Электроискровой способ изготовления отверстий в алмазах

Среди способов обработки металлов методами пластической деформации волочение является весьма прогрессивным технологическим процессом, во многих случаях успешно соревнующимся со штамповкой и прокаткой металла. Слабое место этого технологического процесса — фильер, т. е. инструмент, через который протягивается заготовка. Стойкостью фильеры называется способность его противостоять усилиям трения, развиваемым при волочении, т. е. сохранять в течение какого-то отрезка времени заданные геометрические формы и размер.

Если этот вопрос сейчас более или менее успешно разрешен применением карбидных материалов для волочения изделий, диаметр которых лежит в диапазоне от долей до десятков миллиметров, то при переходе к волочению изделий, диаметр которых определяется сотыми долями миллиметра, возникают большие трудности.

Сложность решения задачи по изготовлению фильера со столь малыми размерами калибрующего канала обусловливается тем, что с уменьшением диаметра протягиваемого изделия резко возрастают удельные нагрузки, испытываемые фильерой. В этом случае твердость твердых сплавов, успешно применяемых для изготовления фильер большего размера, оказывается недостаточной, а величина зерен карбида вольфрама, являющегося основной частью твердосплавных материалов, становится соизмеримой с размером изделия, подлежащего волочению, что — недопустимо.

Вследствие указанных причин сейчас во всех странах волочение изделий, диаметр которых ниже 0,025 мм, осуществляется исключительно через алмазные фильеры. Применение столь твердого материала для изготовления фильер со всей остротой поставило вопрос о том, как изготовлять отверстия в алмазах. Очевидно, что любые приемы механического сверления в данном случае не применимы, так как для этого было бы необходимым оснастить сверло материалом еще более твердым, чем алмаз. Поскольку такие материалы пока в промышленности отсутствуют (бора зон еще не нашел себе широкого применения), до последнего времени единственно возможным путем изготовления отверстий в алмазах был метод истирания. Этот метод заключается в том, что отверстие в алмазе изготавливается алмазным порошком, истирающим поверхность алмаза в заданном месте. Практически это осуществлялось вращением металлической иглы на заданной точке поверхности алмаза, смачиваемой водной суспензией частиц алмаза, взвешенных в воде.

Поскольку в основе рассматриваемого технологического процесса изготовления отверстия лежит процесс обработки материала материалом такой же твердости, этот процесс был чрезвычайно трудоемок. Например, при изготовлении фильера 20 мк имеет место следующее распределение времени (в часах) по операциям (табл. 1).

Таблица 1

Операции СССР Голландия Англия США
Подготовка 1 1.5 2
Сверление входной распушки отверстия 10 15 50 1-26
Сверление рабочего конуса 80 75 120 80-100
Изготовление калибрующей части фильера 5 6 8
Полировка поверхности 10 15 20
Итого 106 112,5 170 111—156

Из табл. 1 следует, что для изготовления отверстия в фильере требуется от 2 до 3 недель. Наличие такого длительного цикла обработки весьма ограничивало оперативность заводов, применявших алмазное волочение, и требовало создания больших цехов по обработке алмаза.
Вследствие этого своевременно была поставлена задача разработать новый, не механический способ обработки отверстий в алмазах, который бы значительно сократил время, требующееся на изготовление алмазных фильер. Естественно, что при решении этой задачи внимание исследователей было привлечено к возможности осуществить эту задачу электроискровой обработкой, однако ряд существенных свойств алмаза не позволял непосредственно перенести для решения этой задачи опыт, накопленный в электроискровой обработке металлов.

С этой целью рассмотрим вначале некоторые основные физико-химические свойства алмаза.
1. Алмаз — прозрачное твердое кристаллическое вещество, либо бес-цветное, либо окрашенное в темно-серый, коричневый, темно-зеленый или черный цвета.
2. Элементарная решетка алмаза содержит 18 атомов.
3. В большинстве случаев алмаз представляет собой химически чистый углерод, являясь третьей модификацией этого элемента (первые две — уголь и графит).
4. Алмаз имеет металлоидный характер.
5. Плотность алмаза 3,50 + 0,01.
6. Удельное сопротивление 5 × 1014 ом/см.
7. Алмаз обладает исключительно высокими оптическими свойствами: высоким лучепреломлением и сильным светорассеянием, обусловливающим сильный блеск. Он имеет показатель преломления 2,17.
8. Алмаз наиболее твердое вещество из всех как известных в природе, так и искусственно полученных веществ (свойства боразона еще нигде не описаны).
9. Температуры плавления и кипения неизвестны.
10. Алмаз весьма хрупок. Излом раковистый.
11. Переход алмаза в графит совершается при температуре около 1700° и происходит крайне медленно. Обратный переход вообще не наблюдался.
12. В струе кислорода алмаз при температуре 720° С легко загорается, горит, образуя двуокись углерода и развивая температуру до 850° С. При сгорании некоторых окрашенных образцов остается до 5% золы, состоящей преимущественно из окислов железа.
13. Алмаз не магнитен.
14. Алмаз — химически инертное вещество. В кислотах не разлагается и с трудом окисляется сильными окислителями (например, расплавом селитры или горячим хромпиком).

Из рассмотрения приведенных физико-химических характеристик алмаза надлежит сделать два вывода: во-первых, алмаз в отличие от других модификаций является твердым и весьма хорошим диэлектриком. Его удельное сопротивление такое же, как у кварца, стекла типа Пирекс, эбонита и др., и, во-вторых, поскольку алмаз является углеродом, оказывается возможным, за счет поверхностных химических реакций, переводить его из твердого состояния в газообразную фазу.

Эти два вывода мы и положили в основу наших исследований по созданию электроискрового способа обработки алмаза. Было очевидно, что. поскольку алмаз обладает высокими диэлектрическими свойствами, применение электроискровой обработки в обычном виде не даст какого-либо эффекта, поскольку электрический пробой будет идти не через алмаз, а через среду, окружающую его. Решение этой задачи было возможно осуществить двумя путями. Во-первых, попытаться, используя свойства алмаза, сделать его хотя бы временно проводником электрического тока, или, во-вторых, заставить электронный пучок совершать работу в электронейтральном веществе. Для решения задачи по первому варианту имелось достаточно данных, подтверждающих реальность этого направления. В частности, было известно, что если алмаз подвергнуть облучению гамма-частицами, то в процессе облучения он будет проводить электрический ток и, следовательно, сможет быть применена обычная схема электроискровой обработки. Имелись также отдельные сведения о резком уменьшении диэлектрических свойств алмаза при облучении его ультрафиолетовой частью спектра или с повышением температуры его.

Нам представлялось малоперспективным применение гамма-облучения в массовом производстве алмазных фильер, поэтому данная возможность увеличения электрической проводимости алмаза нами и не исследовалась; остальные два способа увеличения проводимости были подробно изучены.

С этой целью алмазы весом 0,6÷0,75 карат и максимальным габаритом 3—4 мм зажимались между серебряными остриями и подвергались или облучению ультрафиолетовыми лучами (фиг. 1), или нагреванию. В результате измерений было установлено, что действительно во время облучения алмаза ультрафиолетовыми лучами его проводимость вдоль различных осей кристаллической решетки уменьшается на 100—150 Мом, однако, если учесть, что в этом случае все же абсолютная величина сопротивления продолжает оставаться на уровне 250—300 Мом, то практически для условий электроискровой обработки алмаз продолжает быть изолятором.

Нагревание алмаза дало более существенные результаты. Эти данные представлены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что проводимость алмаза существенно зависит от температуры. В пределах условий проведенного опыта она повышалась почти в три раза, и, очевидно, где-то около температуры воспламенения проводимость его действительно высока. Однако в условиях проведенного опыта, когда температура алмаза была уже весьма велика, все же его сопротивление оказалось еще столь значительным, что и этот прием уменьшения сопротивления алмаза так же, как и в предыдущем случае, не мог иметь какого-либо практического смысла.

Приспособление для изучения проводимости алмаза в ультразвуковых лучах
Рис. 1. Приспособление для изучения проводимости алмаза в ультразвуковых лучах

Решение поставленной задачи было найдено в другом направлении, Всеми нашими работами предшествующих лет утверждается, что искровой электрический импульс представляет собой электронный пучок, с большой скоростью перемещающийся от катода к аноду, и что в зависимости от величины напряжения, приложенного к электродам, этот электронный пучок углубляется в поверхность анода на различную глубину.

Таблица 2

Температура, С° Сопротивление, Мом
30 1400
40 1300
80 1100
100 1050
140 970
160 940
180 900
200 800
220 720
240 690
260 600
280 560
300 490
320 420
280 500
260 510
240 520
240 540
200 570
180 580
160 690
140 600
120 610
100 650
80 690
60 780
40 1500

Если анодом является достаточно толстая пластина (хотя бы толщиной несколько миллиметров), то пучок летящих электронов будет резко и полностью остановлен твердой металлической поверхностью. При этом вся энергия торможения электронов выделится в поверхностных слоях анода. Поскольку при этом мощность достаточно велика, то происходит направленный взрыв участка анода, воспринявшего импульс. Во время электрического взрыва не только расплавленный, но и размягченный металл выбрасывается из чаши, вмещающей пораженный объем металла.

Если же анодом является очень тонкий проводник тока, например, металлическая фольга, то пучок электронов, ударившись об его поверхность, легко пробивает ее и продолжает свой путь в заанодной области. В этом случае анод выполняет роль своеобразной ускоряющей сетки. Поскольку анод был тонок, то на его пробой было затрачено весьма небольшое количество энергии; следовательно, электронный пучок, двигаясь в заанодной области, еще обладает большим запасом энергии. И если на его пути находится какое-либо вещество, то электронный пучок, ударившись в него, произведет значительную работу.

Этот схематически описанный процесс и был нами использован для обработки материалов, не проводящих электрический ток. Совершенно очевидно, что, если при только что рассмотренной постановке эксперимента под тонкой фольгой расположить какое-то вещество (например, алмаз), то пучок летящих с большой скоростью электронов будет резко остановлен этой электронейтральной поверхностью, и при этом вся энергия торможения электронов выделится в поверхностных слоях вещества. Как следствие торможения, развиваются высокие температуры, испаряющие и взрывающие поверхностные слои этого вещества.

Так протекает элементарный процесс изготовления отверстия в алмазе в течение одного искрового электрического импульса. Для продолжения этого процесса пробитая электрическим импульсом поверхность анода должна быть как-то восстановлена. Это оказалось очень просто осуществимым. Совершенно очевидно, что для возникновения и развития искрового электрического импульса необходимо лишь наличие определенной величины электрического поля между катодом и анодом и при этом не налагается никаких ограничений на состав и состояния анода. Вследствие этого анод необязательно должен быть, например, твердым веществом. Он должен лишь хорошо проводить электрический ток. Исходя из этих положений, оказывается вполне достаточным поместить алмаз в небольшую ванночку и заполнить ее любым раствором — электролитом так, чтобы поверхность его едва покрывала поверхность обрабатываемого алмаза. Тогда, соединив массу электролита с анодом разрядного контура и подняв напряжение на электродах до соответствующей величины (обычно для этих случаев несколько киловольт), будут созданы условия для образования единичного искрового электрического импульса, который при своем протекании вырвет из поверхности алмаза определенную порцию его. После этого элементарного процесса образовавшееся при прохождении импульса в жидкости отверстие захлопнется, и система будет вновь подготовлена для образования следующего импульса.

В соответствии с рассмотренными условиями эксперимента была создана установка, имеющая в качестве основных элементов регулируемый высоковольтный (до 5000 в) трансформатор, ламповый выпрямитель, емкость, включенную параллельно ванночке с электролитом, и вольфрамовый катод, при помощи которого и осуществляется процесс изготовления отверстия в алмазе.

При дальнейшей разработке только что рассмотренного процесса его удалось еще более упростить, используя свойство электронного пучка преимущественно отделяться от катода (тем более твердого) и с большими трудностями имитировать разряд с анода (тем более жидкого). Т. е. сочетание электродов «твердый катод и жидкий анод» позволило использовать для изготовления отверстий в алмазах переменный ток высокого напряжения, выпрямляя его непосредственно при протекании самого процесса обработки. В таком виде сейчас этот способ изготовления отверстий в алмазных фильерах и применяется промышленностью.

Для характеристики экономичности этого процесса достаточно сказать, что после применения электроискрового способа изготовление собственно отверстия в алмазном фильере (не считая доводки отверстия до заданного размера) осуществляется от 25 мин до 8 час. Если сравнить эти данные с величинами, приведенными в табл. 1, то какие-либо комментарии в отношении экономичности этого процесса будут излишними.

В заключение отметим, что само слово «алмаз» по-арабски и по-гречески означает «неукротимый, твердейший». Ныне алмаз, несмотря на такое громкое название, абсолютно «укрощен» и даже будучи диэлектриком послушно подчиняется едва видимой, но «сверхтвердой» электрической искре.

Читайте также:
Блог про медицину — отличный источник знаний для всех. Узнайте, что говорят врачи, а также природу болезней.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru