Тверді та крихкі матеріали, як-от оптичне скло, карбід кремнію, глиноземна кераміка та цементовані карбіди, зазвичай покладаються на алмазні абразивні інструменти для високо-точного формування поверхні, плоского шліфування та обробки контурів. Однак у переважній більшості алмазних інструментів наразі все ще використовуються процеси змішування-і-формування, коли алмазні зерна випадковим чином розподіляються всередині зв’язувальної матриці. Таке випадкове розташування часто призводить до нерівномірної щільності зерен, великих коливань у висоті виступу зерна та невпорядкованих просторів для стружки, що безпосередньо призводить до низького використання абразиву, нерівномірного зносу інструменту та поганої консистенції заготовки-, що ускладнює виконання вимог до над-точності та високої{7}}стабільності обробки високоякісних твердих і крихких матеріалів.
Тому впорядковане розташування зерен стало важливим напрямком розвитку наступного покоління алмазно-абразивних інструментів. У цій статті ми систематично розглядаємо три основні процеси формування-спікання, гальванічного покриття та пайки-і класифікуємо принципи та характеристики застосування різних технологій упорядкованого розміщення зерен.
Як мають бути розроблені алмазні зерна для розташування?
Суть упорядкованого розташування полягає в точному проектуванні просторового розподілу абразивних зерен, з ключовими параметрами, включаючи: висоту виступу зерна, глибину заглиблення, бічні та поздовжні відстані. Рівномірна висота виступу гарантує, що всі зерна беруть участь у різанні одночасно, уникаючи передчасного руйнування деяких зерен через різницю у висоті та запобігаючи передчасному натиранню поверхні заготовки з’єднанням. Глибина закладення безпосередньо впливає на силу утримування зв'язку на зернах. Бічні та поздовжні відстані визначають щільність зерна, простір для стружки та навантаження на кожне окреме зерно, таким чином впливаючи на ефективність шліфування. На даний момент основними шаблонами впорядкованого розташування є:
Розташування масиву– зерна розташовані в однакові рядки та стовпці. Це найпростіша структура з низькими труднощами формування, що забезпечує відносно стабільні сили шліфування та високу ефективність, але може виникнути інтерференція зерна, а шорсткість поверхні заготовки відносно нижча.
Розташування в шаховому порядку– сусідні ряди зміщені на половину інтервалу між рядами, порушуючи прямі траєкторії різання, забезпечуючи достатній простір для стружки, ефективно придушуючи періодичні сліди шліфування та врівноважуючи гладкість із відведенням стружки.
Філотактичне розташування– натхненний закономірностями росту листя рослини, зерна рівномірно розподілені по спіралі Фібоначчі, без періодичного повторення розподілу. Шляхи різання не перекриваються, що призводить до менших сил шліфування, але ефективно усуває хвилястість поверхні, що робить його особливо придатним для дзеркального шліфування.
Спіральне розташування– зерна розподіляються уздовж концентричних кіл або спіралі Архімеда, відстань між якими змінюється в залежності від радіуса. Евакуація стружки плавна, підходить для обробки складних криволінійних поверхонь. Під час обертання ріжучі кромки безперервно зачіпаються, що призводить до низьких ударних навантажень і зниження вібрації.
Як виготовляються замовлені абразивні інструменти?
Виходячи з основних процесів консолідації алмазів, технології впорядкованого розміщення зерен можна розділити на три категорії: спікання металу, гальванічне покриття та пайка.
01 Спосіб спікання
Спікання є найпоширенішим процесом виробництва алмазних інструментів, коли алмазні зерна змішуються зі сполучною речовиною, формуються та спікаються. Завдяки технологічній еволюції цей метод тепер досягає впорядкованого розташування зерен головним чином за допомогою двох підходів:
(1) Метод шаблону:
З’єднувальний порошок рівномірно змішується з органічним зв’язуючим і розчинником, і шляхом гідравлічного пресування готується тонкошаровий зв’язувальний лист. Потім використовується спеціальний шаблон із заздалегідь розробленим масивом мікроотворів (трохи більших за розмір зерна алмазу), щоб точно втиснути зерна в тонкий лист зв’язку. Після виймання з форми багатошарові шари, що містять упорядковані зерна, складаються та консолідуються шляхом гарячого пресування. Цей процес є недорогим і підходить для масового виробництва, але мікроотвори можуть деформуватися під час пресування, що обмежує його застосування до суперабразивних зерен великого діаметру.
(2) Метод вакуумного відсмоктування, керований AI:
Ця технологія використовує інтелектуальне всмоктувальне обладнання з негативним тиском для точного збирання алмазних зерен за допомогою вакуумної сили на орієнтаційну сітку в попередньо встановлених точках розміщення, а потім роботизовану руку, яка точно переносить і прикріплює їх до поверхні основи інструменту, досягаючи впорядкованого розташування та спрямованої орієнтації. Процес високоавтоматизований, з високою швидкістю підбирання зерна та чудовою точністю позиціонування, підходить для високоточного стандартизованого виробництва абразивного інструменту.
02 Метод гальванічного покриття
Основним принципом гальванічного покриття є осадження в електричному полі: під впливом електричного струму іони нікелю в розчині для покриття розкладаються та осідають, поступово інкапсулюючи алмазні зерна, попередньо розміщені на поверхні підкладки, утворюючи міцне нікель-алмазне покриття. Інструменти з гальванічним покриттям забезпечують міцне утримання зерна та підходять для шліфування різних твердих і крихких матеріалів, які важко піддаються обробці. На додаток до ручного розміщення, загальні маршрути виготовлення впорядкованого розташування включають:
(1) Електростатичне розміщення:
Використовуючи електростатичне притягання, електростатичний дисперсійний пристрій адсорбує алмазні зерна на заздалегідь розроблені впорядковані масиви клейових крапель (області, вкриті клеєм) на поверхні підкладки, таким чином досягаючи впорядкованого розподілу зерен. Як правило, масив крапель клею точно наноситься за допомогою мікророзподільної головки, керованої комп’ютером. Загальний процес відрізняється високим рівнем автоматизації, швидким осадженням зерен і високою точністю позиціонування, і його можна адаптувати до заготовок складної форми. Однак дрібні дефекти, такі як відсутність зерен або агломерація зерен, важко повністю усунути під час адгезивного склеювання.
(2) Спосіб відкриття маски:
Тонкий лист маски наноситься або покривається на поверхню підкладки з отворами лише в попередньо встановлених місцях розміщення. Після попереднього нанесення шару основного металу алмазні зерна можуть осідати лише в отворах; видалення маски дає одношаровий упорядкований масив зерен. Наразі успішні маски включають маски для нарощування, маски для покриття, клейкі маски, маски на основі трафаретного друку та фотолітографічні маски. Серед них маски трафаретного друку широко використовуються для впорядкованого розміщення зерна на складних поверхнях. Фотолітографічні маски передбачають складні процедури та вищі витрати на виробництво, і в основному використовуються для високоточних надтонких шліфувальних кругів із гальванічним покриттям.
03 Метод пайки
Пайка базується на активному паянні наповнювачів для утворення металургійних зв’язків з алмазом, що забезпечує набагато більше збереження зерна, ніж гальванічне чи звичайне спікання. Одношарові паяні інструменти мають більший виступ зерна та великий простір для стружки, що робить їх кращим вибором для високошвидкісного та високоефективного шліфування. В даний час зрілі впорядковані процеси розміщення зерна включають:
(1) Метод керамічного отвору-шаблону:
Наповнювач для пайки спочатку рівномірно наноситься на основу інструменту. Потім на поверхню підкладки вставляється керамічний шаблон із масивами мікроотворів, а алмазні зерна заповнюються в наскрізні отвори для позиціонування. Потім весь вузол паяється в одному циклі вакуумної печі. Оскільки керамічний шаблон є термостійким і не прилипає до наповнювача для пайки, його можна багаторазово використовувати зі стабільною точністю розміщення, придатним для серійного виробництва плоских шліфувальних кругів.
(2) Лазерна точкова пайка:
У цьому методі наповнювач і алмазні зерна рівномірно розподіляються на поверхні металевої основи. Лазерний сканер керується для вибіркового опромінення певних точок; зерна в опромінених плямах локально спаяні та закріплені на підкладці. Після видалення сипучих зерен з неопромінених ділянок формується одношарова впорядкована зерниста структура. Цей процес забезпечує надзвичайно високу точність позиціонування та підходить для високоточних одношарових замовлених абразивних інструментів, але інвестиції в обладнання є відносно високими, і він здебільшого використовується для виробництва інструментів високого класу на замовлення.