. В случае неправильной формы конуса кольцевые линии не будут иметь форму правильной окружности. На фиг. 10 показан контур рабочей части наконечника с алмазным конусом, полученный после вдавливания наконечника сначала на глубину 240 мк, а затем на глубины, последовательно уменьшающиеся на 20 мк. Отклонение кривых от формы правильной окружности свидетельствует о неудовлетворительном качестве шлифования алмазного конуса.

Изготовление наконечников с алмазной пирамидой. Отобранные алмазы закрепляют в оправе так же, как и наконечники с алмазным конусом, — путем пайки. Затем подготовленную оправу с закрепленным алмазом устанавливают в держатель приспособления специального гранильного станка для шлифования четырех граней пирамиды. При шлифовании закрепленный в оправу алмаз плавно подводят к быстро вращающемуся в горизонтальной плоскости чугунному диску, рабочая поверхность которого шаржирована мелким алмазным микропорошком зернистостью порядка 20—40 мк.

На фиг. 11 приведена одна из конструкций станка для огранки алмазов. Станок состоит из станины 1, соединенной с верхним кронштейном 9 с помощью стойки 8\ стола 3 и шпинделя 11, на котором закреплен чугунный диск 2. Вращение диска производится от индивидуального электродвигателя посредством ременной передачи. С «целью снижения вибраций шпинделя рекомендуется применять ремни без сшивок (клиновые).

Давление верхнего опорного подшипника 4 регулируется с помощью маховичка б, винта 7, стакана 10 и пружины. На столе

станка устанавливают одновременно несколько приспособлений 5, в которые закрепляют оправку с алмазом для их шлифования. С целью уменьшения вибраций системы, которые могут вызвать выкрашивание острых ребер, стол, станина и электродвигатель смонтированы отдельно друг от друга. Хомут 12 служит для предохранения шпинделя от смещения его из центровых подшипниковых опор.

Преимуществом описанной конструкции станка является, с одной стороны, возможность быстрой смены изношенного диска, с другой стороны, предшествующая обработка поверхностей диска непосредственно на центровых подшипниковых опорах обеспечивает точную его установку на гранильном станке. На рабочей поверхности чугунного диска делают мелкие радиальные риски, в которые с помощью каленой стальной пластинки втирают в течение ~20 мин. алмазную пасту равномерно по всей рабочей части диска. На шаржирование рабочей поверхности диска диаметром 240 мм расходуется 0,5 карата алмазного микропорошк^ соответствующей зернистости.

По данным ряда зарубежных предприятий диски рекомендуется изготовлять из чугуна с высоким содержанием кремния и фосфора, около 1,5% каждого. Используемый для этой цели чугун должен иметь твердость Нв 260 кг/мм2, а также поры соответствующих размеров.

Дрхнологический процесс подготовки диска состоит из следую-щж’операций: а) протачивания диска в центрах; б) балансировки; .^шлифования рабочей поверхности; г) нанесения рисок глубиной до 0,3 мм; д) втирания алмазного микропорошка, смешанного с прованским маслом.

На фиг. 12 показана одна из многочисленных конструкций приспособления для установки алмаза при его огранке. В салазках 1 установлен ползун 2, нижняя часть которого имеет форму ласточкина хвоста. На ползуне укреплена стойка 3. В верхнем ■ конце стойки закреплено свободно качающееся коромысло 4, что обеспечивает возможность опускания закрепленного в поворотном угольнике 8 алмаза на поверхность вращающегося диска и отвод алмаза путем откидывания коромысла назад. Последнее необходимо как для установки оправы с алмазом, так и для контроля процесса шлифования граней.

i Величина силы, прижимающей алмаз к поверхности вращающегося-диска, определяется весом коромысла, поворотных угольников 6, 7 и 8 и груза 5, который устанавливается в тех случаях, :когда плоскость соприкосновения алмаза с диском большая. При помощи поворотных угольников 6, 7 и 8 можно установить алмаз в любом положении. Эти угольники имеют шкалы, позволяющие :быстро производить точную установку шлифуемого алмаза под требуемым углом. Регулируемый по высоте винтовой упор 9, контргайка 10 и стойка И служат для установки оправы с алмазом на -определенном расстоянии относительно рабочей поверхности вращающегося диска.

На фиг. 13 показано приспособление для установки алмаза при его шлифовании (огранке). По данным Гродзинского [54] эта конструкция является наиболее совершенной. Она имеет алюминиевый корпус, который устанавливается в горизонтальной плоскости с помощью выравнивающих винтов. Контроль положения приспособления в горизонтальной плоскости производится с помощью двухпозиционного уровня.

На некоторых специализированных предприятиях, изготовляющих алмазные инструменты, применяют более совершенные станки-

полуавтоматы для шлифования алмазов В отличие от описанных выше конструкций в этих станках диск имеет планетарное движение, которое осуществляется от индивидуального электродвигателя. Наличие планетарного движения обеспечивает более высокую производительность процесса шлифования и чистоту шлифуемой поверхности. Давление обрабатываемого кристалла алмаза на диск регулируется противовесом или пружиной. Указывается, что на станке можно обрабатывать плоские, сферические и когшческие поверхности. Так, например, при шлифовании конических поверхностей оправа с закрепленным в ней алмазом вращается от индивидуального электродвигателя. При шлифовании сферических поверхностей оправа с алмазом, кроме вращения вокруг собственной оси, повертывается также вокруг оси приспособления, образуя сферу радиусом до 300 мм. Это дополнительное движение осуществляется с помощью четвертого электродвигателя.

При огранке алмаза возникает «Поющий звук», Но чистотй которого гранильщик определяет протекание процесса огранки. Смещением ползуна относительно оси вращения чугунного диска находят оптимальное положение шлифуемого алмаза на рабочей поверхности диска. Периодически производят контроль процесса огранки. Желательно, чтобы все четыре грани алмазной пирамиды образовывали вершину в виде точки.

Готовые наконечники с алмазной пирамидой контролируются не только по геометрическим размерам, но и на эталонном приборе.

Наконечники с алмазными пирамидами для измерения микротвердости изготовляются аналогичным способом. Вследствие малых величин нагрузок, применяемых при измерении микротвердости, а соответственно и малых размеров получаемых отпечатков, к этим наконечникам предъявляются повышенные требования по точности изготовления алмазной пирамиды. Так, если в наконечниках к приборам типа ТП (Виккерса) грани, образующие пирамиду, могут иметь гребень на вершине длиной в несколько микронов, то в наконечниках к приборам для измерения микротвердости величина этого гребня допускается не более одного микрона. Кроме того, для уменьшения трения при вдавливании и повышения прочности вершины пирамиды рекомендуется производить более тщательное полирование граней на длине не менее 0,15 мм, считая по оси пирамиды.

Шлифование граней пирамиду производится аналогичным методом на гранильном станке, конструкция которого была описана выше.

Контроль готовых наконечников производится путем проверки размеров державки и геометрической формы рабочей части алмаза.

Технологический процесс изготовления наконечников для измерения твердости методом упругого отскока, за исключением операции шлифования сферической поверхности, аналогичен процессу изготовления наконечников с алмазным конусом. Так же изготовляются и наконечники для измерения твердости царапанием и алмазные иглы для измерения микрогеометрии поверхности.