СПОСОБ ОБРАБОТКИ АЛМАЗОВ
METHOD OF DIAMONDS MACHINING

Изобретение относится к способу механической обработки алмазов с использованием алмазного абразивного порошка. Областью применения является гранильная промышленность. Особенно эффективно способ может использоваться при обработке напряженных и низкосортных алмазов.
Известен способ обработки алмазов вращающимся металлическим диском, содержащим алмазный абразивный порошок [1]. В данном способе эффективность обработки алмазов зависит от скорости вращения алмазообрабатывающего диска, от силы прижима обрабатываемого алмаза к диску, от физико-механических свойств алмазного абразивного порошка, от кристаллографической ориентации алмазной заготовки.
Основным недостатком способа является исключительно малая скоростью обработки алмазов по плоскости октаэдра, по так называемому твердому направлению, в котором расстояние между атомами углерода в кристаллической структуре алмаза минимально. Это приводит к серьезным затруднениям при обработке сложных и напряженных алмазов, содержащих поликристаллические включения, двойники, сростки, ориентированные твердыми направлениями.
Известен также способ обработки алмазов [2]. Этот способ включает обработку алмазов вращающимся металлическим диском, содержащим абразивный порошок. При этом обрабатываемый алмаз приводят в контакт с алмазообрабатывающим диском и нагревают до температуры 680°C, чуть ниже температуры графитизации алмаза на воздухе. Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.
Первый недостаток этого способа заключается в том, что при таком нагреве напряженных и дефектных алмазов в них возникают трещины, что приводит к частичному или полному разрушению алмазов.
Второй недостаток связан со сложностью конструкции крепления алмаза и с его последующим нагревом до 680°C, что существенно затрудняет работу огранщика и делает малоэффективным достигнутую в способе величину съема алмаза в заявленной области применения и снижает функциональные возможности способа.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в высококачественной обработке алмазов механическим способом в любой кристаллографической ориентации с использованием алмазного абразивного порошка, включая напряженные и низкосортные алмазы. При этом фиксируемый нагрев алмаза в процессе воздействия не превышает 60°C.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки алмазов применяют генерацию когерентных волн упругих деформаций кристаллической решетки из области контакта инструмента с алмазом в его объем. При этом скорость и ускорение движения зерен абразивного порошка являются периодическими функциями времени.
12
С целью исключения хрупкого разрушения алмаза режимы циклического движения инструмента разработаны таким образом, чтобы локальные напряжения в приповерхностном слое алмаза от воздействия движущихся зерен абразивного алмазного порошка не превышали величины ~1,0·10 Па.
Существует вариант, в котором применение генерации упругих когерентных волн в области контакта инструмента с алмазом обеспечивает управляемую концентрацию упругой энергии поверхностных волн, что приводит к удалению с поверхности частиц алмаза в виде нанокластеров.
Существует также вариант, в котором вводят последовательное (циклическое) чередование режимов волнового воздействия инструмента на алмаз с периодичностью 1-100 циклов/час для изменения состояния его внутренних примесных дефектов.
Существует вариант, в котором при формировании плоских поверхностей алмаза дополнительно задают возвратно-поступательное перемещение алмаза по поверхности инструмента.
Существует вариант, в котором при формировании криволинейных поверхностей алмаза дополнительно задают вращение алмаза вокруг оси вращения держателя алмаза, перпендикулярной поверхности инструмента, и целенаправленно наклоняют в одну сторону ось вращения держателя алмаза относительно поверхности инструмента на заданный угол в диапазоне от 0° до 90°.
Существует также вариант, в котором в процессе обработки дополнительно применяют облучение алмаза импульсами лазерного излучения с длиной волны 0,3-1,5 мкм, длительностью импульса от 15 до 40 нс, энергией импульса от 1 до 500 мДж.
Существует вариант, в котором при использовании комбинаций режимов циклического волнового воздействия инструмента на алмаз дополнительно задают периодическую разориентацию (в диапазоне от 0° до 90°) от выбранного кристаллографического направления первоначального контакта инструмента с алмазом до тех пор, пока не наступает изменение морфологии поверхности алмаза, расположенной вне зоны контакта инструмента с алмазом, вплоть до контролируемой оптическими методами локальной сублимации поверхности алмаза при температуре окружающей среды ~10÷30°C.
Существует также вариант, в котором при обработке низкосортных, дефектных и напряженных алмазов осуществляют циклическое чередование режимов волнового воздействия инструмента в совокупности с амплитудной и частотной модуляцией периодической функции движения зерен абразивного алмазного порошка, при этом трансформируют внутренние напряжения в дефектных областях объема алмаза до тех пор, пока на них не начинается наблюдаемое оптическими методами разложение естественного светового потока на цвета оптического спектра.
Существует также вариант, в котором при обработке низкосортных, дефектных и напряженных алмазов осуществляют поэтапное чередование циклических режимов волнового воздействия инструмента в совокупности с фазовой модуляцией периодической функции движения зерен абразивного алмазного порошка пока не происходит снятие внутренних напряжений на дефектных областях в объеме алмаза за счет перестройки его кристаллической структуры.
Существует вариант, в котором на первом этапе в объеме алмаза внешними силами поэтапно формируют внутренние напряжения в различных кристаллографических направлениях в объеме алмаза и осуществляют поэтапное чередование циклических режимов волнового воздействия инструмента на вершины алмаза в совокупности с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией периодической функции движения зерен абразивного алмазного порошка до контролируемых оптическими методами изменений формы всего объема алмаза.
Существует вариант, в котором в процессе обработки на алмаз дополнительно подают звуковые колебания от 0.5 до 50000 Гц, при этом частоту этих колебаний совмещают с частотой циклического движения зерен абразивного порошка таким образом, чтобы отношение этих частот было больше единицы и равнялось целому числу.
На фиг.1 изображена в общем виде схема устройства для реализации предложенного способа.
На фиг.2 изображена зависимость скорости и ускорения движения зерен абразивного порошка от времени (t).
a
q
max
На фиг.3 изображена поверхность алмаза, обработанная с частотой изменения ускорения ~5 Гц (R=4,43 нм, R=5,95 нм, R=53,30 нм).
a
q
max
На фиг.4 изображена поверхность алмаза, обработанная с частотой изменения ускорения ~10 Гц (R=1,52 нм, R=2,28 нм, R=21,86нм).
a
q
max
На фиг.5 изображена поверхность алмаза, обработанная с частотой изменения ускорения ~15 Гц (R=0,54 нм, R=0,70 нм, R=6,48 нм).
a
q
max
На фиг.6 изображена поверхность алмаза, обработанная по существующей стандартной технологии (R=18,27 нм, R=20,28 нм, R=214,86 нм).
На фиг.7 изображена область контакта инструмента с алмазом.
На фиг.8 изображено изменение морфологии поверхности граней и локальная сублимация ребер алмаза.
На фиг.9 изображена дисперсия светового потока в объеме алмаза при трансформации его внутренних напряжений.
На фиг.10 изображение внутренних напряжений в алмазе в поляризованном свете.
На фиг.11 изображение алмаза в поляризованном свете после снятия внутренних напряжений.
На фиг.12 изображено семейство плоскостей куба в алмазе октаэдрической формы (а), алмаз формы октаэдра (б), совмещенное изображение семейства плоскостей куба и алмаза октаэдрической формы (в).
На фиг.13 изображен трансформированный алмаз октаэдрической формы с вершинами - областями контакта алмаза и инструмента.
Устройство (фиг.1) содержит основание 1, включающее расположенные на нем исполнительные элементы объекта (алмаза) и инструмента.
1
1
К исполнительным элементам объекта (алмаза) относятся: держатель алмаза 2 с алмазом 3, устройство генерации звуковых колебаний 8, первая система привода вращения 4 держателя алмаза 2, с осью вращения О-О и система привода наклона 5 держателя алмаза 2, с поворотной осью О-О устройство стабилизации и синхронизации 6 вращения и наклона держателя алмаза 2.
Исполнительные элементы объекта (алмаза) закреплены на первой платформе 7, являющейся частью координатного стола 9, содержащего управляемый шаговый двигатель непосредственного преобразования электромагнитной энергии в линейное перемещение платформы 7 параллельно плоскости инструмента 10 посредством шарико-винтовой пары. На фиг.1 шаговый двигатель и шарико-винтовая пара (условно не показаны).
2
2
3
3
К исполнительным элементам инструмента относятся: инструмент 10, вторая система привода вращения 12 инструмента 10 с осью вращения О-О, механизм циклического перемещения 11 инструмента 10, система привода механизма циклического перемещения 13 инструмента 10 с осью вращения О-О, блок давления 14 инструмента 10 на алмаз 3.
Исполнительные элементы инструмента закреплены на второй платформе 15, обеспечивающей ручную механическую подачу инструмента 10 к алмазу 3. Механический привод винт-гайка и стопорный узел фиксации платформы 15 на фиг.1 (условно не показаны).
Квантовый генератор 17, обеспечивающий подачу на алмаз 3 импульсов лазерного излучения, сопряжен с основанием 1 посредством кронштейна 16.
Способ механической обработки алмазов реализуется устройством следующим образом на примере обработки низкосортных и напряженных алмазов для нужд ювелирной промышленности.
Алмаз (объект) 3, например, октаэдрической формы и весом ~0.5÷2 карата закрепляют симметрично относительно оси О-О на поверхности держателя объекта 2, например, посредством специализированного керамического клея "Boniceram СС6", производства "Nicolectronix", Израиль.
2
2
3
3
2
2
3
3
Инструмент 10, например, ⌀ ~120 мм с зернами абразивного порошка размерностью, например, ~28/20 мкм совершает одновременно вращательное движение относительно подвижной оси (О-О) со скоростью ~50 об/с и криволинейное циклическое перемещение относительно неподвижной оси вращения (О-О) механизма циклического перемещения 11 с частотой перемещения в диапазоне ~0÷200 Гц. Расстояние между осями (О-О) и (О-О) устанавливается в соответствии с размером алмаза и в данном варианте обработки алмаза составляет ~7 мм.
Перемещая платформу 15, инструмент 10 подводят к обрабатываемому алмазу 3 до момента касания инструментом алмаза и стопорят платформу с помощью узла фиксации. В результате сложного двухосевого движения инструмента скорость и ускорение движения зерен абразивного порошка, относительно обрабатываемой поверхности алмаза, являются периодической функцией времени (фиг.2).
ус.
ст
12
В предлагаемом способе механической обработки алмазов линейная скорость движения зерна абразивного порошка V=16,62 м/с (при диаметре инструмента 120 мм) намного меньше величины линейной скорости V=47,1 м/с, применяемой в традиционной технологии огранки алмазов в бриллианты (при диаметре инструмента ~350 мм) [1], что и обеспечивает величину деформации приповерхностного слоя кристалла, которая заведомо не превышает критический предел упругости алмаза ~1,0·10 Па.
5
6
Область контакта инструмента с алмазом - поверхность абразивного зерна инструмента, вдавленная в приповерхностный слой алмаза. Эту поверхность описывают, например, как поверхность шарового сегмента, размеры которого (например, радиус) зависят от усилия прижима, зернистости (размерности) абразива и твердости алмаза. В качестве примера, при обработке алмаза по плоскости куба с использованием абразивного зерна ~10 мкм и усилия прижима ~1,2·10÷1,0·10 Па, радиус вдавленной области отдельно взятого зерна абразива в приповерхностный слой алмаза (радиус шарового сегмента) может составлять 14,14÷44,58 нм.
1
2
ус
2
1
Движение зерен абразивного порошка является циклическим движением в интервале скоростей V=14,4 м/с (на расстоянии 46 мм от оси вращения инструмента) и V=18,84 м/с (на расстоянии 60 мм от оси вращения инструмента) вокруг некой усредненной скорости V=16,62 м/с. При этом V-V=ΔV является величиной постоянной.
ус
ус
2(50мм от оси)
1(36 мм от оси)
Например, на расстоянии 53,0 мм от оси вращения инструмента (V=16,62 м/с) ΔV=4,4 м/с. На расстоянии 43,0 мм от оси вращения инструмента (V=14,6 м/с) V=15,7 м/с, V=11,3 м/с, ΔV=4,4 м/с. Постоянство величины ΔV обеспечивает пространственно-временную когерентность распространения волн упругих деформаций в процессе обработки алмаза.
Заданная скорость движения алмазного абразивного порошка при вращении инструмента 10, например, ~50 об/с. Заданное периодическое ускорение движения зерен абразивного порошка механизмом циклического перемещения 11 и системой привода механизма циклического перемещения 13 находится в диапазоне ~0÷200 Гц. Задаваемая частота периодического ускорения движения зерен абразивного порошка обеспечивает управляемую концентрацию упругой энергии поверхностных волн.
9
-2
10
-2
с
Применение такого движения зерен алмазного абразивного порошка повышает локальное упругое давление поверхностного слоя алмаза при взаимодействии когерентных волн упругих деформаций до величины ~1.6÷2.5·10 Н·м. Эта величина на порядок меньше величины критического напряжения σ~2·10 Н·м, необходимого для возникновения поверхностной трещины. В этом случае происходит съем поверхности алмаза в виде нанокластеров. Подробно кластерный механизм съема алмаза изложен в [3].
a
Например, как один из вариантов реализации способа, при управляемой концентрации упругой энергии поверхностных волн: частота изменения ускорения, созданных инструментом 10 при помощи механизма циклического перемещения 11, ~5 Гц позволяет получать шероховатость поверхности алмаза R=4,43 нм (фиг.3).
a
Частота изменения ускорения, созданная инструментом 10 при помощи механизма циклического перемещения 11, ~10 Гц, позволяет получать величину шероховатости R=1,52 нм (фиг.4).
a
Частота изменения ускорения, созданная инструментом 10 при помощи механизма циклического перемещения 11, ~15 Гц позволяет достигать величины шероховатости поверхности алмаза R=0,54 нм (фиг.5).
a
Для сравнения на фиг.6 приведено изображение мотива рельефа поверхности алмаза, обработанной по стандартной технологии (R=18,27 нм).
При управляемой концентрации упругой энергии поверхностных волн повышение частоты изменения ускорения движения зерен алмазного абразивного порошка приводит к уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности алмаза. Характерный мотив рельефа поверхности алмаза в этом случае показывает, что съем материала происходит преимущественно в виде нанокластеров (фиг. 3, 4, 5).
Использование последовательного (циклического) чередования режимов волнового воздействия инструмента на алмаз включает в себя (в качестве примера):
-1
цикл первый - вращение инструмента 400 с, частота перемещения инструмента 10 Гц;
-1
цикл второй - вращение инструмента 500 с, частота перемещения инструмента 25 Гц.
Чередование первого и второго циклов через равные промежутки времени проводят с периодичностью 1-100 цикл/ч до контролируемого оптическими методами изменения состояния внутренних дефектов в алмазе. Конкретные режимы инструмента - количество, комбинации и время циклов при воздействии инструмента на алмаз -  зависят от поставленной задачи и внутренней структуры алмаза.
Например, как в одном из вариантов устранения и/или трансформации примесных дефектов в алмазе размером 0.5÷1.0 карат обеспечивают:
5
- давление инструмента 10 на алмаз 3 с помощью блока давления 14 составляет ~1.2÷4,0·10 Па;
- размерность зерен абразивного порошка ~28/20÷7/5 мкм;
- скорость возвратно-поступательного движения платформы 7, перемещающей алмаз 3 по плоскости инструмента 10 составляет ~0.1÷2.0 м/мин.
Задаваемая частота изменения ускорения движения зерен абразивного порошка, создаваемых инструментом 10 при помощи механизма циклического перемещения 11:
- по плоскости октаэдра алмаза 3 составляет ~5÷10 Гц;
- по плоскости куба алмаза 3 составляет ~10.5÷13,5 Гц.
-1
Скорость движения зерен абразивного порошка, которую задает система привода вращения 12 инструмента 10, составляет ~300÷500 с.
Использование дополнительно возвратно-поступательного перемещения алмаза 3 по поверхности инструмента 10 при обработке плоских поверхностей, позволяет обеспечить однородность износа инструмента и стабильность волнового воздействия инструмента на алмаз.
В качестве примера, при обработке плоских пластин алмаза размером 3×3×0,5 мм скорость возвратно-поступательного движения платформы 7, перемещающей алмаз 3 по плоскости инструмента 10, составляет ~0,1÷2,0 м/мин.
1
1
При обработке криволинейных поверхностей алмаза дополнительно задают вращение алмаза 3 вокруг оси вращения О-О держателя алмаза 2, перпендикулярной поверхности инструмента 10, и целенаправленно наклоняют в одну сторону ось вращения О-О держателя алмаза 2 с алмазом 3 вокруг оси О-О относительно поверхности инструмента 10, что обеспечивает обработку алмазных поверхностей, описываемых уравнениями второго порядка (сферических, параболических, конусообразных) в любом кристаллографическом направлении [4].
1
1
-1
Наклон алмаза относительно поверхности инструмента 10 осуществляют разворотом держателя объекта 2 вокруг оси О-О на заданный угол в диапазоне от 0° до 90°. Величину и направление вращения алмаза задают в пределах 5÷50 с.
-1
-6
Скорость вращения алмаза 3 и скорость и величина его наклона относительно плоскости инструмента 10 задается первой системой привода вращения 4 и системой привода наклона 5 в устройстве стабилизации и синхронизации 6 вращения и наклона держателя алмаза 2. Скорость наклона алмаза составляет ~10 мин÷60 мин в зависимости от радиуса кривизны обрабатываемой поверхности.
Для повышения эффективности взаимодействия когерентных волн упругих деформаций кристаллической решетки, созданных инструментом 10 при помощи механизма циклического перемещения 11 в алмазе 3 во время трансформации примесных дефектов в его объеме, одновременно могут применять оптоакустическую стимуляцию процесса обработки.
Квантовый генератор 17 обеспечивает подачу на алмаз импульсов лазерного излучения с длиной волны 0.3-1.5 мкм. Конкретную величину длины волны излучения и частоту импульса лазерного излучения выбирают из условий эксперимента и поставленной задачи.
Например, в одном из вариантов при уменьшении плотности дислокаций в напряженных областях объема алмаза во время его обработки обеспечивают оптоакустическую стимуляцию длиной волны лазерного излучения ~1.5÷1 мкм при частоте лазерных импульсов наносекундного диапазона.
В другом варианте уменьшение величины внутренних напряжений структуры алмаза на границе раздела двойниковых образований обеспечивают длиной волны лазерного излучения ~0.5÷0.3 мкм при частоте импульсов фемтосекундного диапазона. Подробнее оптоакустическое воздействие на кристаллы изложены, например, в [5].
Использование комбинаций режимов волнового воздействия инструмента на алмаз создает многообразие взаимодействия волновых полей упругих деформаций в объеме кристалла.
-1
-1
-1
В качестве примера, первый режим воздействия имеет: скорость движения зерен абразивного порошка, например, 300 с, частоту изменения ускорения ~10 Гц. Второй режим воздействия имеет: скорость движения зерен абразивного порошка, например, 350 с, частоту изменения ускорения ~15 Гц. Третий режим воздействия имеет: скорость движения зерен абразивного порошка, например, 370 с, частоту изменения ускорения ~13 Гц.
В процессе воздействия через равные промежутки времени (~5÷15 мин) применяют последовательные комбинации этих режимов воздействия инструмента на алмаз.
Дополнительно в процессе воздействия проводят наклон и/или вращение алмаза от точки касания 18 (фиг.7) инструментом алмаза на определенную величину, выбираемую из диапазона от 0° до 90°. В данном примере обработки кристаллографическая разориентация от начальной точки касания инструментом алмаза составила ~13°.
Применение кристаллографической разориентации при генерации в объем алмаза упругих когерентных волн из области контакта инструмента с алмазом совместно с комбинацией режимов циклического волнового воздействия инструмента на алмаз позволяет резко повысить частоту волнового поля в алмазе за счет возрастания амплитуды определенного вида гармоник, кратных основной частоте возбуждения алмаза.
Это обеспечивает эффективное взаимодействие упругих когерентных волн и концентрацию волновой энергии на поверхности алмаза, расположенную вне зоны контакта алмаза с инструментом. При этом происходит трансформация морфологии поверхности алмаза вплоть до ее сублимации при температуре окружающей среды ~10÷30°C.
На фиг.7 показана зона касания инструмента поверхности алмаза 18 и изогнутое ребро алмаза из-за его сублимации 19. На фиг.8 отдельно показана зона сублимации ребра алмаза 19.
При обработке низкосортных, дефектных и напряженных алмазов осуществляют циклическое чередование режимов волнового воздействия инструмента в совокупности с амплитудной и частотной модуляцией периодической функции движения зерен алмазного абразивного порошка.
Амплитудная модуляция периодической функции движения зерен абразивного порошка - периодическое повышение (понижение) скорости движения зерен абразивного порошка на одну и ту же величину.
Частотная модуляция - периодическое повышение (понижение) частоты изменения ускорения движения зерен абразивного порошка на одну и ту же величину.
Через определенный период времени (величина периода зависит от степени дефектности алмаза и находится, например, в диапазоне 5÷20 мин) проводят циклическое изменение одновременно скорости и частоты изменения ускорения движения зерен абразивного порошка.
-1
-1
Например, как один из вариантов применения способа, задают скорость движения зерен абразивного порошка ~500 с в начальной стадии обработки алмаза, а частоту изменения ускорения движения зерен абразивного порошка задают ~10 Гц. Через 10 мин скорость движения зерен абразивного порошка меняют, например, на ~535 с, а частоту изменения ускорения движения зерен абразивного порошка делают равным, например, 13.5 Гц. Через 10 мин режимы обработки возвращают в первоначальное состояние и т.д.
Такая цикличность воздействия инструмента на алмаз трансформирует напряжения в дефектных областях алмаза до тех пор, пока на них не начинает происходить наблюдаемое оптическими методами разложение естественного светового потока на цвета оптического спектра 20 (фиг.9) [6].
При обработке низкосортных, дефектных и напряженных алмазов (фиг.10) осуществляют поэтапное чередование циклических режимов волнового воздействия инструмента в совокупности с фазовой модуляцией периодической функции движения зерен алмазного абразивного порошка.
Фазовая модуляция периодической функции воздействия инструмента на алмаз - сдвиг по фазе этой функции на определенную величину в момент изменения направления движения возвратно-поступательного перемещения алмаза 3 по плоскости инструмента 10, которое обеспечивает первая платформа 7, являющаяся частью координатного стола 9, содержащего управляемый шаговый двигатель непосредственного преобразования электромагнитной энергии в линейное перемещение платформы 7 параллельно плоскости инструмента 10 (фиг.1).
При снятии областей внутренних напряжений 21 (фиг.10) в алмазе проводят одновременно поэтапное повышение (понижение) скорости движения и частоты изменения ускорения движения зерен абразивного порошка. Области внутренних напряжений в алмазе на черно-белом изображении проявляются в многообразии градаций серого цвета на фиг.10. В оптическом приборе в поляризованном свете эти зоны напряжений наблюдаются как многообразие цветных областей объема алмаза.
-1
-1
-1
Например, задают скорость движения зерен абразивного порошка ~300 с, а частоту изменения ускорения ~5 Гц. Через определенный период времени (~5÷20 мин) повышают суммарно скорость движения и частоту изменения ускорения на определенное значение. Например, повышают скорость на 50 с, а частоту на 2 Гц. Через выбранный период времени опять повышают скорость и частоту изменения ускорения движения зерен абразивного порошка на такое же значение (50 с, 2 Гц).
При этом через выбранный интервал времени (в данном случае интервал времени - время движения платформы 7 в одном направлении) проводят фазовую модуляцию периодической функции воздействия зерен абразивного порошка в момент изменения движения платформы 7. Скорость возвратно поступательного движения платформы 7, перемещающей алмаз 3 по плоскости инструмента 10, находится в диапазоне ~0.1÷2.0 м/мин.
Такое поэтапное повышение (понижение) режимов движения зерен абразивного порошка в совокупности с фазовой модуляцией периодической функции движения зерен абразивного порошка проводят до момента снятия внутренних напряжений 22 в алмазе за счет перестройки его кристаллической структуры (фиг.11).
На черно-белом изображении снятие напряжений выражается в уменьшении градаций серого и повышении черно-белого контраста. В оптическом микроскопе при освещении алмаза поляризованным светом снятие напряжений выражается в резком уменьшении цветных областей в объеме алмаза. Процесс снятия напряжений контролируется оптическими методами в поляризованном свете.
Применение поэтапного чередования циклических режимов волнового воздействия в совокупности с фазовой модуляцией периодической функции движения зерен алмазного абразива позволяет снимать внутренние напряжения в алмазе, сформированные внешними силами.
Например, алмаз формы октаэдра 23 (фиг.12б) имеет размер прямоугольного основания сопрягающихся пирамид ~3,7×3,8 мм. Размер главной диагонали октаэдра (суммарная высота сопрягающихся пирамид) ~4,3 мм.
Этот алмаз упруго деформируют по одной из плоскостей куба 24 (фиг.12а) с усилием ~15 Н·м, тем самым в этой первой плоскости куба 24 создают области внутренних напряжений алмаза.
Со стороны вершины алмаза 25, расположенной на нормали к напряженной плоскости куба 24, проводят воздействие инструментом с поэтапным повышением скорости и частоты изменения ускорения движения зерен абразивного порошка и фазовой модуляцией периодической функции воздействия зерен абразивного порошка. При этом в этой первой плоскости куба 24 снимают внутренние напряжения, сформированные внешними силами, за счет перестройки кристаллической структуры.
Для простоты восприятия на фиг.12в совмещены изображения плоскостей куба алмаза и алмаз октаэдрической формы.
Вторую плоскость куба 26 также упруго деформируют с усилием ~15 Нм. После воздействия инструмента на вершину кристалла 27, расположенную на нормали ко второй плоскости куба, снимают внутренние напряжения в этой второй плоскости куба алмаза.
Третью плоскость куба 28 также упруго деформируют с усилием ~15 Нм. Инструментом воздействуют на вершину кристалла 29, расположенную на нормали к третьей плоскости куба 28, и снимают внутренние напряжения в этой плоскости куба алмаза.
В результате этих действий октаэдрическую форму алмаза трансформируют в некую округлую шарообразную форму (фиг.13). В данном случае усредненный диаметр этого шарообразного образования составил ~3,7 мм.
Области контакта инструмента с алмазом - вершины 30, 31, 32. Эти вершины 30, 31, 32 (фиг.13) трансформированного алмаза соответствуют вершинам 25, 27, 29 алмаза формы октаэдра (фиг.12). Подробнее это воздействие на кристалл изложено, например, в [7].
Применение устройства генерации звуковых колебаний 8 (фиг.1), совмещенное с циклическим движением зерен абразивного порошка, повышает эффективность взаимодействия когерентных волн упругих деформаций в объеме алмаза при трансформации дефектов структуры и снятии внутренних напряжений. При этом частоту звуковых колебаний от устройства генерации 8 совмещают с частотой циклического движения зерен абразивного порошка таким образом, чтобы отношение этих частот было больше единицы и равнялось целому числу.
-1
В качестве примера, при снятии внутренних напряжений в алмазе задают скорость движения зерен абразивного порошка ~300 с, а частоту изменения ускорения ~5 Гц. При этом частота звуковых колебаний от устройства генерации 8 составляет ~50 Гц.
-1
-1
Через определенный период времени (~5÷20 мин) повышают суммарно скорость движения зерен абразивного порошка, частоту изменения ускорения и частоту звуковых колебаний устройства генерации 8 на определенное значение. Например, повышают скорость на 50 с, частоту изменения ускорения на 2 Гц, а частоту звуковых колебаний от устройства генерации 8 на 20 Гц. Через выбранный промежуток времени опять повышают скорость движения зерен абразивного порошка, частоту изменения ускорения и частоту звуковых колебаний устройства генерации 8 на такое же значение (50 с, 2 Гц, 20 Гц).
Использование данного способа обработки обеспечивает высококачественное полирование (шероховатость обработанной поверхности ~0,5÷2 нм) механическим способом с использованием абразивного порошка как плоских, так и криволинейных поверхностей алмазов любого типа независимо от их кристаллографической ориентации, включая напряженные и низкосортные алмазы.
a
max
При обработке поверхности алмаза контроль параметров его морфологии (шероховатость R, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах высот R) проводят на атомно-силовом микроскопе (ACM) марки P-47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывают по стандарту, заложенному в программном обеспечении микроскопа.
Использование предлагаемого способа обеспечивает:
- снятие с поверхности частиц алмаза в виде нанокластеров;
- внутреннюю трансформацию примесных дефектов в алмазе;
- формирование как плоских, так и криволинейных поверхностей алмаза, описываемых уравнениями второго порядка (сферических, параболических, конусообразных) в любом кристаллографическом направлении;
- трансформацию морфологии поверхности алмаза, расположенной вне зоны контакта инструмента с алмазом, вплоть до ее сублимации;
- трансформацию внутренних напряжений в алмазе до тех пор, пока на них не происходит разложение естественного светового потока на цвета оптического спектра;
- снятие внутренних напряжений на дефектных областях в объеме алмаза;
- трансформацию формы всего объема алмаза.
Это повышает функциональные возможности способа.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.И.Епифанов, А.Я.Лесина, Л.В.Зыков. Технология обработки алмазов в бриллианты. М: Высшая школа, 1987. С.335.
2. П.П.Шамаев, В.В.Ботвин, А.С.Григорьева. Способ обработки алмаза. Патент RU 2373050.
3. С.М.Пинтус, В.Ю.Карасев, Е.В.Гладченков. РОЛЬ ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, №6, с.430-440.
4. Карасев В.Ю., Мозгин А.А. Новый взгляд на применение кристаллов алмаза в микроэлектронике и нанотехнологиях // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем. -2006. Сборник научных трудов / под общ. ред. А.Л.Стемпковского. М.:ИППМ РАН, 2006. С.295-299.
5. Н.В.Чигарев. Новый механизм оптоакустического отклика в полупроводнике. ФТТ. 2004, том 46, вып.2, с.231-234.
6. В.Ю.Карасев, С.М.Пинтус, Е.В.Гладченков, О.А.Безпалов. Ювелирная Россия, 2011, том 33, №3, с.71-73.
7. В.Ю.Карасев. Неизвестный алмаз. Обычная тайна волнового процесса. - М: Издательский дом «Абзац», 2009. - 159 с.