Способи обробки алмазів у процесі створення діамантів. Як огранювачі обробляють алмази Шліфування діамантів
СПОСОБИ ОБРОБКИ ЛИЩИХ МАТЕРІАЛІВ.
Методи обробки алмазів ґрунтуються на фізико-хімічних властивостях, властивих алмазам. Дослідницькі роботищодо вдосконалення різних методівобробки алмазів пов'язані з пошуками шляхів підвищення рентабельності та зниження витрат на виготовлення кожного карата високоякісної готової продукції при серійному виробництві діамантів.
Процес обробки алмазу полягає у видаленні частини матеріалу.
Це може відбуватися за рахунок механічного, термічного, хімічного чи комбінованого впливу.
Технологічний процес обробки алмазів у діаманти включає три стадії:
Розпилювання алмазів на частини з метою раціонального використання алмазної сировини та підвищення відсотка виходу «придатної» продукції;
Обточування (обдирання) алмазів за формою близькою до майбутнього діаманта, необхідної для подальшого огранювання зі зніманням мінімального припуску;
Огранювання, що виконується у дві стадії:
1. Шліфування зі зніманням основної маси кристала для утворення на поверхні заготівлі граней певної форми;
2. Полірування з наданням відшліфованим поверхням дзеркального блиску зі зняттям рисок, що залишилися від шліфування.
Дослідницькі роботи з пошуку шляхів підвищення рентабельності при виготовленні виробів з алмазів ведуться на всіх технологічних переходах обробки алмазів із застосуванням різних методів впливу.
При механічного впливувідбувається руйнування кристалів алмазів по площинах спайності через суттєву анізотропію фізико-механічних властивостей алмазу. Руйнування може відбуватися за рахунок стиснення, вигину або розтягування залежно від градієнта напруги.
Хімічний впливза нормальної температури (293К) неможливо т.к. при температурах до 800-900К алмаз хімічно інертний і не піддається дії навіть таких кислот як плавикова, сірчана, азотна та ін при високих концентраціях. При температурі більше 900К алмаз набуває деяку хімічну активність. починає переходити до іншого алотропного стану.
Температурний вплив. При нагріванні понад 900К алмаз починає змінювати свої властивості. Твердість алмазу зменшується зі збільшенням температури, також підвищується його хімічна активність. Ця властивість алмазу широко використовується при поліруванні.
При локальному впливі температури можна провести розмірну обробку. Локальна температура створюється лазерним променем або електронним променем. Під її впливом у зоні впливу алмаз перетворюється на вуглець, який, з'єднуючись з киснем з повітря, видаляється із зони обробки.
Комбінованевплив. Процес механічної обробки алмазів абразивним інструментом є по суті комбінованим, тому що в ньому присутні і механічний і термічний і хімічний вплив на поверхню, що обробляється, т.к. застосовувані нині методи обробки алмазів зазвичай супроводжується підвищенням температури у зоні різання: при розпилюванні 600К-700К, при ограновуванні 700К-900К і більше. Температурний фактор обробки підвищує хімічну активність алмазу, сприяє його графітизації, призводить до зростання адгезійної здатності аморфного вуглецю.
Для удосконалення процесу обробки алмазів можливий підбір хімічного складуматеріалу обробного інструменту, наприклад обмежувального диска або введення в зону різання хімічно активних елементів з вуглецем.
При накладенні ультразвукових коливаньна зону обробки алмазу відбувається інтенсифікація процесу знімання маси алмазу. У середньому ефективність процесу зростає 10-15%.
Використання у гранільному виробництві електроерозійної обробки,не набуло широкого застосування через серйозні технічні проблеми при забезпеченні електропровідних властивостей поверхні та складності обладнання, що застосовується.
Аналіз існуючих методів обробки алмазів у діаманти показує, що в даний час єдиним універсальним та найбільш перспективним методом огранювання алмазів є алмазоабразивна механічна обробка.
Інші методи на даний момент серйозного практичного значення не мають через низьку продуктивність і складне технологічне обладнання за винятком лазерної розмірної обробки алмазу на попередніх операціях. Однак лазерна технологія не здатна вирішити проблеми підвищення ефективності заключних операцій обробки діамантів, особливо найбільш трудомісткої операції огранювання. Це з тим, що променеві методи обробки не забезпечують необхідних параметрів якості поверхневого шару і точності форми діаманта. Тому підвищення ефективності алмазоабразивної механічної обробки є актуальною науково-технічною проблемою сучасного виробництва з обробки алмазів у діаманти.
Протягом усього часу існування гранільного виробництва в Росії має місце безперервне вдосконалення існуючої та створення нової технології та обладнання, насамперед спрямованого на вирішення проблеми автоматизації обмежувальних операцій та на виключення ручної праці огранювача на фінішних стадіях обробки.
Недоліком існуючої технології з ручним огранюванням на фінішних стадіях обробки алмазів є прихильність огранювача до одного алмазу. На верстатах з ручним управлінням та візуальним контролем точності та якості поверхонь виробів режими обробки визначаються органами почуттів оператора-огранщика методом проб та помилок. Процес обробки при цьому об'єктивно і повністю не контролюється і не керується, тому що зрештою він залежить від кваліфікації огранщика.
Для підвищення ефективності обробки алмазної сировини в СКТБ «Кристал» (м.Смоленськ) створюються автоматизовані розпилювальні комплекси АРК-1, АРК-2 та більш модернізований комплекс АРК-3, що має більш високу чутливість датчиків синхронізації включення мікроподачі в найбільш оптимальному діапазоні швидкостей та більше точним орієнтуванням кристала по лінії розпилювання.
Для підвищення ефективності операції обдирки більшість заводів оснащені обдирними верстатами ШП-6 та АІЦ 34-006, напівавтоматами СОМ-1, їх аналогами ЛЗ-270, а також верстатами СОМ-2 СОМ-3В.
Подальші роботи з удосконалення процесу обдирки пов'язані з розробкою керуючих програм, що задають параметри обдирки та подальших операцій з гнучкою технологічною схемоюобробки кристалів, а також створення автоматизованого обдирного обладнання з ЧПУ, що комплексно вирішує проблеми підвищення ефективності обробки сировини на основі комп'ютерних технологій.
Процес огранювання (шліфування та полірування) алмазів є найбільш відповідальним, трудомістким та численним за кількістю персоналу в існуючому технологічному процесі обробки алмазів, крім того розвиток медицини та електроніки висуває більш високі вимоги до розмірів, якості поверхні та отримання оптичних класів чистоти монокристалів алмазів ніж при ограновуванні. діамантів в діаманти.
В даний час на фінішних стадіях процесу ограновування алмазів використовується ручна праця висококваліфікованих огранювачів. Верстати для ручного шліфування та полірування алмазів служать для приводу у обертання шліфувального диска, на який наноситься шаржований алмазний порошок різної зернистості по поясах шліфування та полірування. Подача на диск проводиться вручну за допомогою пристрою, керованого оператором, який вибирає «м'який» напрямок шліфування і контролює розмір кристала, керуючись своїми органами чуття; тому вирішальна роль одержуваного діаманта залежить від кваліфікації огранщика та її суб'єктивного самопочуття у процесі роботи. При ручній обробці виникають такі похибки, як неправильність геометричних форм, невідповідність розмірів, несхожість граней на одну точку. Тому до операцій ограновування на фінішних стадіях залучають огранювачів високої кваліфікації.
У Російському гранільному виробництві була спроба використовувати для автоматизації фінішних стадій огранювання алмазів верстати типу «Малютка», в яких знімання припуску з кожної грані здійснювався на певній частоті обертання огранного диска протягом фіксованого часу. Потім оправлення в автоматичному режимі здійснювала поділ на іншу грань і аналогічно здійснювалася обробка наступної грані. Однак вироби, отримані на цих верстатах, не відповідали технічним вимогам щодо геометричної точності та збіжності граней в одну точку, т.к. при використанні фіксованого (заздалегідь заданого) часу знімання припуску неможливо врахувати всіх факторів, у тому числі вплив зміни гостроти ріжучих зерен обмежувального диска у зв'язку з їх розмірним зношуванням.
Крім того, і при ограновуванні алмазів вручну, і при використанні верстатів «Малютка» шліфування кристалів здійснюється тільки в «м'якому» напрямку, що дає набагато гіршу якість поверхні, що обробляється, неприйнятне для виробів мікроелектронної техніки. Обробка таких виробів вимагає огранювання алмазів здійснювати лише у «твердому» напрямку (при цьому ймовірність дефектів повністю виключається). Однак існуюча технологія та обладнання для здійснення цього процесу не відповідають цим вимогам.
В даний час в процесі ограновування використовують різного видуманіпулятори серії УП з програмним управлінням, які дозволяють підняти продуктивність праці та позбавити кваліфікованих огранювачів монотонної праці зі «зняття маси».
На одному верстаті з використанням зазначених маніпуляторів з ЧПУ може бути виконана одночасна обробка до чотирьох алмазів. При цьому всі алмази одночасно шліфуються лише у «м'якому» напрямку. Момент закінчення процесу огранювання кожного алмазу для його відведення від диску огранювання, ділового повороту на обробку наступної грані, підведення в зону обробки і пошук «м'якого» напрямку контролюється огранювачем. Кожен напівфабрикат, що обробляється на такому верстаті, потім піддають фінішній стадії огранювання, яку здійснюють вручну.
Останні досягнення у підвищенні точності механічної обробки уможливили обробляти крихкі матеріали так, що переважним механізмом видалення матеріалу стає не тендітна руйнація, а пластична течія. Цей процес відомий як шліфування як пластичності. Коли крихкі матеріали шліфують в режимі пластичної деформації, поверхню виходить приблизно з такими ж характеристиками як після полірування або притирання. Однак на відміну від них мікрошліфування – це регульований процес, придатний для обробки високоточних виробів та деталей складної форми.
Ця принципово нова технологія, сутність якої полягає в комп'ютерному управлінні, що самоналаштовується при реалізації моделі фізичної мезомеханіки дискретного, пластичного і розмірно-регульованого мікрорізання твердоструктурних кристалів і мінералів (алмазів) на основі інформації про пружні деформації в обробній системі, реалізована в верстатному модулі з ЧПУ -12ф4, створеному в АТЗТ "АНКОН".
Так, так, дорогий читачу. Не єдиними пароплавами відома «Зірочка». З початку 2000-х років на підприємстві запущено виробництво з огранювання алмазів у діаманти. Як багато хто, ймовірно, знає, алмаз, за всіх його інших переваг технічного характеру, лише тоді стає «the girl's best friend», коли перетворюється на діамант. Про те, який шлях йому доведеться пройти наш сьогоднішній фоторепортаж.
Починається все… Вгадали з вішалки. Стороннім відвідувачам, які подолали пост виробництва обробки твердих матеріалів (так офіційно називається огранювання), пропонують одягнути халат і прикріплюють мінімум двох супроводжуючих: працівника цеху, що виконує роль екскурсовода і працівника відділу економічної безпеки. Довіряй, як то кажуть, але перевіряй.
Тепер ми готові до знайомства із цехом. Перший пункт на маршруті - комора сировини.
Саме сюди надходить сировина – неогранені алмази. Тут їх оприбутковують: перерахують, зважать, перевірять відповідність відвантажувальних документів, занесуть кожен камінь до електронної бази обліку та випишуть на кожен камінь своєрідну маршрутну картку. У цій маршрутній карті, згорнутій у конверт, алмаз і подорожуватиме ділянками.
Це робиться за допомогою системи комп'ютерної розмітки. Установка сканує алмаз та формує його тривимірну цифрову модель. Використовуючи цю модель, технолог прийме рішення, скільки діамантів вийде з конкретного каменю і яку форму вони будуть мати. На чільне місце поставлено принцип поєднання вартості майбутнього діаманта і мінімізації відходів. Програма не тільки дозволяє візуально подати приховані в алмазі діаманти, але й дасть їхню приблизну вартість. Класична форма ограновування КР-57 зазвичай має максимальну вартість. На жаль, не кожен природний камінь дозволяє досягти саме цієї форми при максимальному використанні сировини.
Вартість цього алмазного розсипу 3560 доларів.
З цього каменю вийде один діамант, але більше. Його вартість становитиме трохи менше трьох тисяч доларів.
А з цього – дві, але менші і, відповідно, на скромнішу кишеню.
Перед тим, як залишити ділянку, каміння наклеюється на спеціальні оправки для подальшої обробки. Ця стійка нагрівається в печі, щоб клей надійно прихопив алмази.
З УЗТЦ каміння потрапляє на ділянку розпилювання та обдирки. У минулі часи розпилювання каменю виконувалося механічно за допомогою бронзового диска з алмазним напиленням.
Сьогодні основний обсяг розпилювання проводиться лазером. Оператор установки може візуально контролювати процес.
Лазерне різання, по-перше, більш швидкісне. Процес розпилювання залежно від розмірів каменю може тривати від п'яти хвилин до півгодини. По-друге, товщина різу лазера складає всього 2 мікрони, що суттєво економить алмазну сировину.
Втім, деякі камені, що мають високу внутрішню напругу, різати лазером небезпечно. І тоді розпилювання проводиться по-старому – бронзовим диском.
Після розпилювання алмази, кожен з яких упакований в окремий аркуш-конвертик зі штрих-кодом, переліком всіх операцій, проведених з каменем, ім'ям прізвищ кожного з працівників, чиї руки торкалися каменю, та іншою інформацією вирушає на огранову ділянку. Саме тут алмаз перетвориться на діамант.
Огранювання алмазу проводиться на чавунному диску, що обертається, з алмазним напиленням. Піддаючись механічному впливу шліфувального диска, вуглець змінює структуру. На кристалі утворюється найтонша графітова плівка, яка стирається, доводячи алмаз до потрібної форми.
Діамант закріплюється в посадкове місце спеціального ручного пристосування - цанги.
За допомогою регулювальних гвинтів огранювач змінює положення каменю в цангу, таким чином, щоб алмаз лягав на диск під потрібним кутом. Так безформний камінь знаходить майданчик, грані та клини.
Буває й так, що камінь випадає із кріплення цанги. Диск, що обертається, може відправити його в «подорож» дільницею. Тоді лунає команда «втрата» і невдачливий огранювач вирушає на пошуки алмазу, що відлетів. Незважаючи на те, що кожне місце обмежувача обладнано спеціальними уловлювачами каміння, траплялося, що пошуки займали досить тривалий час.
Взагалі, при сигналі «втрата» все виробництво перетворюється на «підводний човен», з якого, як відомо, нікуди не дінешся. Вихід межі ділянки припиняється тимчасово пошуків загубленого каменю. За історію роботи остаточно втраченим вважався лише одне алмаз. Але він знайшовся. Вилетівши з диска огранщика камінь «прилип» до стіни, де його виявили лише за кілька років.
Оцінюючи ограновані камені порівнюються з цими стандартами.
Колір та дефектність каменю – чи не вирішальні чинники його ціни. Ціна каменів подібної ваги та огранювання, але різних за кольором може відрізнятися в рази.
З дільниці оцінки діамант через чергову комору вирушає за тридев'ять земель – до Смоленського гемологічного центру. У Смоленську діамант отримає сертифікат та перетвориться на товар. Його можна легально продавати, дарувати, передавати у спадок чи просто «чахнути» над ним, як пушкінський Кощій над златом.
Вартість цього сертифікованого діаманта – близько півтора мільйона рублів.
Усі переміщення каменів поза цеху здійснюються конвоями спецзв'язку. Усередині цеху контроль за рухом каміння здійснює відділ економічної безпеки служби безпеки підприємства. Облік каменів організований таким чином, що навіть через багато років можна повністю відновити історію кожного з них. Де був здобутий, як і ким був куплений для обробки, хто і коли торкався цього каменю, які маніпуляції з ним здійснювали, де в конкретний момент часу цей камінь знаходився під час перебування на заводі.
Ювелірне виробництво технологічно тісно пов'язане з огранюванням. Золото, срібло, каблучки, сережки, персні, кулони… Так, так. Їх також є у нас.
Виробництво серійних ювелірних прикрас починається з воску.
У спеціальних гумових формах працівник відливає воскові «прототипи» майбутніх кілець або деталей сережок. З цих воскових заготовок збирається відливальна форма. Тут її називають «ялинка». На восковий стрижень одна до одної, як гілки на ялинці, клеяться заготовки. Зібрана воскова ялинка вирушає на ливарну ділянку. Тут її заливають формувальною сумішшю, що в основному складається з гіпсу зі спеціальними добавками, і ставлять на кілька годин у піч. Ливарна форма - опока - застигає, віск виплавляється з неї, залишаючи порожній простір потрібної форми.
Форми для штучних прикрас «на замовлення» або нових зразків виготовляються на спеціальному фрезерному верстаті. Тут автомат вирізує їх із воску за завантаженими тривимірними моделями. Замовник має можливість «помацати» виріб до того, як він буде виконаний у металі.
На наступному етапі гіпсова форма буде залита золотим сплавом. Саме сплавом. У золото 999 проби вводять легуючі добавки, приводячи його до «товарної» 585 проби.
У цій ливарній печі все відбувається.
Корабельна сталь на завод приходить у листах, а ювелірне золото – у кілограмових зливках. На вигляд – чисто шоколадна плитка.
Злиток – практична форма для зберігання та перевезення золота, але працювати зі зливками незручно. На цій машині золото, що надходить в ювелірне виробництво, розкочується смужками в золоту фольгу.
Я думаю, не варто розповідати про те, наскільки твердий алмаз. Всі і так знають, що алмаз - найбільш тверда речовина з усіх, що зустрічаються у природі. Але всі водночас знають, що алмази ріжуть, шліфують, гранять, полірують. Чим? Що може впоратися з цією надтвердою речовиною? Тільки сам алмаз.
Про те, що якщо потерти один необроблений алмаз про інший, їх грані шліфуються, і блиск обох зростає, помітили ще в давній Індії. У Європі граніти алмази почали значно пізніше, у XIV-XV століттях. У середині XV століття ювелір бургундського герцога Людвіг ван Беркем вперше обмежив алмаз, який згодом отримав назву «Сансі».
У XVII столітті алмази навчилися розпилювати. Перші пили являли собою залізний дріт, поверхня якої була шаржована (насичена) алмазним порошком. Розпилювання великих алмазів тривало довго, наприклад, алмаз "Регент", що важив 410 карат, пилили близько двох років, витрачаючи величезну кількість алмазного порошку.
Нині алмази ріжуть на спеціальних верстатах за допомогою бронзових дисків, що швидко обертаються, товщиною 0,05-0,07 мм. На диски подають суспензію алмазного порошку. Сучасні установки передбачають застосування для інтенсифікації різання алмазів ультразвукового, електроерозійного, лазерного та інших видів обробки.
Найскладнішим і найвідповідальнішим процесом при виготовленні з алмазів діамантів є огранювання. Її виробляють за допомогою диска, що швидко обертається, з мідного сплаву, в який впресовані дрібні алмази, або чавунного диска, в поверхню якого втирають алмазний порошок, розведений в реп'яховому або оливковій олії.
При цьому форму каменю і розташування граней в ньому роблять з таким розрахунком, щоб світло, що падає, не проходило крізь камінь, а, зазнавши повного відображення від внутрішніх поверхонь граней, повертався б назад, забезпечуючи «гру» світла.
Ограновування діамантів - надзвичайно складний і трудомісткий процес. Великі камені гранять місяцями, а унікальні - кілька років. Маса алмазу від цієї операції скорочується вдвічі чи втричі, пропорційно зростає та її вартість.
Тому перед тим, як приступити до огранювання великих алмазів, ретельно обраховують форму майбутнього діаманту, яка забезпечить найкращу «гру» і дозволить максимально зберегти масу вихідного каменю. Зараз для цього використовують комп'ютери, які максимально полегшують завдання.
Здавалося б, алмаз – бездоганний камінь. Але й має недоліки. Він хімічно активний по відношенню до заліза та нікелю. При підвищеній температурі він утворює з ними розчини застосування та руйнується. Тобто різати алмазом сталь на високій швидкості неможливо.
Діамант безсилий навіть проти м'якого заліза. Нагріваючись у процесі різання, залізо починає у великих кількостях розчиняти у собі вуглець. Тим самим воно «з'їдає» найтвердіший у світі матеріал.
Втім, будь-який недолік можна перетворити на гідність. Цю просту хімічну реакціюможна використовувати для обробки алмазів. Така властивість неприступного алмазу дозволяє легко розрізати його розпеченим сталевим дротом.
Якщо до алмазу прикласти залізний різець, нагрітий до 1000°C, він почне розчиняти в собі вуглець, поринаючи вглиб алмазу зі швидкістю до 0,3 мм на годину. Змінюючи форму головки різця, з алмазів можна виготовляти найскладніші деталі, наприклад, втулки, шестерні та інші складні форми виробу, які неможливо виготовити інакше.
В принципі, на алмазі можна було б написати і цю статтю, був би алмаз відповідних розмірів та розпечений гвоздик!
Як співається в одній сучасній пісні: « Кращі друзідівчат – це діаманти». Напевно, не знайдеться людини, яка зможе посперечатися з таким твердженням. Ювелірний завод, який створює витвори мистецтва з дорогоцінних металів з інкрустованими в них діамантами, стикається зі складним завданням обробки алмазів, адже діамант - не що інше, як алмаз, якому за допомогою спеціальних технологій надали необхідне огранювання. І завдання це зовсім не просте, адже алмази вважають найміцнішим камінням у світі.
Як вдається обробити діамант?
В основу обробки алмазу покладено два фактори. Перший полягає у його структурі, другий - у способі обробки. Говорячи про структуру алмазу, слід зазначити, що алмаз - це вуглець, який має високий ступінь кристалізації. Атоми вуглецю, з яких складається алмаз, завжди створюють геометричну організацію, що дозволяє відколювати шматочки паралельно до тих площин, які створюють атоми. Після такого роду процедур поверхня стає більш рівною. Як не дивно, але інструментом для обробки алмазу є алмаз, точніше сказати, його відколоті шматочки. На одній із сторін кристала робиться поглиблення. Туди міститься тонкий різець. Після удару по різцю від кристала відколюється черговий шматочок. Під час обробки алмазу напрямок цієї обробки не повинен змінюватися. Розпилюється кристал за допомогою спеціальних металевих дисків, на які нанесено алмазний пил з мастилом. Виходить, що за допомогою алмазів ми обробляємо алмаз. Обробка найтвердішої речовини на Землі – процес довгий та трудомісткий. До таких робіт допускаються лише висококваліфіковані фахівці, які навчаються цьому ремеслу не один рік. Та й навчання закінчиться тим, що людина стане на довгі роки лише стажером. Приступити ж до самостійної обробки алмазів він має не так вже й скоро.
Діамант (від фр. brillant - блискучий, блискучий) - алмаз, якому за допомогою обробки надано спеціальну форму, що максимально виявляє його природний блиск. Діаманти оцінюють за системою «4 C»: cut (огранювання), clarity (чистота), color (колір) і carat (маса в каратах), що дозволяє визначити, наскільки камінь близький до досконалості.
Головне в оцінці огранювання каменю – її якість: наскільки грані геометрично точні та пропорційні. Ідеальне огранювання кодується літерою «А», далі за зменшенням якості. Чистота - найістотніший показник якості діамантів: вона виявляється у наявності чи відсутності дефектів каменю чи сторонніх включень. Ідеальний діамант, без вад, називається діамантом чистої води. За кольором діаманти поділяються на традиційні (безбарвні та всі відтінки жовтого) та фантазійні (рожеві, блакитні, сині, зелені). Маса діамантів вимірюється в каратах (1 карат дорівнює 0,2 г).
Перші форми обробки були досить примітивними: сточували одну з граней та шліфували. В 1465 придворний ювелір бургундського герцога Людвіг ван Беркем вперше зробив огранювання у формі «троянди». Протягом багатьох століть ювеліри розробляли ідеальне діамантове огранювання, таке, щоб світло в алмазі повністю внутрішньо відбивалося. У 1961 році Арпад Неджі, який 13 років працював у цьому напрямку, розробив нове огранювання алмазу - профільне («принцеса»). В останні роки саме така форма діамантів стала дуже популярною.
