CC BY
72
2000”
Р 23
АД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯК
к, ; МГГУ,: 31 і ЯНВарЯ - і4 і ФЄВралЯ2ооо і от
1
^ Т.Б. Теплова, О.Б. Сильченко,
2000
и
; А.С. ■ Коньшин
УДК 679.8:622.371 .........
Т.Б. Теплова, О.Б. Сильченко, А.С. Коньшин
АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ АЛМАЗОВ
настоящее время мировые центры по обработке алмазов разделились на 2 группы. К первой относится Индия, которая из-за низкой оплаты труда в состоянии рентабельно, но невысокого качества, перерабатывать сырье всего спектра характеристик. Вторую группу составляют развитые страны Израиль, Бельгия, США, Россия. В этих странах высококачественное изготовление бриллиантов рентабельно только из алмазного сырья с определенными характеристиками.
Для обоих мировых центров актуальным является решение основной задачи повышения рентабельности и снижения затрат на изготовления каждого одного карата высококачественной готовой продукции при серийном производстве бриллиантов.
Процесс обработки алмаза заключается в удалении части материала.
Это может происходить за счет механического, термического, химического или комбинированного воздействии.
Технологический процесс обработки алмазов в бриллианты включает три стадии:
• распиливание алмазов на части с целью рационального использования алмазного сырья и повышения процента выхода «годной» продукции;
• обточку (обдирку) алмазов по форме близкой к будущему бриллианту, необходимой для последующей огранки со съемом минимального припуска;
• огранку, выполняемую в две стадии:
1. Шлифование со съемом основной массы кристалла для образо-
неи определенной формы...............
2. Полирование с приданием отшлифованным поверхностям зеркального блеска со снятием рисок, оставшихся от шлифования.
Исследовательские работы по поиску путей повышения рентабельности изготовления изделий из алмазов ведутся на всех технологических переходах обработки алмазов с применением различных методов воздействия.
В настоящее время применяемые методы механического воздействия приводят к разрушению кристаллов алмазов по плоскостям спайности из-за существенной анизотропии физикомеханических свойств алмаза. Разрушение может происходить за счет сжатия, изгиба или растяжения в зависимости от применяемых методов воздействия.
Химическое воздействие при нормальной температуре (293К) невозможно т.к. при температурах до 800-900К алмаз химически инертен и не поддается действию даже таких кислот как плавиковая, серная, азотная и др. при высоких концентрациях. При температуре больше 900К алмаз приобретает некоторую химическую активность т.к. начинает переходить в другое аллотропное состояние.
Температурное воздействие .При нагревании свыше 900К алмаз начинает менять свои свойства. Твердость алмаза уменьшается при увеличении температуры, также повышается его химическая активность. Это свойство алмаза широко используется при его полировке.
При локальном воздействии температуры можно произвести размерную обработку. Локальная температура создается лучом лазера или элек-
тронным лучом. Под её влиянием в зоне воздействия алмаз превращается в углерод, который соединяясь с кислородом из воздуха удаляется из зоны обработки.
Комбинированное воздействие. Процесс механической обработки алмазов абразивным инструментом является по существу комбинированным, потому что в нем присутствуют и механическое и термическое и химическое воздействие на обрабатываемую поверхность, т.к. применяемые в настоящее время методы обработки алмазов как правило сопровождается повышением температуры в зоне резания: при распиливании
600К-700К, при огранке 700К-900К и более. Температурный фактор обработки повышает химическую активность алмаза, способствует его графи-тизации, приводит к росту адгезионной способности аморфного углерода.
Для усовершенствования процесса обработки алмазов возможен подбор химического состава материала обрабатывающего инструмента, например ог-раночного диска или ввода в зону резания химически активных с углеродом элементов.
При наложении ультрозвуковых колебаний на зону обработки алмаза происходит интенсификация процесса съема массы алмаза. В среднем эффективность процесса растет на 10-15 %.
Использование в алмазообрабатывающем производстве электроэрози-онной обработки не получило широкого применения из-за серьезных технических проблем при обеспечении электропроводящих свойств поверхности и сложности применяемого оборудования.
Анализ существующих методов обработки алмазов в бриллианты показывает, что в настоящее время единственным универсальным и наиболее перспективным методом огранки алмазов является алмазоабразивная механическая обработка.
Остальные методы на данный момент серьезного практического значения не имеют из-за низкой производительности и сложного технологического оборудования за исключением лазерной размерной обработки алмаза на предварительных операциях. Однако лазерная технология не способна решить проблемы повышения эффективности заключительных операций обработки бриллиантов, особенно
наиболее трудоемкой операции огранки. Это связано с тем, что лучевые методы обработки не обеспечивают требуемых параметров качества поверхностного слоя и точности формы бриллианта. Поэтому повышение эффективности алмазоабразивной механической обработки является актуальной научно-технической проблемой современного производства по обработке алмазов в бриллианты.
На протяжении всего времени существования алмазообрабатывающей и ограночной промышленности в России имеет место непрерывное совершенствование существующей и создание новой технологии и оборудования, прежде всего направленного на решение проблемы автоматизации ограночных операций и на исключение ручного труда огранщика на финишных стадиях обработки.
Недостатком существующей технологии с ручной огранкой на финишных стадиях обработки алмазов является привязанность огранщика к одному алмазу. На станках с ручным управлением и визуальным контролем точности и качества поверхностей изделий режимы обработки определяются органами чувств оператора- огранщика методом проб и ошибок. Процесс обработки при этом объективно и полностью не контролируется и не управляется, так как в конечном итоге он зависит от квалификации огранщика
Для повышения эффективности обработки алмазного сырья в СКТБ «Кристалл» (г. Смоленск) создаются автоматизированные распиловочные комплексы АРК-1, АРК-2 и более модернизированный комплекс АРК-3, имеющий более высокую чувствительность датчиков синхронизации включения микроподачи в наиболее оптимальном диапазоне скоростей и более точной ориентировкой кристалла по линии распиливания.
Для повышения эффективности операции обдирки большинство заводов оснащены обдирочными станками ШП-6 и АИЦ 34-006, полуавтоматами СОМ-1, их аналогами Л3-270, а также станками СОМ-2.
Обдирочный станок СОМ-3В создан в СКТБ «Кристалл» с учетом опыта эксплуатации предшествующих станков. Он имеет в отличии от СОМ-2 плавную регулировку частоты вращения шпиндельных узлов, быстросменный патрон для обдирки под
бриллианты фантазийных форм огранки и устройство доводки для сопряжения дуг. Эти станки легко вписываются в существующую на большинстве предприятий технологическую схему, могут быть легко адаптированы в систему прямого или группового управления станками типа DNC [Direct Numerial Control], представляющим собой ЭВМ или сеть ЭВМ, которая в режиме разделения времени, управляет одновременно несколькими станками. При этом главная функция центральной ЭВМ - наблюдение за каждым станком группы и снабжения его необходимой информацией, содержание которой представляют управляющие программы.
Дальнейшие работы по совершенствованию процесса обдирки связаны с разработкой управляющих программ, задающих параметры обдирки и последующих операций с гибкой технологической схемой обработки кристаллов, а также создание автоматизированного обдирочного оборудования с ЧПУ, комплексно решающего проблемы повышения эффективности обработки сырья на основе компьютерных технологий.
Процесс огранки (шлифова-ние и полирование) алмазов является наиболее ответственным, трудоемким и многочисленным по количеству персонала в существующем технологическом процессе обработки алмазов, кроме того развитие медицины и электроники предъявляет более высокие требования к размерам, качеству поверхности и получению оптических классов чистоты монокристаллов алмазов чем при огранке алмазов в бриллианты.
В настоящее время на финишных стадиях процесса огранки алмазов используется ручной труд высококвалифицированных огранщиков. Станки для ручного шлифования и полирования алмазов служат для привода во вращение шлифовального диска, на который наносится шаржированный алмазный порошок различной зернистости по поясам шлифования и полирования. Подача на диск производится вручную с помощью приспособления, управляемого оператором, который выбирает «мягкое» направление шлифования и контролирует размер кристалла, руководствуясь своими органами чувств, поэтому решающая роль в качестве получаемого бриллианта зависит от квалификации
огранщика и его субъективного самочувствия в процессе работы. При ручной обработке возникают такие погрешности, как неправильность геометрических форм, несоответствие размеров, несходимость граней в одну точку. Поэтому к операциям огранки на финишных стадиях привлекают огранщиков высокой квалификации.
В Российском ограночном производстве была предпринята попытка использовать для автоматизации финишных стадий огранки алмазов станки типа «Малютка», в которых съем припуска с каждой грани осуществлялся на определенной частоте вращения ограночного диска в течении фиксированного времени. Затем оправка в автоматическом режиме осуществляла деление на другую грань и аналогично осуществлялась обработка следующей грани. Однако изделия, полученные на этих станках, не соответствовали техническим требованиям по геометрической точности и сходимости граней в одну точку, т.к. при использовании фиксированного (заранее заданного) времени съема припуска невозможно учесть всех факторов, в том числе влияние изменения остроты режущих зерен огра-ночного диска в связи с их размерным износом.
Кроме того, и при огранке алмазов вручную, и при использовании станков «Малютка» шлифовка кристаллов осуществляется только в «мягком» направлении, что даёт гораздо худшее качество обрабатываемой поверхности, неприемлемое для изделий микроэлектронной техники. Обработка таких изделий требует огранку алмазов осуществлять только в «твердом» направлении (при этом вероятность дефектов полностью исключается). Однако существующая технология и оборудование для осуществления этого процесса не отвечают этим требованиям.
В настоящее время в процессе огранки используют различного вида манипуляторы серии УП с программным управлением, которые позволяют поднять производительность труда и избавить квалифицированных огранщиков от монотонного труда по «снятию массы».
На одном станке с использованием указанных манипуляторов с ЧПУ может быть произведена одновременная обработка до четырех алмазов. При
этом все алмазы одновременно шлифуются только в «мягком» направлении. Момент окончания процесса огранки каждого алмаза для его отвода от ограночного диска, делительного поворота на обработку следующей грани, подвода в зону обработки и поиск «мягкого» направления контролируется огранщиком. Каждый обрабатываемый на таком станке полуфабрикат затем подвергают финишной стадии огранки, которую осуществляют вручную.
Последние достижения в повышении точности механической обработки сделали возможным обрабатывать хрупкие материалы так, что преобладающим механизмом удаления материала становится не хрупкое разрушение, а пластическое течение. Этот процесс известен как шлифование в режиме пластичности. Когда хрупкие материалы шлифуют в режиме пластической деформации, получается поверхность примерно с такими же характеристиками как после полирования или притирки. Однако в отличии от них микрошлифование- это регулируемый процесс, пригодный для обработки высокоточных изделий и деталей сложной формы.
Научно-технический продукт (НТП), создаваемый в настоящее время коллективом ученых и специалистов МГГУ, АОЗТ «Анкон», НИИ «НЦ», представляет собой принципиально новую технологию, сущность которой состоит в самонастраивающемся компьютерном управлении при реализации модели физической мезо-механики дискретного, пластичного и размерно-регулируемого микрорезания твердоструктурных кристаллов и минералов (алмазов) на основе ин-
формации об упругих деформациях в обрабатывающей системе.
В результате применения указанного НТП возможно обеспечить следующие выходные экономические показатели:
• совместить операции шлифования и микрошлифования при полном устранении микротрещин и достичь оптических классов чистоты на обработанной поверхности;
• достичь с воспроизводимыми результатами высокое качество и размерную стабильность обработанных оптических поверхностей на технологически сложных деталях оператором независимо от уровня его квалификации;
• повысить точность обработки и снизить долю поверхности, подвергшейся при шлифовании хрупкому разрушению, с 99 % до 5 %;
• осуществить автоматический выбор оптимальных режимов резания на более высоких технологических параметрах, чем при ручных операциях полирования и притирки;
• осуществлять групповую обработку изделий типа «ювелирная вставка»
(0,1 мм .....20 мм) в 15 местной
сменной кассете со стабильным эстетическим качеством, соответствующим бриллиантовой огранке в условиях мелкосерийного и серийного производства при минимизации весовых потерь на каждом отдельном изделии;
• обеспечить 10-и кратное повышение производительности при отказе от использовании операторов (огранщиков) высокой квалификации, а также от доводочных операций (притирки, полировки).
Освоение в ограночном производстве созданного НТП и оснащение оборудованием с ЧПУ государственных предприятий алмазнобриллиантовой отрасли позволит сохранить численность персонала на этих предприятиях за счет круглосуточной эксплуатации оборудования и обеспечить рост производства обработанных алмазов в бриллианты до 10-ти раз.
Наиболее перспективным путем повышения производительности производства бриллиантов из алмазов при обеспечении повышенных требований к качеству обрабатываемой поверхности является внедрение новых технологий обработки алмазов на основе созданного НТП, позволяющих автоматизировать все стадии обработки алмазов в том числе предварительную и окончательную огранку и тем самым полностью автоматизировать изготовление бриллиантов. При этом компьютерные технологии позволят реализовать единую технологическую цепочку, начиная от выбора оптимальной формы бриллианта в зависимости от конкретного алмазного сырья, его компьютерную разметку, процессов распиливания лазерным комплексом, обдирочные операции на комплексах с ЧПУ, устранение внешних и внутренних дефектов кристалла, предварительную и окончательную огранку на суперпрецизионных многокоординатных станочных модулях с ЧПУ, автоматизированную оценку качества ювелирных алмазов и индивидуальную сертификацию (паспортизацию камней), а также обеспечить межоперационный контроль параметров на всех этапах технологического процесса.
Ш
І силова І.Б. аспирані, кафедры «Техно, іоіия художес твенной обрабо тки мин ера. юв», Московский государственный юрный университет,
Сильченко Ольга Борисовна — кандидат технических наук, докторант кафедры «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет, директор ЗАО «Анкон».
Коньшин Анатолий Сергеевич — кандидат технических наук, президент ЗАО «Ан-
У
