PATENT Nº 157312 SVERIGE KLASS 42 h:16/01 BESKRIVNING BEVILJAT DEN 11 OKTOBER 1956 OFFENTLIGGJORD AV KUNGL. PATENTTID FRAN DEN 4- SEPT. 1954 PATENT- OCH REGISTRERINGSVERKET PUBLICERAT DEN 18 DECEMBER 1956 Ans. den 4/9 1954, nr 8048/1954 en ritning H FERNÁNDEZ-MORÁN VILLALOBOS, STOCKHOLM Spånskärande maskin, isynnerhet mikrotom Härtill Föreliggande uppfinning avser en spånskärande maskin, som arbetar med synnerligen stor precision och Slom helt generellt är användbar för finbearbetning av ytor av olika slag. I första hand tar emellertid uppfinningen sikte på att åstadkomma en mikrotom, som närmast kan betecknas som ultramikrotom och som möjliggör skärning av snitt av olika ämnen ned till en tjocklek av 10 ÄE (0,001 mikron) eller t. o. m. tunnare. Ovan antydda förbättrade resultat uppnås genom en kombination av följande konstruktionsdetaljer: 1) en aven motor driven, arbetsstycket uppbärande rotor är lagrad i V-fol'made lager i ett stativ, 2) en eller flera hållaren för arbetsstycken utskjuta radiellt från rotorn samt äro anordnade att genom värmeutvidgning frammata arbetsstyckena mot ett stationärt skärverktyg. Vid tidigare kända mikrotomer har den arbetsstycket uppbärande rotorn varit lagrad i cylindriska glidlager. Även ett precisionstillverkat glidlager uppvisar emellertid något litet glapprum, vilket ytterligare ökas genom slitage, och med ett sådant lager har man därför ej möjlighet att centrera rotorn så exakt, att de önskade uitratunna snitten kunna åstadkommas annat än rent undantagsvis. Ett V-lager däremot är lätt att framställa med vilken som helst önskad precision och säkerställer en erforderlig grad av stabilitet och reproducerbarhet hos rotationsrörelsen oberoende aven mer eller mindre exakt centrering av rotorn. Om ett mindre slitage skulle uppstå i lagren, är detta utan betydelse, eftersom rotorn fortfarande är inkilad mellan de V-formen bildande lagerytorna. Den radiella monteringen av hållarna för arbetsstyckena sammanhänger även med den nya lagringen. För det första kan sägas, att de V -t formade lagren möjliggöra en sådan montering, och för det andra skulle den bättre effekten hos de V-formade lagren ej kunna fullt utnyttjas utan den radiella monteringen. Vidare finnes härigenom möjlighet att placera ett antal hållare efter varandra i rotorns längdriktning, ev. längs en skruvlinje runt rotorn, så att flera arbetsstycken kunna bearbetas samtidigt under skärning av lika eller olika tjocka snitt. Tidigare använda skärverktyg ha vanligen bestått av stål eller hårdmetall. För framställning av jämntjocka, uitratunna snitt med en tjocklek i storleksordningen 0,01-0,001 mikron fordras dock även ett annat skärverktyg än de tidigare använda. Om ett finslipat skär av stål eller hårdmetall betraktas i stor förstoring, framträder nämligen eggen som en våglinje, och vid de tunna snitt det här är fråga om skulle detta innebära väsentliga- variationer i tjockleken. Enligt en företrädesvis använd uttörtngsrorrn av uppfinningen ufgöres skärverktyget aven finslipad diamant. En diamant kan slipas så, att den erhåller en absolut rak egglinje, och dessutom har detta material som bekant den egenskapen, att det är avsevärt hårdare än alla andra kända ämnen, varför eggen ej blir slö vid skärningen. Maskinen enligt uppfinningen är användbar för skärning av snitt med tjockleken från 100 och ned till 0,001 mikron. Med hjälp av de V-formade lagren, som äro lätta att bearbeta till hög precision, uppnås såsom nämnts en höggradig stabilitet hos rotorn vid dennas rotation, och detta resulterar i sin
tur i en mycket god reproducerbarhet även vid framställning av ultratunna snitt (ned till 0,001 mikron), dvs. en lång serie efter varandra framkommande snitt få exakt samma tjocklek. Maskinen kan drivas med en hastighet, som kan variera från 1 och upp till 100000 v/min, varvid möjligheten att använda de stora hastigheterna får anses vara ett resultat av kombinationen enligt uppfinningen. Med maskinen kan man sålunda på kort tid framställa ett stort antal likformiga snitt, vilket kan vara av betydelse för många ändamål. Alla slag av fasta material, oavsett om de äro kristalliniska eller amorfa, av metallisk eller organisk natur, kunna bearbetas, och ävenså är det möjligt att skära snitt av halvflytande eller flytande ämnen, om de nedkylas till tillräckligt låg temperatur. Tack vare användningen av diamanter som skärverktyg ändras ej snittens fysikaliska eller kemiska egenskaper, utan det skurna materialets struktur bibehålles oförändrad, och snitten erhållas fullt sammanhängande ned till i det närmaste molekylär tjocklek. De tunna och ultratunna snitten kunna am-ändas för olika fysikaliska, fysikalisk-kemiska och kemiska experiment, vid vilka tunna skikt i dessa dimensioner erfordras. Exempelvis är det möjligt att framställa tunna och uitratunna skikt av germanium eller andra halvledare, som användas för tillverkning av transistorer och liknande element. De tunna och ultratunna skikten av olika ämnen äro vidare idealiskt lämpliga för undersökning med hjälp av ljusmikroskop (särskilt faskontrastmikroskop), elektronmikroskop, röntgenmikroskop samt medelst elektrondiffraktions- och röntgendiffraktionsmetoder, och i synnerhet de ultratunna skikten torde komnia att öppna helt nya områden för forskning, bl. a. inom metallografien. Maskinen enligt uppfinningen kan även användas som svarv, planhyvel, fräs e. d. för precisionsbearbetning av metaller och andra hårda föremål ned till toleranser av c:a 0,001 mikron. Om de skärande diamanterna ha speciellt finslipade eggar, kan man därvid åstadkomma polerade ytor aven finhetsgrad, som tidigare ej uppnåtts med några kända poleringsmetoder. På bifogade ritning visar fig. 1 och 2 en utföringsform av en mikrotom sedd i perspektiv resp. ovanifrån. I fig. 1 och 2 betecknar 5 en fotplatta, som uppbär maskinens verksamma delar. Två lagerblock 6 innehållande uppåt öppna, V-formade spår 7 äro fastsatta på plattan på avstånd från varandra och med de båda spåren i rät linje. De båda sideytorna i vardera spåret äro belagda med finpolerade och noga injusterade plattor 8 av något hårt material, som alltefter fordringarna på maskinen kan bestå av brons, glas, hårdmetall, kvarts, diamant etc. För att minska friktionen hos dessa lagerytor kan något lämpligt smörjningsmedel påföras. Den vinkel, som lagerytorna i varje lager bilda med varandra, är på intet sätt kritisk utan kan varieras inom vida gränser i beroende av rotorns storlek och avsedda rotationshastighet. Rotorn är av solid metall, företrädesvis härdat stål, och består aven mittre, cylindrisk del 9, som vid båda ändarna fortsättes av lagertappar 10 med mindre, ehuru dock tämligen stor diameter. Lagertapparna. som vila i de ovan beskrivna. Y-formade lagren, äro ävenledes finpolerade. Från tapparnas 10 ändytor utskjuta längs rotorns geometriska axel placerade, trubbiga spetsar 11, som äro avsedda att ingripa mot stödelement 12, vilka justerbart fastskruvats på blocken 6 vid de V-formade spårens ytterändar. Genom denna anordning förhindras rotorns förskjutning i axiell riktning. Ev. kunna stödelementens mot spetsarna 11 anliggande ytor vara av hårdmetall. Rotorn 9 har ett periferiellt spår 13 för en drivrem 14, som går till en ej visad, företrädesvis på något lägre nivå placerad motor. Vidare har rotorn ett diametralt genomgående hål 15, som är avsett att mottaga en stav 16, vid vars ena ände en hållare 17 för ett preparat eller materialstycke 18 insättes i en härför anordnad urborrning 19 samt fastspännes medelst en skruv 20. Staven 16 är något längre än rotorns 9 diameter, så att dess preparathållaren uppbärande ände utskjuter utanför hålet 15. Stavens motsatta ände är ävenledes försedd med en urborrning 21, ehuru betydligt djupare. Sistnämnda ände, som är avsedd att fastgöras i hålet 15, är gängad utvändigt för påskruvning av ett lock 22, som pressar
en på staven utformad fläns 23 mot en mellan denna och locket anordnad ringformig avsats 24 i hålet. För övrigt är staven ur värmeledningssynpunkt dimensionerad så, att den ej på något annat ställe kommer i kontakt med det omgivande hålet 15. Runt stavens 16 mittre del finnes en isolerad, elektrisk uppvärmningsspiral 25, vars anslutningsledningar gå genom en kanal 26 i den ena lagertappen 10. Den ena ledningen är kopplad till en metallring 27, som är fäst på en ring 28 av isolationsmaterial vid lagertappens ände, medan den andra ledningen är jordad medelst en i rotorn insatt skruv 29. Av de båda ledningarna från strömkällan är den ena 30 kopplad till en släpkontakt 31, som anligger mot ringen 27, medan den andra ledningen 32 är jordad ilagerblocket 6. Framför rotorn uppbär fotplattan 5 en fast förankrad ramdel 33 med styrskenor 34, på vilka en slid 35 är förskjutbar mot och från rotorn medelst en mikrometerskruv 36. Sliden har på sin översida en plint 37 med en utskjutande tapp 38, som är riktad parallellt med rotorns axel. En arm 39 med en gaffelformad ytterände är svängbar omkring tappen och kan fixeras i önskat läge med hjälp av en stoppskruv 40. Den som skärverktyg använda diamanten infästes i en lämplig legering och monteras i en hållare 41, som måste ha stor stabilitet för att undvika skadliga vibrationer. Hållaren är utformad vid ena kortsidan av ett rektangulärt tråg 42, som är avsett att innehålla en "Vätska, exempelvis vattenalkoholblandning, glycerin eller olja, på vars yta de erhållna snitten uppsamlas. Tråget har en parallellt med skärverktygets egg utskjutande stång 43, som är införd i den nämnda armens 39 gaffelformade ände och fäst med hjälp aven skruv 44. För varje typ av material, som skall skäras, finnes en optimal skärningsvinkel (2-20º), som måste bestämmas för att undvika, att snitten förstöras vid skärningen. Denna bestämning kan endast utföras experimentellt i varje särskilt fall. Frammatningen av materialstycket eller preparatet mot den skärande diamanten sker genom att staven 16, utsättes för värmeutvldgning, samtidigt som rotorn 9 får rotera med en viss konstant hastighet. Värmeutvidgningen kan åstadkommas genom upphettning med hjälp av den elektriska värmespiralen 25, som tillföres en konstant, låg strömstyrka. Denna procedur, som är tillämpbar inom ett temperaturområde från 0º och upp till c:a 400 C, kan användas för skärning av metaller och flertalet andra vid normal eller högre temperatur fasta ämnen. Alternativt kan staven först nedkylas genom att ett kylmedel, såsom kolsyresnö, flytande luft, flytande väte eller flytande helium, påfylles i urborrningen 21, varefter staven får utvidga sig genom att dess temperatur långsamt stiger. Omgivningens temperatur hålles därvid mellan -15 C och rumstemperatur. Sistnämnda metod, vid vilken en så låg temperatur som -250º C kan uppnås, är särskilt lämplig för skärning av snitt av material, som vid normal temperatur är mer eller mindre flytande. Den erhållna snittjockleken är givetvis beroende av såväl stavens uppvärmningshastighet och utvidgningskoefficient som rotorns rotationshastighet. Uppvärmningshastigheten hålles helst så nära som möjligt konstant från fall till fall och kan bestämmas genom kalibrering. Utvidgningskoefficienten kan varieras genom användning av stavar av olika material. Vid skärning av relativt tjocka snitt (0,02-0,2 mikron) äro sålunda stavar av metaller, såsom stål, mässing eller aluminium att föredraga, medan däremot tunna och ultratunna snitt (0,001-0,01 mikron) åstadkommas med stavar av exempelvis invarnickelstål eller rör av kvarts eller glas. Såsom ovan beskrivits är staven monterad så, att den lätt kan utbytas. Vanligen hålles rotorns hastighet vid 50-100 v/min, ehuru det såsom nämnts är möjligt att arbeta med väsentligt högre hastigheter upp till 100000 v/min. I sistnämnda fall måste rotorn dock vara mycket väl balanserad, och lagerytorna böra vara av hårdmetall eller ev. diamant. Om en särskilt låg frammatningshastighet för provmaterialet önskas, exempelvis i samband med låg rotationshastighet hos rotorn, kan detta åstadkommas genom att de i förhållande till skärverktyget bakre plattorna i de V-formade lagren uppvärmas i stället för staven. Vid denna uppvärmning
förskjutes hela rotorn framåt i riktning mot eggen, ehuru denna rörelse naturligtvis blir av mycket liten storleksordning. Den som skärverktyg använda diamanten är företrädesvis av typen industridiamant (s. k. boarts), har en vikt av 0,2-0,5 karat samt en egg med en längd av 2,5-3,5 mm. Eggvinkeln hålles lämpligen mellan 60 och 80º alltefter det material, som skall skäras. C:a 60 är lämpligast vid skärning av mjuka och elastiska eller plastiska ämnen, medan 75-80 är bäst för metaller och andra hårda material. Vid användning av den beskrivna mikrotomen, utrustad med en slipad och polerad diamant som skärverktyg, har man lyckats framställa och i elektronmikroskop undersöka ultratunna snitt av så olikartade material som metaller, exempelvis aluminium, koppar och gjutjärn, olika typer av kristaller, ben, biologiska vävnader inbäddade i metakrylatharts, och frysta delar av färska biologiska vävnader. Framställningen av snitten sker exempelvis på följande sätt. Materialet, som skall skäras, infästes i den härför avsedda hållaren 17. Då det är fråga om metaller eller biologiska, i konstharts inbäddade preparat, värmeisoleras hånaren vid monteringen i staven 16. Diamanteggen med bakomvarande vätskefyllt tråg framföres långsamt mot preparatet med hjälp av mikrometerskruven 36, under kontroll i mikroskop, tills eggen kommer i kontakt med preparatet. Rotorn igångsättes och får rotera med en hastighet av c:a 100 v/min. Den elektriska strömmen till värmespiralen 25 slutes och kontrolleras med en mikroamperemeter. Strömstyrkan regleras med en precisionsreostat. Efter 2-3 min börjar staven utvidga sig och frammata preparatet, och de skurna snitten flyta från kniveggen ut på vätskeytan som ett sammanhängande band. Snitten upptagas på känt sätt medelst ett speciellt galler, som belagts med ett tunt skikt av kollodium e. d. Vid normal gång under 15-20 min, tills staven ej ytterligare uppvärmes och utvidgas, av den tillförda värmemängden, kunna 1000-5000 snitt erhållas. Uppfinningen är ej begränsad till den visade och beskrivna utföringsformen, utan olika modifikationer kunna vidtagas inom ramen för uppfinningsidén. Patentanspråk: 1. Spånskärande maskin för precisionsbearbetning, i synnerhet en mikrotom, känneterknad därav, att en aven motor driven, arbetsstycket uppbärande rotor (9) är lagrad i V-formade lager (8) samt medelst axialstöd dessutom säkrad mot förskjutning i axiell led, och att en eller flera hållare (17) för arbetsstycken utskjuta radiellt från rotorn samt äro anordnade att på i och för sig känt sätt frammata arbetsstyckena genom värmeutvidgning mot vardera ett stationärt skärverktyg. 2. Maskin enligt patentanspråket 1, kännetecknad därav, att varje V-lager består av två från varandra skilda plattor, som mellan sig bilda en uppåt divergerande vinkel. 3. Maskin enligt patentanspråket 1, kännetecknad därav, att rotorn (9) vid vardera änden är försedd med en centralt anordnad, axiellt utskjutande spets (11), som anligger mot ett axiellt riktat stödelement (12). 4. Maskin enligt patentanspråket 1, kännetecknad därav, att hållaren (17) för arbetsstycket är monterad på ena änden av ett staveller rörformigt element (16), som med spelrum är insatt i ett diametralt genomgående hål (15) i rotorn (9) och fast förbunden med denna vid sin från hållaren längst bort belägna ände. 5. Maskin enligt patentanspråket 4, kännetecknad därav, att det stav- eller rörformiga elementet (16) är försett med ett elektriskt värmeelement. 6. Maskin enligt patentanspråket 4, kännetecknad därav, att det stav- eller rörformiga elementet (16) har en tillslutbar hålighet för påfyllning av ett kylmedel.
7. Maskin enligt patentanspråket 2, kännetecknad därav, att den i förhållande till skärverktyget bakre plattan i varje V-lager är förbunden med en uppvärmningsanordning för åstadkommande av materialstyckets frammatning mot eggen. Anförda publikationer: Patentskrifter från Sverige 148 943; U. S. A. 2 155 523, 2 473 753, 2 642 744, 2 670 657. Stockholm 1956. Kungl. Boktr. P. A. Norstedt & Söner. 560089