Способ лазерной обработки кристаллических сверхтвердых материалов

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Республиканское алмазообрабатывающее унитарное предприятие Гомельское ПО Кристалл(72) Авторы Старовойтов Александр Семенович Зайцев Валентин Алексеевич Макеев Владимир Васильевич Шершнев Евгений Борисович Ретюхин Георгий Евгеньевич Драенков Юрий Александрович(73) Патентообладатель Республиканское алмазообрабатывающее унитарное предприятие Гомельское ПО Кристалл(57) 1. Способ лазерной обработки кристаллических сверхтвердых материалов путем проведения компьютерной съемки заготовки обрабатываемого материала с формированием изображения, на основе которого устанавливают оптимальный путь обработки, в процессе которой формируют плоскость реза путем удаления материала с обрабатываемой поверхности воздействием лазерного излучения при относительном перемещении заготовки, отличающийся тем, что осуществляют послойное формирование плоскости реза обходом наборов вложенных в ширину реза каждого слоя контуров, сдвинутых на одинаковое расстояние друг от друга в горизонтальной плоскости, со смещением после прохождения каждого слоя фокуса лазерного излучения вглубь заготовки на толщину удаленного слоя материала, при этом воздействие лазерным излучением осуществляют при расположении фокуса излучения на обрабатываемой поверхности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перемещение заготовки обрабатываемого материала осуществляют со вставкой технологических петель по углам контура обработки.(56)2-34293 , 1990.2094225 1, 1997.0004707 1, 1997.96/31315 1. Изобретение относится к обработке кристаллических сверхтвердых материалов лазерным излучением и может быть использовано в технологиях изготовления бриллиантов и однокристального инструмента, таких как распиливание, предварительная обточка по запрограммированному контуру, маркировка. В традиционной технологии обработки природных и синтетических алмазов преобладают механические методы обработки, к которым относятся распиливание, раскалывание,шлифование. Однако традиционные методы обработки достаточно трудоемкие. Обработку необходимо осуществлять только с учетом ориентации кристаллической решетки, что не всегда позволяет эффективно использовать алмазное сырье. Кроме того, известно, что на механическую обработку кристаллов затрачивается адекватное съему количество сверхтвердого материала (СТМ) в инструменте. В современной технологии обработки СТМ достаточно широко используют лазеры,что обеспечивает существенное ускорение времени обработки по сравнению с традиционными способами. Использование лазерного излучения позволяет обрабатывать СТМ без учета кристаллографических направлений кристаллов, повысить точность обработки, устранить столбики,выколы и другие виды брака, свойственные механической обработке, а также обрабатывать кристаллы с дефектами в зоне обработки, обработать которые механическим способом достаточно трудоемко, а в ряде случаев практически невозможно. Однако в известных способах не проводится построение и анализ модели кристалла и последующее определение оптимальной формы огранки будущего бриллианта, что в свою очередь влияет на коэффициент использования дорогостоящего алмазного сырья. Поэтому поиск новых технических решений в области лазерной обработки СТМ является актуальным. Известен способ распиливания алмазов излучением лазера путем размещения обрабатываемого материала в специальном приспособлении, закрепленном в координатном устройстве, воздействия импульсного лазерного излучения в режиме свободной генерации с частотой следования импульсов от 1 до 5 Гц, энергией импульса до 2 Дж и длительностью импульса 100-300 мкс, при этом распиливание производили за несколько ходов вдоль двух противоположных граней алмаза при смещении от импульса к импульсу на 15-35 мкм 1. Недостатком данного способа является то, что данный способ пригоден только для операции распиливания. В результате распиливания поверхность разреза представляет собой графитизированный слой с шероховатостью поверхность под графитизированным слоем покрыта сеткой микротрещин, что объясняется присутствием даже в беспорочных кристаллах большого количества концентраторов напряжений, которые при воздействии высокой температуры приводят к образованию микротрещин или увеличению уже существующих. Наиболее близким к заявляемому является способ лазерной обработки кристаллических сверхтвердых материалов путем проведения компьютерной съемки заготовки обрабатываемого материала с формированием изображения, на основе которого устанавливают оптимальный путь обработки, в процессе которой формируют плоскость реза путем удаления материала с обрабатываемой поверхности воздействием лазерного излучения при относительном перемещении заготовки 2. 2 5706 1 Кроме того, в известном способе производят двухмерную съемку объекта, позволяющую получить первоначальное изображение серого цвета, при этом обрабатывают пороговые значения изображения, для того чтобы усилить контрастность каждой обрабатываемой линии придают координатные данные организуют файл из координатных данных производят координатные преобразования векторизованных линий обработки, устанавливают начальную и конечную точки обработки в массиве координатных данных и по начальной и конечной точкам устанавливают оптимальный путь обработки. Известный способ предназначен для вырезки плоских заготовок и при обработке, например, алмазов в бриллианты может применяться только для ограниченных типов сырья. Кроме того, данный способ не позволяет определить оптимальную форму будущего бриллианта. Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением обеспечить возможность оптимального раскроя дорогостоящего сырья без учета кристаллографических направлений повысить точность обработки повысить качество обрабатываемой поверхности за счет уменьшения вероятности возникновения микротрещин и расколов. Техническим результатом, достигаемым данным способом, является возможность обработки материала на любую глубину снижение перегрева обрабатываемого материала исключение возникновения затухающих механических колебаний обрабатываемой заготовки в точках реверса (при обработке углов контура). Указанный технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки кристаллических сверхтвердых материалов путем проведения компьютерной съемки заготовки обрабатываемого материала с формированием изображения, на основе которого устанавливают оптимальный путь обработки, в процессе которой формируют плоскость реза путем удаления материала с обрабатываемой поверхности воздействием лазерного излучения при относительном перемещении заготовки, согласно изобретению, осуществляют послойное формирование плоскости реза обходом наборов вложенных в ширину реза каждого слоя контуров, сдвинутых на одинаковое расстояние друг от друга в горизонтальной плоскости, со смещением после прохождения каждого слоя фокуса лазерного излучения вглубь заготовки на толщину удаленного слоя материала, при этом воздействие лазерным излучением осуществляют при расположении фокуса излучения на обрабатываемой поверхности. При этом перемещение заготовки обрабатываемого материала осуществляют со вставкой технологических петель по углам контура обработки. Сущность изобретения поясняется чертежами, где фиг. 1 - профиль реза фиг. 2 - контур обработки материала. Сущность изобретения заключается в следующем. Лазерная размерная обработка объектов различной формы основывается на формировании реза лазерным излучением в обрабатываемом материале за несколько ходов вдоль одной линии, что ограничивает глубину реза за счет увеличения площади пятна на стенке реза. Это связано с конусностью пучка и конечностью размеров фокального пятна(см. фиг. 1) излучения. При послойном удалении материала обходами наборов вложенных в ширину реза каждого слоя контуров, сдвинутых на одинаковое расстояниедруг от друга в горизонтальной плоскости, ширинареза на поверхности заготовки увеличивается, но это позволяет обрабатывать материал на любую толщину . Сдвиг ходов на одинаковое расстояние друг от друга в горизонтальной плоскости связан с конечными размерами фокального пятна и необходим для их перекрытия при перемещении заготовки. После лазерной обработки поверхности заготовки набором вложенных в ширину реза и сдвинутых на 3 5706 1 расстояниев горизонтальной плоскости ходов происходит удаление верхнего слоя материала. При перемещении фокуса лазерного излучения на толщинуудаленного слоя материала происходит обработка следующим набором вложенных в ширину реза и сдвинутых на одинаковое расстояние ходов. Аналогично происходит обработка последующими наборами вложенных в ширину реза и сдвинутых на одинаковое расстояние ходов со смещением фокуса лазерного луча вглубь заготовки на толщину удаленного слоя материала до тех пор, пока не произойдет полное удаление материала из зоны реза. При этом воздействие лазерным излучением осуществляют при расположении фокуса излучения на обрабатываемой поверхности заготовки. Поверхность материала в области расположения верхнего слоя реза не является горизонтальной плоскостью, поэтому при перемещении материала в горизонтальной плоскости при обходе по контуру реза положение фокуса излучения относительно поверхности материала постоянно изменяется. Данное обстоятельство приводит к нестабильности процесса формирования реза, а чрезмерное рассогласование уровней положений фокуса излучения и обрабатываемой поверхности материала приводит к ухудшению качества поверхности реза или перегреву и растрескиванию обрабатываемого материала. Воздействие лазерным излучением на материал только в случае расположения фокуса на поверхности обработки позволяет исключить обработку расфокусированным лазерным излучением и избежать возможного в связи с этим ухудшения качества обработки. Если требуется резкое изменение траектории движения, то для исключения возникновения затухающих механических колебаний обрабатываемого материала в точках реверса(при обработке углов контура) и плавного обхода угловых точек контура обработки вставляются технологические петли, при этом в момент выхода на технологическую петлю излучение прерывается, что оказывает влияние на повышение качества обработки. Контур обработки представлен на фиг. 2, где 1 - контур исходного материала, 2 - контур материала после обработки, 3 - технологическая петля (без воздействия лазерным излучением). Способ лазерной обработки материалов осуществляют следующим образом. Проводят компьютерную съемку заготовки обрабатываемого материала, формируют изображение, на основании которого устанавливают оптимальный путь обработки. Лазерным излучением при относительном перемещении обрабатываемой заготовки послойно удаляют материал наборами вложенных в ширину реза каждого слоя и сдвинутых на одинаковое расстояние ходов. Излучение прерывают в момент, когда поверхность материала находится не в фокусе излучения. После лазерной обработки поверхности материала первым набором вложенных в ширину реза и сдвинутых на одинаковое расстояние в горизонтальной плоскости ходов удаляют верхний слой материала. В случае резкого изменения траектории движения происходит вставка технологических петель по углам контура. При выходе на технологическую петлю излучение прерывают. Затем производят перемещение фокуса лазерного излучения на толщину удаленного слоя материала и дальнейшую обработку вторым набором вложенных в ширину реза следующего слоя ходов, сдвинутых на одинаковое расстояние в горизонтальной плоскости. Аналогично происходит обработка последующими наборами, вложенными в ширину реза каждого слоя и сдвинутыми на одинаковое расстояние в горизонтальной плоскости ходов со смещением фокуса лазерного луча вглубь материала до тех пор, пока не произойдет полное удаление материала из зоны обработки. Воздействие на материал осуществляют при расположении фокуса излучения на обрабатываемой поверхности. Примеры осуществления способа. Заявляемый способ осуществляли на установке с телевизионным микроскопом и компьютером с помощью лазера с непрерывной накачкой, длина волны излучения 1064 нм,режим работы одномодовый ТЕМ 00 с акустооптической модуляцией добротности резонатора, частота следования импульсов 3 кГц, средняя мощность 16 Вт. 4 5706 1 Пример операции лазерного распиливания алмаза без вставки технологических петель. Заготовку из алмаза массой 0,37 карат вклеивали в оправку, устанавливали на предметный столик и определяли с помощью компьютера глубину реза. Задавали смещение между последовательными ходами 0,015 мм в горизонтальной плоскости и угол профиля реза 0,10 градусов, исходя из чего компьютером автоматически рассчитывалось количество входящих в набор каждого слоя и вложенных в ширину реза каждого слоя обработки ходов. На экран компьютера выводятся толщина реза 3,1 мм, ширина реза на поверхности 0,12 мм и время на обработку 5 мин. После совмещения пути обработки в линией разметки обработки лазерным излучением производили обработку заготовки при относительном перемещении на скорости 6 мм/с обрабатываемой заготовки. После удаления материала лазерным излучением первым набором вложенных в ширину реза слоя и сдвинутых в горизонтальной плоскости на расстояние 0,015 мм ходов, производилось перемещение фокуса лазерного излучения вглубь заготовки на толщину удаленного слоя материала 0,180 мм и дальнейшая обработка вторым набором вложенных в ширину реза слоя ходов, сдвинутых на одинаковое расстояние 0,015 мм в горизонтальной плоскости. Аналогично происходила обработка последующими наборами ходов, вложенными в ширину реза каждого слоя и сдвинутых на одинаковое расстояние 0,015 мм в горизонтальной плоскости со смещением фокуса лазерного луча вглубь материала до тех пор,пока не произошло полное удаление материала из зоны обработки. Воздействие лазерным излучением на материал заготовки осуществляли при расположении фокуса излучения на обрабатываемой поверхности. Обработанную заготовку снимали с предметного столика и выклеивали из оправки. Время на обработку алмазной заготовки составило 5 мин, что соответствовало расчетному. Все указанные операции проводили автоматически в едином технологическом цикле. Пример обработки со вставкой технологических петель. Заготовку из алмаза (джем кристалл с удлинением свыше 1,65) массой 0,99 карат вклеивали в оправку, устанавливали на предметный столик и проводили его 3 мерную видеосъемку. Задавали смещение между последовательными ходами 0,015 мм и угол профиля реза 0,10 градусов, исходя из чего компьютером автоматически рассчитывалось количество входящих в набор и вложенных в ширину реза каждого слоя обработки ходов. По завершении компьютерного анализа формы и размеров обрабатываемой алмазной заготовки выбрали форму огранки маркиз. Параметры готового бриллианта, которые предполагалось получить из данной алмазной заготовки для выбранной формы и типа огранки, были приведены в следующей таблице на экране монитора компьютера (см. таблицу), где в первом столбце таблицы - названия типов бриллиантовой огранкиидеальный- очень хороший- хороший- средний. Второй столбец отражает вес в каратах готового бриллианта соответствующего типа огранки. Третий и четвертый столбец - длинаи ширинав миллиметрах. Те,- величина площадки в процентах от диаметра. ,- высота верхней части бриллианта в процентах от диаметра. .,- высота нижней части бриллианта в процентах от диаметра..,- высота рундиста в процентах от диаметра. .,- угол наклона основных граней нижней части бриллианта. ,- угол наклона основных граней верхней части бриллианта. Таблица параметров готового бриллианта 5706 1 Кроме приводимых в таблице параметров готового бриллианта, на экран компьютера выводятся вес 0,99 карат обрабатываемой алмазной заготовки и ее высота 3,37 мм, ширина реза на поверхности 0,168 мм и время на обработку 22 мин. После выбора типа огранки, компьютер рассчитал оптимальный путь обработки. После подачи команды на обработку лазерным излучением производили обработку заготовки при относительном перемещении на скорости 6 мм/с обрабатываемой заготовки для идеального типа огранки. Края полуфабриката формировали с автоматической вставкой технологических петель по углам контура (см. фиг. 2). Когда поверхность заготовки находилась не в фокусе излучения, излучение автоматически прерывалось. После удаления материала лазерным излучением первым набором вложенных в ширину реза слоя и сдвинутых в горизонтальной плоскости на расстояние 0,015 мм ходов, производилось перемещение фокуса лазерного излучения вглубь заготовки на толщину удаленного слоя материала 0,180 мм и дальнейшая обработка вторым набором вложенных в ширину реза слоя ходов, сдвинутых на одинаковое расстояние 0,015 мм в горизонтальной плоскости. Аналогично происходила обработка последующими наборами ходов, вложенными в ширину реза каждого слоя и сдвинутых на одинаковое расстояние 0,015 мм в горизонтальной плоскости со смещением фокуса лазерного луча вглубь материала до тех пор, пока не произошло полное удаление материала из зоны обработки (см. фиг. 1). Воздействие лазерным излучением на материал заготовки осуществляли при расположении фокуса излучения на обрабатываемой поверхности. Обработанную заготовку снимали с предметного столика и выклеивали из оправки. Время на обработку алмазной заготовки составило 22 мин, что соответствовало расчетному. Все указанные операции проводили автоматически в едином технологическом цикле. Источники информации 1. Епифанов В.И. и др. Технология обработки алмазов в бриллианты. -М. Высшая школа, 1987. - С. 94-95. 2 Заявка Японии 4-38517, МПК В 23 К 26/00, 1992. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.