Однокристальное алмазное сверло

Полезная модель относится к однокристальным алмазным инструментам, в частности к алмазным сверлам, предназначенным для сверления глубоких отверстий в сверхтвердых минералах, полупроводниковых кристаллах, керамике, ферритах, твердых сплавах, драгоценных и полудрагоценных камнях, может быть использовано в электронике, машиностроении и приборостроении, в ювелирной и оптической промышленностях, в строительстве и быту. Алмазное сверло содержит металлический держатель и кристалл алмаза, в котором выполнено отверстие диаметром, обеспечивающим перед пайкой подвижную широкоходовую посадку металлического держателя сверла, и глубиной, не превышающей половины его диаметра, так чтобы при пайке сплав припоя обеспечивает соединение металлического держателя сверла с кристаллом алмаза по всей площади поверхности отверстия. Технический результат: повышение механической прочности закрепления кристалла алмаза на металлическом держателе сверла и увеличение ресурса работы сверла. 1 ил.

Область применения

Полезная модель относится к высокопрочному инструменту специального назначения, а более конкретно к однокристальным алмазным инструментам, в частности к алмазным сверлам, предназначенным для сверления глубоких отверстий в сверхтвердых минералах, полупроводниковых кристаллах, керамике, ферритах, твердых сплавах, драгоценных и полудрагоценных камнях, в которых в качестве рабочего тела используется монокристалл алмаза, припаянный на торец тонкого металлического корпуса-держателя с диаметром меньше самого кристалла алмаза, может быть использовано в электронике, машиностроении и приборостроении, в ювелирной и оптической промышленностях, в строительстве и быту.

Уровень техники

Наиболее близким по технической сущности и существенными признаками является монокристаллическое алмазное сверло, в котором в качестве рабочего тела применяется синтетический или природный монокристалл алмаза, жестко присоединенный к металлическому держателю пайкой многокомпонентным эвтектическим припоем, а кристаллографическое направление (III) монокристалла алмаза установлено параллельно оси держателя, при этом алмаз обработан под заданный диаметр сверла и требуемую конфигурацию режущих кромок, причем диаметр обработанного монокристалла алмаза перпендикулярный его оси больше диаметра держателя [1]. Соединение металла держателя сверла с алмазом осуществляется не механическим захватом монокристалла, а посредством образования химических связей на границе раздела металл-алмаз, в результате чего место соединения может быть локализовано на отдельных участках алмазной поверхности или на одной отдельной грани. В сверле такое соединение полностью исключает прямой контакт металлического держателя с обрабатываемым материалом, что обеспечивает сверление на большую глубину, которая определяется только механическими свойствами и длиной металлического держателя сверла.

Недостатком известного сверла является низкий ресурс его работы при обработке твердых материалов из-за преждевременного выпадения кристалла алмаза с металлического держателя сверла. В известном техническом решении соединение пары монокристалл алмаза-металлический держатель осуществляется через тонкий слой припоя плоского участка поверхности алмаза с плоским торцом металлического держателя, площадь контактной поверхности, которых определяется площадью поперечного сечения плоского торца металлического держателя. При этом чем, меньше размер монокристалла алмаза, тем меньше площадь поперечного сечения плоского торца металлического держателя сверла и, соответственно, меньше площадь контактирующих пар и ниже механическая прочность закрепления кристалла алмаза на металлическом держателе сверла.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом полезной модели является повышение механической прочности закрепления монокристалла алмаза на металлическом держателе сверла и увеличение ресурса работы сверла.

Технический результат достигается тем, что в алмазном однокристальном сверле, в котором монокристалл алмаза жестко присоединен к металлическому держателю пайкой многокомпонентным эвтектическим припоем и обработан до заданных размеров и требуемой конфигурации режущих кромок, согласно предлагаемой полезной модели, в кристалле алмаза выполнено отверстие диаметром, обеспечивающим перед пайкой подвижную широкоходовую посадку металлического держателя сверла, и глубиной, не превышающей половины его диаметра, так чтобы при пайке сплав припоя обеспечивает соединение металлического держателя с кристаллом алмаза по всей площади поверхности отверстия. При этом за счет увеличения площади контактной поверхности промежуточного слоя на межфазной границе алмаз-металл, образованного химическим взаимодействием, повышается механическая прочность паяного соединения кристалла алмаза с металлическим держателем сверла. Также дополнительный вклад в повышении прочности соединения оказывает образование механического зацепления кристалла алмаза с металлическим держателем за микронеровности и шероховатости поверхности отверстия при затвердевании состава припоя. При глубине отверстия, превышающей половины диаметра металлического держателя сверла, происходит разупрочнение кристалла алмаза и возрастает риск его разрушения.

Отверстие в кристалле алмаза сравнительно легко может быть выполнено, например, методами лазерной и электроэрозионной обработки [2] или термохимическим способом обработки алмаза [3], суть которого заключается в том, что при температуре 600-1200°С и непосредственном контакте алмаз вступает в взаимодействие с переходными металлами (железо, никель и др.) и легко растворяется в них. Непрерывность процесса обработки алмаза достигается обезуглероживанием металла газом, с которым алмаз непосредственно не реагирует, например, водородом. Вышеуказанные методы обработки алмаза позволяет получать отверстие любой формы и глубины, в любых кристаллографических направлениях алмаза с высокой скоростью по сравнению с механическим методом обработки отверстий.

Краткое описание чертежей.

На Фиг. 1 показана схема однокристального алмазного сверла.

Осуществление полезной модели

Алмазное сверло изготавливается следующим образом (Фиг. 1). В глухое отверстие 1 кристалла алмаза 2, неподвижно установленного в гнезде графитовой кассеты 4 отверстием вверх, последовательно закладывают предварительно пластифицированную органическим клеем шихту многокомпонентного эвтектического припоя 3 и вертикально устанавливают и вручную подпрессовывают металлический держатель сверла 5. Графитовую кассету 4 с вертикально расположенными кристаллом алмаза 2 и металлическим держателем сверла 5 помещают в вакуумную печь (4·10^-3 мм.рт.ст.) и спекают при температуре 900-950°С. В процессе пайки-спекания в печи металлический держатель сверла 5 удерживается в вертикальном положении с помощью специального приспособления (на фиг. 1 оно не показано). Сначала подвергают медленному нагреву до 750°С, в ходе которого происходит разложение, испарение и удаление паров вещества органического клея-пластификатора. Затем производят быстрый нагрев до рабочей температуры, в процессе которого происходит образование жидкой фазы и заполнение всего пространства и щелей между поверхностью металлического держателя 5 и глухим отверстием в кристалле алмаза 2. При затвердевании припоя кристалл алмаза 2 припаивается к металлическому держателю сверла 5 по всей площади контактной поверхности.

Таким образом, выполнение глухого отверстия в кристалле алмаза при его пайке с металлическим держателем сверла обеспечивает повышение механической прочности закрепления алмаза на металлический держатель и увеличение ресурса работы сверла за счет увеличения площади контактной поверхности на межфазной границе алмаз-металл и образования механического зацепления кристалла алмаза с металлическим держателем сверла.

Источники информации:

[1] - Патент РФ 2042478, МПК: B23B 51/00, опубл. 27.08.1995 г.;

[2] - В.И. Епифанова и др. Технология обработки алмазов в бриллианты. - М.: Высшая школа, 1987, стр. 92-135;

[3] - Взаимодействие алмаза с переходными металлами. Сб.научных трудов./АН СССР под ред. Соболева Н.В. и др., Новосибирск, 1989 г., с. 3-8.

Алмазное сверло, содержащее монокристалл алмаза, жестко присоединенный к металлическому держателю сверла пайкой многокомпонентным эвтектическим припоем, и обработанный перпендикулярно оси сверла, диаметр которого больше диаметра металлического держателя, отличающийся тем, что кристалл алмаза выполнен с отверстием, диаметр которого обеспечивает перед пайкой подвижную широкоходовую посадку металлического держателя сверла, а глубина не превышает половину его диаметра для обеспечения соединения металлического держателя с кристаллом алмаза по всей площади поверхности отверстия при пайке-спекании в вакууме.

РИСУНКИ