Гранильное дело,

Гранильное дело, процессы (резка, обдирка, гранение, полировка) обработки поверхности природных и синтетических минералов-самоцветов и стекла для ювелирных и технических целей.

Исходное сырьё для изготовления ювелирных камней (каменных вставок, бус, подвесок и т. п.): природные и синтетические самоцветы с высоким показателем преломления света (свыше 1,54), а также поделочные цветные камни красивых расцветок и естественного рисунка, полупрозрачные и непрозрачные; стекло бесцветное и окрашенное, прозрачное, не имеющее внутренних пороков и имитирующее ограночные самоцветы.

Огранка ювелирных камней заключается в придании им геометрически правильной или асимметричной формы многогранника с симметрично расположенными на его поверхности гранями. При этом для конкретного сырья подбираются наиболее рациональная форма (для сохранения массы минерала) и вид огранки, позволяющий получить максимальный оптический эффект «игру света» в камне. Для прозрачных минералов наиболее распространены виды огранки (рис. 1): розой — от 12 до 72 боковых граней; простая полубриллиантовая от 12 до 32 боковых граней; бриллиантовая от 48 до 240 и более боковых граней. Бриллиантовая огранка придаёт камню максимальный блеск и игру света. Классический вид бриллиантовой огранки содержит 56 боковых граней. Для камней квадратной, прямоугольной, ромбовидной и др. форм применяется ступенчатая огранка, клиньями или смешанная. Огранка кабошоном используется для обработки непрозрачных или полупрозрачных минералов, а иногда и прозрачных, имеющих природные пороки, — бирюзы, лазурита, опала, лунного камня, сапфира, изумруда и др. Отличительная особенность большинства подвергаемых огранке минералов — их высокая твёрдость, что обусловливает применение почти на всех этапах обработки алмазного инструмента.

Изготовление бриллиантов начинается с распиловки алмаза на две и более части на станке тонким (до 0,1 мм) медным кругом, шарожированным алмазным порошком (см. Шарожирование). Распиленные алмазы (для круглых бриллиантов) обтачиваются по форме на специальном станке (рис. 2), где инструментом служит также алмаз. Обточенный алмаз гранится на чугунном диске (планшайбе), шарожированным алмазным порошком, с помощью квадранта и многочисленных приспособлений, позволяющих наносить грани под строго определёнными углами. Готовые бриллианты классифицируются по весовым группам, порочности, цвету и соответственно оцениваются. Крупные куски минералов-самоцветов так же, как и алмаз, разрезаются на заготовки алмазными кругами толщиной 0,3 мм и более. Предварительная форма придаётся на шлифовальном или гранильном станке с помощью алмазных планшайб. Грани наносятся на гранильном станке, имеющем приспособление для отсчёта граней (квадрант-угломер). Прозрачные минералы в зависимости от физико-химических свойств преломляют и отражают проходящий через них луч света под различными углами, поэтому грани камней минералов располагают под строго определёнными углами.

Для полировки самоцветов применяются планшайбы (круги) из сплавов олова и свинца, поверхность которых насекается заточенной стальной пластинкой. Риски, полученные путём насечки, задерживают полировальный порошок от сбрасывания во время вращения планшайбы. Полировальный порошок подбирается в зависимости от твёрдости обрабатываемого минерала; это — окись хрома, окись железа, окись алюминия, трепел и др. В ювелирной промышленности наиболее простые виды огранок ювелирных камней из синтетического корунда получают на станках-полуавтоматах, позволяющих обрабатывать одновременно до 80 заготовок. Обработка ювелирных камней из синтетического корунда в СССР производится высокопроизводительным алмазным инструментом отечественного производства. Корундовые резцы (иглы) для звукозаписи гранятся тем же способом, что и ювелирные камни из синтетического корунда.

Обработка самоцветов для ювелирных изделий применялась уже в 3-м тыс. до н. э. (Древний Египет, Двуречье). Исключительную роль в Г. д. сыграло изобретение в 1456 в Голландии гранильного станка. Это дало возможность ввести наиболее совершенный вид огранки — бриллиантовую. В 19 и 20 вв. Г.д. механизируется, появляются новые, более совершенные станки, приспособления и инструмент.

Русское Г.д. достигло своего расцвета в 18 в. К этому времени относится постройка гранильной фабрики в Петергофе под Петербургом в 1725, гранильной фабрики в Екатеринбурге на Урале в 1774 и шлифовальной фабрики в Колывани на Алтае в 1786. Русское Г. д. к началу 19 в. достигло больших успехов и, кроме фабричных рабочих (в особенности на Урале), им занималась масса кустарей-умельцев, часто работавших целыми семьями.

После Великой Октябрьской революции Г.д. из кустарного и полукустарного превратилось в механизированная отрасль народного хозяйства. В результате освоения месторождений алмазов в Якутии (1954) огранка их в СССР приняла массовый характер (на Московской, Свердловской и Смоленских фабриках). С 1965 осуществляется экспорт отечественных бриллиантов и ювелирных изделий с бриллиантами и гранёными самоцветами. Новое гранильное оборудование и инструмент серийно производятся в СССР, Великобритании, США, Швейцарии. Основными центрами Г.д. (в особенности огранки алмазов) за рубежом являются Нидерланды, Швейцария, Израиль, США. Огранка самоцветов развита в ФРГ, стекла — в ЧССР.

Шаржирование (от франц. Charger — загружать, засыпать), поверхностное насыщение (втиранием) притиров частицами абразивного материала (порошка или пасты). Различают прямой и косвенный способы Ш. При прямом способе частички абразива вдавливаются в притир до начала работы, при косвенном — в процессе работы.

Притир, инструмент для тонкой отделочной обработки (доводки и притирки) поверхностей на доводочных и притирочных станках. Обработку наружных цилиндрических поверхностей ведут П., изготовленными в виде колец с продольным регулируемым разрезом и винтом для регулирования размера, при этом длина П. не должна быть меньше диаметра обрабатываемой детали. П. для доводки отверстий выполняют в виде тонкостенных цилиндров с регулируемыми разрезами. Для доводки плоских поверхностей применяют дисковые П. с канавками, расположенными в продольном и поперечном направлениях с шагом 12—15 мм (для предварительной притирки), и П. без канавок (для окончательной обработки). Для отделочной зубообработки применяют П., выполненные также в виде зубчатых колёс. Изготовляются П. из чугуна, стали, меди, латуни и др. Материал П., как правило, должен быть мягче материала обрабатываемой детали.

Доводка (в металлообработке), чистовая, отделочная обработка деталей с целью получения точных размеров (1-й класс и выше) и чистой поверхности, соответствующей 10—14-му классам, а также притирка одной детали к другой.

Д. производят вручную или на доводочных станках инструментом — притиром с использованием абразивных порошков или паст (см. Полировальные и доводочные материалы). При Д. вручную и притирке деталей, работающих в паре (например, клапан — седло клапана), притиром служит сама деталь, на поверхность которой наносят абразивный порошок или пасту. Д. осуществляют также на доводочных плитах, поверхность которых насыщают (шаржируют) абразивным порошком (пастой). Д. сводится к многократным перемещениям детали по доводочной плите, притира по детали или одной детали относительно другой.

Д. применяется при изготовлении точного измерительного инструмента, топливной и гидравлической аппаратуры и т.п.

Абразивные материалы, вещества высокой твёрдости для механической обработки металлов, керамических материалов, горных пород, минералов, стекла, дерева, кожи, резины и др. С конца 19 в. применяются искусственные А. м. (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, монокорунд, синтетический алмаз и др.), ранее использовались только естественные А. м. (кремень, наждак, гранат, пемза, корунд, алмаз).

Основные характеристики А. м.: твёрдость, прочность и вязкость; форма абразивного зерна; абразивная способность; зернистость.

Твёрдость А. м. определяется (МН/м2) методом вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытуемого материала, (например, для кварца 11 000—11 300, электрокорунда 18 000—24 000, алмаза 84 250—100 000). Распространено определение твёрдости в кгс/мм2 (1 кгс/мм2 » 10 МН/м2). С увеличением прочности А. м. улучшается сопротивляемость усилиям резания. Сопротивление А. м. сжатию в несколько раз больше, чем сопротивление растяжению и изгибу. Прочность А. м. на растяжение и сжатие снижается с повышением температуры шлифования.

Абразивное зерно — кристаллический осколок (кристаллит), реже монокристалл или агрегат, состоящий из множества мелких кристаллов (поликристалл). Режущая кромка зерна — ребро, образованное любой парой пересекающихся кристаллографических плоскостей. Зерно может иметь приблизительно равные размеры по высоте, ширине и толщине (изометрическая форма) или обладать мечевидной и пластинчатой формой, что определяется родом А. м. и степенью измельчения исходного зерна. Рациональна изометрическая или близкая к ней форма зерна, т. к. каждое зерно является резцом. Наименее выгодная форма — игольчатая. Зерно имеет несколько граней, образующих вершины с углами от 30 до 130° и с радиусами округлений у зёрен от 200 до 4 мкм. У зёрен синтетических алмазов углы и радиусы округлений меньше, чем у природных, поэтому возможно снимать тонкую стружку.

Абразивная способность характеризуется массой снимаемого при шлифовании материала до затупления зёрен. По абразивной способности А. м. располагаются в следующем порядке: алмаз, кубический нитрид бора, карбид кремния, монокорунд, электрокорунд, наждак, кремень. Абразивная способность зависит от вида шлифуемых материалов, режима работы, вязкости и прочности зёрен. Чем меньше в А. м. примесей, тем выше абразивная способность.

Зернистость характеризует размер и однородность зёрен А. м.; определяется она классификацией зёрен по линейным размерам методом ситового анализа, осаждением в жидкости или др. Номер зернистости устанавливается в соответствии с линейными размерами зерна основной фракции. Чем однороднее по форме и размеру зёрен А. м., тем выше его эксплуатационные качества. Зернистость А. м. регламентируется стандартом. Обработка с помощью А. м. характеризуется участием в резании одновременно большого числа случайно расположенных режущих граней зёрен. Твёрдость абразивного инструмента позволяет применять высокие скорости резания, что в соединении с большим числом одновременно работающих лезвий обеспечивает достаточный объём снимаемого материала. С другой стороны, при помощи А. м. достигается наиболее тонкая обработка, например доводка.

А. м. используются в виде зёрен, скрепленных связкой в различные по форме и назначению абразивные инструменты, или нанесёнными на гибкую основу (ткань, бумагу и др.) в виде шлифовальной шкурки, а также в несвязанном состоянии в виде порошков, паст и суспензий.

Шероховатость поверхности, совокупность неровностей, образующих микрорельеф поверхности детали. Возникает главным образом вследствие пластической деформации поверхностного слоя заготовки при её обработке из-за неровностей режущих кромок инструмента, трения, вырывания частиц материала с поверхности заготовки, вибрации заготовки и инструмента и т.п. Ш. п. — важный показатель в технической характеристике изделия, влияющий на эксплуатационные свойства деталей и узлов машин — износостойкость трущихся поверхностей, усталостную прочность, коррозионную устойчивость, сохранение натяга при неподвижных посадках и т.п. Требования к Ш. п. устанавливают, исходя из функционального назначения поверхностей деталей и их конструктивных особенностей. В сов. производстве длительное время применяли систему, характеризующую чистоту поверхности с соответствующими ей классами; новая система (введена с 1 января 1975) отменяет использовавшиеся ранее классы чистоты.

Расширенный комплекс параметров новой системы способствует установлению обоснованных требований для поверхностей различного эксплуатационного назначения. При определении числовых значений Ш. п. отсчёт производят от единой базы, за которую принята средняя линия профиля т (рис.). Измерения производят в пределах базовой длины l, т. е. длины участка поверхности, выбранного для измерения Ш. п. без учёта других видов неровностей (например, волнистости), имеющих шаг более l. Числовые значения базовой длины выбирают из ряда: 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8; 25 мм. Количественно Ш. п. оценивают следующими основными параметрами (одним или несколькими): средним арифметическим отклонением профиля Ra, высотой неровностей профиля по 10 точкам Rz, наибольшей высотой неровностей профиля Rтах, средним шагом неровностей Sm, средним шагом неровностей по вершинам S, относительной опорной длиной профиля tp. Числовые значения параметров шероховатости, типы направлений неровностей поверхностей (параллельное, перпендикулярное, кругообразное и др.) установлены стандартом. Выбор параметров Ш. п. зависит от конструкции деталей и функционального назначения их поверхностей. Например, для трущихся поверхностей ответственных деталей устанавливают допустимые значения Ra (или Rz), Rтах, tp и направление неровностей; для поверхностей циклически нагруженных ответственных деталей — Rтах, Sm и S и т.п. Требования к Ш. п. указывают числовым значением (или диапазоном значений) одного или нескольких параметров и базовой длиной. Для неответственных поверхностей Ш. п. определяется требованиями технической эстетики, коррозионной стойкости и технологией изготовления.

В СССР стандартом установлены 14 классов Ш. п. (табл.): 1—3-й классы обеспечивают обдирочной обработкой (точением, фрезерованием, строганием); 4—6-й классы — получистовой обработкой; 7—9-й классы — чистовой обработкой (шлифованием, тонким точением, протягиванием, развёртыванием и т.п.); 10—14-й классы — доводочной обработкой (такие, как притирка) суперфиниш, хонингование и др.). Классы шероховатости с 6-го по 14-й разделяются на разряды а, б, в. В классах 1—5, 13 и 14-й не применяют параметр Ra, а в классах 6—12 — параметр Rz, что вызвано необходимостью однозначного определения класса Ш. п. при различных методах контроля. В отличие от применявшихся до 1975 обозначений классов чистоты на чертежах (равносторонний треугольник с добавлением к нему номера класса, например N3 или N7), Ш. п. обозначают знаком O с указанием над ним числового значения (в мкм) одного из выбранных параметров шероховатости. Значение Ra указывают только числом, а др. параметры — с символом, например Rz3,2. Указанное числовое значение ограничивает наибольшую Ш. п. по параметрам Ra или Rz. Поверхности в состоянии поставки или обработанные без снятия стружки обозначают символом , а при обработке со снятием стружки .

Начальная Ш. п., которую детали получают после их изготовления и сборки, изменяется в процессе приработки. Получающаяся после приработки (при трении качения, трении скольжения и др.) Ш. п., обеспечивающая минимальный износ и сохраняющаяся в ходе длительной эксплуатации машин, называется оптимальной шероховатостью. Параметры оптимальной Ш. п. зависят от конструкции и материала трущихся деталей, качества смазки и других условий работы.

Для измерения Ш. п. обычно применяют следующие методы: контактный—щуповыми приборами (профилометрами и профилографами) и бесконтактный — оптическими приборами. В машиностроении часто используют визуальный метод, сравнивая контролируемую поверхность с поверхностью образца или детали, Ш. п. которой аттестована.