NL8902323A - Diamantgereedschap. - Google Patents

Description

t.n.v. N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Diamantgereedschap

De uitvinding heeft betrekking op een diamantgereedschap waarvan een werkvlak een deel vormt van een monokristallijne diamant.

Dergelijke diamantgereedschappen vinden toepassing als beitel bij het bewerken van non-ferro metaal- en kunststofoppervlakken met zeer hoge precisie (ultra-precision machining) en als treksteen voor het trekken van draad (wire drawing die). In combinatie met een precisiedraaibank kunnen met een dergelijke beitel voorwerpen worden bewerkt welke qua vormnauwkeurigheid en qua gladheid aan hoge optische eisen voldoen. Voorbeelden van dergelijke voorwerpen zijn bijvoorbeeld matrijzen voor asferische lenzen en reflectors. Tegenwoordig zijn vormnauwkeurigheden haalbaar die beter zijn dan 0,5 pm op een diameter van het werkstuk van 20 cm. De oppervlakteruwheid Rmax (top-dal waarde) bedraagt hierbij 0,02 pm. In de nabije toekomst zullen de toegestane toleranties verder worden verscherpt, namelijk tot een Rmax van 5 nm en een vormnauwkeurigheid van 25 nm. Het zal duidelijk zijn dat dergelijke toleranties niet gehaald kunnen worden met beitels waarvan de beitelpunt vervaardigd is van gesinterde diamantkorrels of van diamantkorrels ingebed in een matrix. De gemiddelde afmeting van dergelijke korrels bedraagt immers enkele pm's. Voor hoge bewerkingsnauwkeurigheden wordt daarom als beitelpunt een scherpe en goed gedefinieerde monokristallijne diamant gebruikt, waarvan het werkoppervlak op een speciale slijpmachine nauwkeurig in de gewenste vorm is geslepen. De beitelpunt van monokristallijne diamant wordt met een speciale soldeermethode op een schacht bevestigd, waarbij de schacht op een precisiedraaibank kan worden gemonteerd.

Een diamantgereedschap van de in de aanhef vermelde soort is bekend uit Machining Data Handbook, 2nd Edition, Metcut Research Associates Inc., Cincinnati, Ohio (1972) hoofdstuk 4, paragraaf 4.7. Met de toenemende eisen van vormnauwkeurigheid en oppervlakteruwheid zijn de bekende monokristallijne diamanten niet meer geschikt als beitelpunt, aangezien de slijtage van de beitelpunt de haalbare nauwkeurigheid en ruwheid negatief beïnvloedt. Bovendien is de standtijd van de beitel oneconomisch kort.

De uitvinding beoogt onder meer een diamantgereedschap te verschaffen waarvan de slijtvastheid van het werkoppervlak sterk is verbeterd. Dit maakt ultrafijn draaien met zeer hoge precisie van werkstukken mogelijk en bewerkstelligt tevens een langere standtijd van het diamantgereedschap.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een diamantgereedschap zoals in de aanhef is beschreven en is daardoor gekenmerkt dat borium in de diamant is verdeeld (dispersed). Het borium kan in de monokristallijne diamant door het gehele kristal homogeen zijn verdeeld, doch er kunnen plaatselijk ook geringe concentratieverschillen optreden als gevolg van voorkeursrichtingen van boriumdiffusie tijdens de kristalgroei. Dergelijke borium bevattende monokristallijne diamant komt in zeer geringe hoeveelheden in de natuur voor, doch kan tegenwoordig ook synthetisch worden bereid. Gebleken is nu dat dergelijke borium bevattende monokristallijne diamant zeer geschikt is als diamantgereedschap, daar deze diamant ten opzichte van niet-boriumhoudende monokristallijne diamant slijtvaster is.

Opgemerkt wordt dat in een artikel van N.E.W. Hartley in Metastable Materials Formation by Ion Implantation, Eds. S.T. Picraux et al., New York (1982), pagina 295-302 een diamant beitelpunt wordt beschreven waarvan het oppervlak is gedoteerd met borium door middel van ionenimplantatie. Het borium blijft daarbij echter geconcentreerd aan het oppervlak van de diamant, zodat een met borium gedoteerde oppervlaktelaag van hooguit 0,3 pm aanwezig is. Bij het opnieuw slijpen van een dergelijke beitelpunt nadat deze kortere of langere tijd in gebruik is geweest, wordt een diamantlaag afgeslepen van tenminste 10 pm. De boriumhoudende oppervlaktelaag is dan geheel verdwenen, zodat in de beitelpunt opnieuw borium moet worden geïmplanteerd. Een dergelijke implantatie is een kostbare bewerkingsstap. Bovendien bevat de boriumhoudende oppervlaktelaag mechanische spanningen als gevolg van de volume-expansie van de buitenste diamantlaag door de borium-inbouw in het kristalrooster. Door deze spanningen gedraagt het diamantmateriaal zich bros, waardoor tijdens gebruik stukjes diamant van de beitelpunt afspringen. Deze stukjes diamant kunnen afmetingen van enkele pm's hebben, zodat hoge-precisiebewerkingen van oppervlakken niet meer mogelijk zijn.

Een uitvoeringsvorm van het diamantgereedschap volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat de monokristallijne diamant synthetisch is. Synthetisch monokristallijn diamant blijkt minder spreiding op slijtage te vertonen dan natuurlijk diamant. Boriumhoudende synthetische monokristallijne diamant is in de handel verkrijgbaar en biedt de mogelijkheid diamantgereedschappen te vervaardigen van een constante hoge kwaliteit.

Een uitvoeringsvorm van het diamantgereedschap volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat de diamant 1 tot 150 ppm borium

, IT A Q

bevat. Dit komt overeen met 1,8.10 tot 2,6.10 * atomen borium per o cm diamant. Zoals eerder opgemerkt is het borium verdeeld (dispersed) in het diamantkristal en kunnen plaatselijk concentratieverschillen optreden. Buiten genoemde boriumconcentraties worden de gunstige eigenschappen van een diamantgereedschap voorzien van een dergelijke monokristallijne diamant verminderd.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de navolgende uitvoeringsvoorbeelden en aan de hand van de bijgaande figuren, waarin:

Figuur 1 een zijaanzicht weergeeft van een diamantgereedschap,

Figuur 2 een bovenaanzicht weergeeft van een diamantgereedschap,

Figuur 3 schematisch de drie optredende krachten weergeeft die op de beitelpunt werken tijdens het draaien van een werkstuk,

Figuur 4 het krachtverloop tijdens het draaien als functie van de spaanlengte weergeeft bij toepassing van monokristallijn natuurlijk diamant als beitelpunt en

Figuur 5 het krachtverloop tijdens het draaien als functie van de spaanlengte weergeeft bij toepassing van boriumhoudend monokristallijn synthetisch diamant volgens de uitvinding.

In Figuur 1 en 2 is met verwijzingscijfer 1 een diai» :! ’ ., ' ,eL A ' ' iorm van een beitel weergegeven. Het gereedschap bestaat uit een stalen schacht (shank) 3 aan welk uiteinde een monokristallijne diamant 5 als beitelpunt is gesoldeerd. De schacht bevat een doorlopend gat 7 ter bevestiging van het gereedschap aan een draaibank. Het spaanvlak (rake face) 9 valt samen met een (001)- kristalvlak van de diamant en is evenwijdig aan het schachtoppervlak 17. De kristallografische asrichting 11 van de diamant wordt gekozen uit de [100]- of de [110]-richting en is evenwijdig aan de asrichting 13 van het gereedschap. De monokristallijne diamant wordt georiënteerd onder toepassing van een Laue-röntgendiffractietechniek. Door middel van slijpen wordt de diamant voorzien van een snijkant met een straal 15 van 1 mm. Het vrijloopvlak (clearance face) 19 heeft een konisch oppervlak en maakt een hoek α (vrijloophoek) van 5° met de normaal 21 op het spaanvlak 9. De beitelpunt wordt gepolijst op een gietijzeren slijpwiel welke geïmpregneerd is met synthetische diamantkorrels met afmetingen van 0,1-2 pm.

Het diamantgereedschap wordt toegepast in combinatie met een numeriek bestuurde precisiedraaibank, welke is voorzien van hydrostatisch gelagerde sleden en een luchtgelagerde hoofdspil. Tijdens het draaien wordt de beitelpunt gesmeerd met kerosine, terwijl de gevormde spanen afkomstig van het werkstuk voortdurend worden afgezogen. Het spaanvlak 9 (Figuren 1 en 2) van de beitelpunt staat tijdens het draaien loodrecht op het te verspanen werkstuk.

De slede waarop het diamantgereedschap is aangebracht, is voorzien van piezo-elektrische krachtopnemers waarmee de krachten die op de beitelpunt werken in drie loodrechte richtingen gemeten kunnen worden (figuur 3). Deze drie krachten zijn de hoofd-snijkracht Fc, de aandrukkracht (thrust force) Fp en de dwarskracht Fj. Figuur 3 geeft schematisch het af te draaien schijfvormige werkstuk 2 weer; welke roteert om een as 4 in de richting van pijl 6. In deze figuur zijn de krachten weergegeven die werken op de beitelpunt van diamantgereedschap 1.

Als proefmateriaal voor de te testen diamanten wordt een schijfvormig werkstuk 2 van elektrolytisch koper gebruikt (type ASTM F68-77) dat onder schutgas is gedesoxideerd. Dit materiaal vertoont weinig variatie in hardheid en samenstelling en heeft een zeer fijne microstructuur. De Vickers' hardheid bedraagt 86 HV.

Voor het bepalen van de slijtvastheid van de diamanten wordt een totale spaanlengte van 50 km van de koperen schijf 2 afgedraaid. De omwentelingssnelheid van deze schijf bedraagt 1000 toeren per minuut. De voeding bedraagt 5 pm per omwenteling en de snijdiepte bedraagt eveneens 5 pm. Bij de start en na iedere 10 km spaanlengte worden de drie genoemde krachten gemeten. Na 50 km spaanlengte wordt van de diamant de zogeheten kolkslijtage (crater wear) gemeten met behulp van een Talystep-apparaat. Kolkslijtage is kratervorming die optreedt in het oppervlak van het spaanvlak tijdens gebruik van de beitel.

Voor de test worden drie monokristallijne diamanttypen gebruikt, namelijk natuurlijk diamant, synthetisch diament en boriumhoudend synthetisch diamant. Het laatstgenoemde diamanttype wordt geleverd door Sumitomo Electric Industries Ltd. en bevat afhankelijk van 1 ft 1 ft de plaats in het kristal 5,7 tot 57 ppm borium (10 - 10 atomen ft . , borium per cm ). De gemeten kolkslijtage in pm staat m onderstaande tabel, waarin tevens de toegepaste kristallografische asrichting 11 (figuren 1 en 2) is vermeld.

Tabel. Kolksliitaae in urn

Uit deze tabel is te zien dat synthetisch diamant minder slijtage vertoont dan natuurlijk diamant. Boriumhoudend diamant vertoont na 50 km spaanlengte bij het afdraaien van het toegepaste koper nog geen enkele slijtage. In alle gevallen verdient de [110]-asrichting de voorkeur.

De optredende krachten F in mN tijdens het afdraaien van het genoemde koper zijn in figuur 4 weergegeven als functie van de spaanlengte d in km voor een beitelpunt van monokristallijn natuurlijk diamant. In figuur 5 zijn de krachten weergegeven voor een beitelpunt van synthetisch monokristallijn boriumhoudend diamant. De vermindering van F en Fn bij natuurlijk diamant wijst op kratervorming in het spaanvlak, waardoor de afvoer van de gevormde spaan gemakkelijker verloopt. De krater zal op den duur steeds groter worden, waardoor de snijkant afbrokkelt. Bij synthetisch monokristallijn boriumhoudend diamant treedt geen kratervorming op, waardoor de optredende krachten constant blijven. Door de sterk verminderde slijtage bij toepassing van boriumhoudend monokristallijn diamant zijn gedurende een lange standtijd een hoge vormnauwkeurigheid en een oppervlakteruwheid Rm,v van 5 nm

waA

haalbaar.

Claims (3)

1. Diamantgereedschap waarvan een werkvlak een deel vormt van een monokristallijne diamant, met het kenmerk, dat borium in de diamant is verdeeld.

2. Diamantgereedschap volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de monokristallijne diamant synthetisch is.

3. Diamantgereedschap volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de diamant 1 tot 150 ppm borium bevat.