專利名稱：寶石料刻面的加工的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用一個(gè)拋光工具加工一塊寶石料的某一刻面，該拋光工具與該刻面相接觸并沿著寶石料的某一方向作有效運(yùn)動(dòng)。通常拋光工具是一個(gè)轉(zhuǎn)盤，一般稱為斯開非輪(Scaife)，該斯開非輪通常繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通常，寶石料夾在手動(dòng)拋光機(jī)支臂端頭的卡頭中，該支臂一般稱之為柄腳，也可使用自動(dòng)拋光機(jī)?？^能沿著相對(duì)于支臂垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而且夾持在摩擦軸承中。
本發(fā)明特別適用于拋光鉆石。鉆石具有相應(yīng)于結(jié)晶面的晶粒，對(duì)于每個(gè)刻面而言有一個(gè)最有效的拋光方向。換句話說，當(dāng)鉆石進(jìn)行拋光時(shí)，拋光率密切地依賴于寶石料的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的指向相對(duì)于拋光工具的轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間的關(guān)系。例如在英國(guó)專利GB-A-2037196中就介紹了晶粒問題。
確定和判斷拋光方向是拋光技師的一種技藝。拋光技師先是觀察寶石料并判斷晶粒的位置，然后繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)卡頭以便找到正確方位，并開始在此方向上進(jìn)行拋光。技師可稍微圍繞著垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)一下卡頭，就能夠發(fā)現(xiàn)寶石料是否拋光得很恰當(dāng)。在拋光一個(gè)刻面后，拋光技師知道應(yīng)怎樣定位卡頭以便繼續(xù)拋另一個(gè)刻面-這就是拋光技師的技藝。要是寶石料的晶粒的取向不正確，則寶石料會(huì)嵌進(jìn)斯開非輪中并將它損壞。當(dāng)寶石料具有螺旋形的晶粒結(jié)構(gòu)，或具有晶粒位錯(cuò)的晶粒以及環(huán)形或球形的非均勻結(jié)晶結(jié)構(gòu)(naat)時(shí)，也就是不具有標(biāo)準(zhǔn)的單晶結(jié)構(gòu)時(shí)，拋光就很困難。尤其是對(duì)于澳大利亞鉆石，該鉆石有時(shí)具有多晶結(jié)構(gòu)，因而晶粒鑒別是很困難的，甚至是不可能的，在極端情況中，一個(gè)刻面會(huì)有三個(gè)甚至更多的拋光方向。
按傳統(tǒng)的工藝，拋光一個(gè)寶石料的刻面要包括三道工序即第一道是通過試不同的晶粒方位，看在哪一個(gè)方位上寶石料最好加工，依此來確定晶粒方位;第二道是通過研磨寶石料的表面，基本上形成了整個(gè)刻面(形成塊體);以及第三道工序是精拋光以便消除在構(gòu)成此刻面時(shí)留下的所有劃痕。
為了在刻面上構(gòu)成高精拋光面，就應(yīng)在繼續(xù)拋光的過程中不允許拋光工具上的材料散落在被拋光的刻面上。實(shí)現(xiàn)上述要求往往有好幾種方法改變寶石的方位，使得拋光率大為減低而且拋光深度很淺，于是能得到更光滑的表面;采用更高的轉(zhuǎn)速;拋光的負(fù)載率減低到小于了牛頓/平方毫米左右。上述這些方法可以同時(shí)采用。
按照本發(fā)明，寶石料是繞著與拋光工具的表面成垂直的軸旋轉(zhuǎn)的，寶石料就固定在相對(duì)于拋光工具的有一予定角度的軸上，這個(gè)角度就是刻面的角度，但與拋光工具本身的晶粒的方位無關(guān)。寶石料的旋轉(zhuǎn)可以用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但本發(fā)明的所有加工步驟也可在手動(dòng)夾柄腳上實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的第一道工序是將寶石至少旋轉(zhuǎn)180度，以便觀察寶石料上的刻痕來判斷取得最佳拋光效果時(shí)寶石料相對(duì)于拋光工具的相應(yīng)軸線之間的角度關(guān)系。詳細(xì)地說，當(dāng)寶石料的方位這樣確定時(shí)，就很容容拋光。而且負(fù)載率將高于其最小值(負(fù)載率可以在2.5牛頓/平方毫米以上，但經(jīng)?？紤]在3牛頓/平方毫米左右)，寶石料的物質(zhì)將在這種方式中被磨去，即寶石料的表面顯現(xiàn)著拋光工具的表面結(jié)構(gòu)，并且在刻面的表面上留下很多劃痕。當(dāng)寶石料是繞著所說的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將僅僅是在一個(gè)方向上進(jìn)行拋光(或者在某些特殊情況下，有兩個(gè)或三個(gè)方向)。所以，僅僅是在這些方向上刻面上才產(chǎn)生劃痕?？堂嫔系膭澓鄯较蚓蜆?biāo)志著晶粒的方向或?qū)毷系淖罴褣伖夥较颉?br> 寶石料最好能繞軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)幾次，但是最重要的卻是拋光應(yīng)連續(xù)地進(jìn)行，直到可以看見劃痕標(biāo)志(拋光線)為止。上述工序的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以適用于手動(dòng)夾持柄腳。用這種方法就可以發(fā)現(xiàn)最好的晶粒方位。一旦發(fā)現(xiàn)了最好的晶粒方位，寶石料夾具就可以加以固定并把刻面拋光到所需的尺寸。
如果某一刻面有兩個(gè)(或更多個(gè))不同的晶粒方位，也可以判斷出來。然后輪流轉(zhuǎn)動(dòng)卡頭到每一個(gè)方位上，這樣可以依次對(duì)刻面上的每一小區(qū)的一部分進(jìn)行拋光;或者特別是在寶石很難加工時(shí)，在拋光的同時(shí)卡頭可以連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。
按照本發(fā)明的第二道工序是將寶石料連續(xù)旋轉(zhuǎn)直至整個(gè)刻面基本形成為止。換言之，寶石料的轉(zhuǎn)動(dòng)不僅是判斷晶粒方向，而且使刻面的拋光過程成為連續(xù)的。這樣就便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低成本，而不需要熟練的操作工，而且還能獲得良好的寶石塊和刻面。對(duì)于小型或特小型寶石和難加工寶石，上述工序就特別有用。更為有趣的是在合理的切削率下獲得良好品質(zhì)的刻面的同時(shí)，拋光工具幾乎沒有什么磨損，拋光工具的壽命很長(zhǎng)。該工序能用于研磨各種刻面，包括臺(tái)面。
雖然并不需要高級(jí)技藝，但仍需注意一些要點(diǎn)。對(duì)于難加工寶石和具有尖棱的寶石應(yīng)采用金剛石拋光工具，使用的壓力不能太高(但仍要盡量高一些)以免其尖棱將拋光工具劃傷。對(duì)于普通規(guī)格的寶石應(yīng)采用3牛頓/平方毫米左右的壓力(在此壓力下，可以觀察到如上所述的晶粒方向)，但對(duì)于刻面的精拋光來說，用的壓力就要更低一些。隨著拋光技術(shù)的發(fā)展，刻面的尺寸逐步增加，因此有必要來討論加在刻面上的壓力問題-初始階段，壓力用得高一些。一般地說，壓力可達(dá)6牛頓/平方毫米以下，并與最終所要求的表面質(zhì)量有關(guān)，壓力最好是在1到5牛頓/平方毫米之間。
轉(zhuǎn)速應(yīng)該在某個(gè)范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)速太低則拋光工具在啟動(dòng)時(shí)易于損壞，轉(zhuǎn)速太高則效率降而且拋光工具的溫度上升。對(duì)于10pt的寶石而言，加在旋轉(zhuǎn)的斯開非輪上的寶石的合理的轉(zhuǎn)速是每分鐘1到4轉(zhuǎn)。
在通常的實(shí)踐中，最好是選擇一個(gè)良好的拋光刻面作為第一個(gè)刻面。對(duì)于小型寶石來說這一工序特別經(jīng)濟(jì)，10pt以下寶石的整個(gè)拋光時(shí)間比用手動(dòng)操作尋找晶粒方向這種方法為短。因后者要一再觀察尋找晶粒方向而浪費(fèi)很多時(shí)間。而且，因?yàn)椴槐夭捎檬炀毑僮鞴ず驮诤?jiǎn)易的自動(dòng)化的裝置上還可在同一拋光工具上裝備好幾個(gè)柄腳，使得中小型寶石的拋光工序十分經(jīng)濟(jì)。
具有單一晶粒取向的寶石可以在傳統(tǒng)的斯開非輪上加工，但是非均勻晶體結(jié)構(gòu)的寶石只能在有涂層的斯開非輪上加工，只要斯開非輪按正常條件工作，則雖有較大能量產(chǎn)生也不致斯開非輪的壽命有明顯下降。
可以取得良好的表面拋光。例如，如果采用恒定負(fù)載，加在拋光刻面上的壓力低于3牛頓/平方毫米，則可獲得很好的表面。如果晶粒是螺旋形排列的則應(yīng)采用較高的負(fù)載，但仍能獲得良好的表面。
通常的工序是將寶石固定在一個(gè)具有接觸卡頭里，當(dāng)接觸環(huán)觸及拋光工具時(shí)，刻面就按適當(dāng)?shù)倪M(jìn)深被加工。在這道工序中，因?yàn)榻佑|環(huán)不論在拋光工具的表面旋轉(zhuǎn)到哪一個(gè)角度都能被觀察到。這就改進(jìn)了檢測(cè)的精度，也就提高了加工精度，只要安置一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，就可以在刻面加工完畢時(shí)，自動(dòng)抬起卡頭。這種半自動(dòng)或自動(dòng)裝置可從已有的機(jī)床設(shè)備中找到。
所需的機(jī)械裝置也是十分簡(jiǎn)單的。
寶石料的旋轉(zhuǎn)在很大程度上減少了寶石尖底部斷裂的故障率。
按照本發(fā)明的第三道工序是將已經(jīng)成形的刻面依靠連續(xù)不斷地繞著所說軸線旋轉(zhuǎn)寶石的方式加以精拋光。
一般說來，在這個(gè)工序中不需要拋光機(jī)或柄腳在Z軸方向上的運(yùn)動(dòng)，每即，拋光機(jī)垂直于拋光工具運(yùn)動(dòng)平面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而，如果繼續(xù)采用Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，則拋光工具仍可考慮在寶石的某一個(gè)方向上繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
在所有的三個(gè)工序中，被加工的刻面都與其軸線有相當(dāng)?shù)木嚯x，這就使磨料嵌進(jìn)寶石的幾率減到最小程度，因?yàn)閷毷瘷M切拋光工具的實(shí)際等值距離是上述距離(寶石的旋轉(zhuǎn)半徑)的兩倍。
本發(fā)明將通過實(shí)施例并參照下列附圖作進(jìn)一步的描述。


圖1是手動(dòng)夾持柄腳的正視草圖;
圖2是一個(gè)鉆石刻面的拋光表面的草圖。
拋光工具是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的斯開非輪1，它是圍繞著附圖左側(cè)的某個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)的。這種拋光機(jī)是手持的，包括一個(gè)柄腳2，柄腳2上裝有一個(gè)傳統(tǒng)的拋光頭3。拋光頭3包括一個(gè)換塊夾具4，它裝有一個(gè)卡頭5，卡頭5夾持一塊鉆石6，卡頭5被固定在夾具4上，以提供一個(gè)“八位”棘輪卡頭。還有一個(gè)角度定位手輪7，在已知的方法中，鉆石的軸線8是與斯開非輪1的表面預(yù)置成α角，但可加以調(diào)節(jié)，在此，角度α為47.5度。
在已知的方法中，卡頭5能夠繞軸8轉(zhuǎn)動(dòng)以便更換被拋光的刻面，每轉(zhuǎn)動(dòng)一步是45度。
拋光頭3安裝在柄腳2上以便可繞垂直于斯開非輪1成直角的軸9而自由旋轉(zhuǎn)。拋光頭3通過軸10與蝸輪箱11以480∶1的速比相聯(lián)，并由一個(gè)24伏的小直流電機(jī)(Portescap)12驅(qū)動(dòng)。蝸輪箱11是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件，在此未加詳述，但它包括一個(gè)裝有法蘭的軸套13，它與軸8用化鍵相固定。蝸輪14通過一個(gè)磨擦調(diào)節(jié)彈簧15偏心頂住法蘭并裝在軸套13上構(gòu)成一個(gè)磨擦聯(lián)軸器帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，這是為了操作的方便和電機(jī)的保護(hù)。電機(jī)12可由安置在柄腳中的9伏干電池供電(圖中未表示)。于是拋光頭3即可在低速下轉(zhuǎn)動(dòng)，例如每分鐘1到5轉(zhuǎn)，最好是3轉(zhuǎn)/分。至于軸8和軸9分別與斯開非輪1的表面相交點(diǎn)之間的距離，每即偏心半徑d約為15或16毫米;但可加以適當(dāng)改變。例如8毫米;或許6毫米的距離更好。經(jīng)常采用的特例是斯開非輪的直徑是330毫米，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分。鉆石6則是沿著斯開非輪外緣部分上40毫米寬的嵌有金剛石的磨軌上旋轉(zhuǎn)。這些相對(duì)速度是最佳的，并可因斯開非輪的直徑和磨軌的尺寸的不同而計(jì)算出來。
應(yīng)用時(shí)先是將鉆石鋸開，如果是一塊可以造就的料，則可拋磨出一個(gè)臺(tái)面來，再在鋸開面即臺(tái)面的周圍磨出一條環(huán)帶，然后將鋸開面或臺(tái)面嵌入卡頭5中，并將環(huán)帶卡住。啟動(dòng)電機(jī)12，放下柄腳2，使鉆石6落在斯開非輪1上并繞軸9轉(zhuǎn)動(dòng)。
在第一工序中，卡頭5繞軸9轉(zhuǎn)動(dòng)幾次之后，比如10次之后，將柄腳2抬起，電機(jī)12斷電，以便察看刻面上的劃痕，從這些劃痕中可以找出斯開非輪應(yīng)按什么方向研磨鉆石6。采用啟停開關(guān)可使卡頭5轉(zhuǎn)到正確的方位上，切斷電機(jī)12的電源蝸輪箱即把拋光頭3鎖定在這個(gè)位置上。然后降下柄腳2，使刻面進(jìn)行拋光。一旦在一個(gè)刻面上判定了晶粒的方位，則其他刻面上的晶粒的正確取向也就明確了，(這是假定鉆石6是單晶體，但若是螺旋形晶體或非均勻結(jié)構(gòu)的寶石料就不是這樣了)。將所有八個(gè)刻面都拋光后，寶石的成塊處理就完成了。
圖2表示出一塊非均勻結(jié)構(gòu)的寶石用大約3牛頓/平方毫米以上的壓力經(jīng)過拋光之后的表面情況。刻面上有兩個(gè)區(qū)21，22，分別具有不同的結(jié)晶方向。當(dāng)寶石6在斯開非輪上轉(zhuǎn)到11點(diǎn)鐘或5點(diǎn)鐘時(shí)(用雙箭頭表示)，小區(qū)21受到拋光;當(dāng)寶石6轉(zhuǎn)到9點(diǎn)鐘或3點(diǎn)鐘時(shí)，小區(qū)22受到拋光，根據(jù)劃痕就可以看出不同的拋光方向。對(duì)于有多種非均勻結(jié)構(gòu)的寶石料，上述情況也是正確的，每個(gè)不同的結(jié)晶方位的小區(qū)上都有表明拋光方向的劃痕。
如果需作多方向的拋光，即可采用如下的工序。當(dāng)然下列工序也可適用于不對(duì)晶粒方向加以判斷的而進(jìn)行加工的情況，尤其是對(duì)小型或中型寶石。這時(shí)，在第二道工序中的成塊處理的全過程中電機(jī)是12是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，亦即一直工作到刻面全部成形(雖然尚未精拋光)，而拋光頭3的轉(zhuǎn)速可以是始終不變。
精拋光過程可以在同一個(gè)斯開非輪1上完成，或者換用別的斯開非輪。為了進(jìn)行高精拋光，就不允許拋光工具表面上的結(jié)構(gòu)材料散落在刻面的表面上。本發(fā)明的第三道工序中拋光頭3是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，并且維持恒定的拋光負(fù)載，拋光頭3的轉(zhuǎn)速保持固定。如上所述，恒定的拋光負(fù)載可以使加工過程中刻面尺寸逐步擴(kuò)大時(shí)，相應(yīng)地逐步減少拋光頭3上的壓力。
第三道工序也可以用在按通常方式成塊處理而成的寶石料上，特別是那些較大的寶石(例如大于10pt的寶石)。
在本說明書中，寶石的重量如同慣例是以pt為單位的。其中pt是“點(diǎn)”，1點(diǎn)是0.002克。
本發(fā)明已按上述的實(shí)施例作了詳細(xì)描述。然而在本發(fā)明的構(gòu)思之內(nèi)，可以作出各種改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種加工寶石料刻面的方法，包括采用與刻面相接觸的拋光工具在作為一整體的寶石的某一個(gè)方向上作有效的運(yùn)動(dòng)時(shí)，確定應(yīng)在哪個(gè)方向上加工刻面的步驟，其特征是使寶石繞著垂直于拋光工具表面的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)180度以上，觀察寶石面上的劃痕以判斷在拋光工具上的寶石的最佳繞軸夾角，在該角度下有最好的加工效果。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是刻面上的壓力大于約2.5牛頓/平方毫米。
3.一種采用拋光工具與寶石刻面相接觸，并在其上某一個(gè)方向上作有效運(yùn)動(dòng)的加工作為一整體的寶石的方法，其特征是寶石連續(xù)地繞著垂直于拋光工具表面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)直至整個(gè)刻面基本形成為止。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是刻面上的壓力小于約6牛頓/平方毫米。
5.一種采用拋光工具與作為一整體的寶石刻面相接觸，并在其上的某一個(gè)方向上作有效運(yùn)動(dòng)的加工寶石的方法，其特征是寶石連續(xù)地繞著垂直于拋光工具表面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刻面上的壓力是少于約3牛頓/平方毫米以便對(duì)刻面進(jìn)行精拋光。
6.一種采用拋光工具與作為一整體的寶石刻面相接觸，并在其上的某一個(gè)方向上作有效運(yùn)動(dòng)的方法，其特征是寶石連續(xù)地繞著垂直于拋光工具表面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，寶石繞所說軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速率是1到5轉(zhuǎn)/分，以便對(duì)刻面進(jìn)行精拋光。
7.如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征是所說的刻面與所說的軸線之間有一相當(dāng)大的距離，以使刻面可繞著相當(dāng)大的半徑轉(zhuǎn)動(dòng)。
8.一種機(jī)械，其特征是可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求中的任何一種方法。
全文摘要
一種加工寶石料刻面的方法，該方法包括將拋光頭和卡頭裝在柄腳上以便可繞垂直軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，寶石離軸有一相當(dāng)距離，有一個(gè)小電機(jī)通過一個(gè)大大減速的蝸輪箱和軸連接到拋光頭上，使得拋光頭可純繞軸慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)；拋光頭在慢速下轉(zhuǎn)動(dòng)若干次，以分別觀察寶石上的劃痕，來判斷產(chǎn)生最佳拋光效果時(shí)的角度關(guān)系；為了加工刻面，使拋光頭連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直至刻面成型為止；為了對(duì)刻面作高精拋光，可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)拋光頭以便完成刻面的高精拋光工藝。
文檔編號(hào)B24B9/16GK1044611SQ89101640
公開日1990年8月15日 申請(qǐng)日期1989年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月30日
發(fā)明者馬克·克里斯托弗·漢拿, 艾力克·布朗迪爾 申請(qǐng)人:杰桑企業(yè)