Tvrdé a krehké materiály ako optické sklo, karbid kremíka, keramika z oxidu hlinitého a slinuté karbidy sa vo všeobecnosti spoliehajú na diamantové brúsne nástroje na vysoko presné tvarovanie povrchu, ploché brúsenie a obrábanie obrysov. Prevažná väčšina diamantových nástrojov však v súčasnosti stále používa procesy miešania-a{3}}tvarovania, pri ktorých sú diamantové zrná náhodne rozmiestnené v matrici väzby. Toto náhodné usporiadanie často vedie k nerovnomernej hustote zrna, veľkým odchýlkam vo výške vyčnievajúcich zŕn a neusporiadaným priestorom pre triesky, čo priamo vedie k nízkej spotrebe brusiva, nerovnomernému opotrebovaniu nástroja a zlej konzistencii obrobku-, čo sťažuje splnenie požiadaviek na ultra{6}}precíznosť a vysokú{7}}stabilitu obrábania pre-tvrdé a krehké materiály.
Usporiadané usporiadanie zŕn sa preto stalo dôležitým smerom vývoja pre ďalšiu generáciu diamantových brúsnych nástrojov. V tomto článku systematicky skúmame tri hlavné procesy tvárnenia-spekanie, galvanické pokovovanie a tvrdé spájkovanie-a kategorizujeme princípy a aplikačné charakteristiky rôznych technológií usporiadaného umiestňovania zŕn.
Ako by mali byť diamantové zrná navrhnuté na usporiadanie?
Jadro usporiadaného usporiadania spočíva v precíznom návrhu priestorového rozloženia brúsnych zŕn s kľúčovými parametrami: výška vyčnievania zŕn, hĺbka uloženia, bočné rozstupy a pozdĺžne rozstupy. Rovnomerná výška výstupku zaisťuje, že všetky zrná sa podieľajú na rezaní súčasne, čím sa zabráni predčasnému zlyhaniu niektorých zŕn v dôsledku výškových rozdielov a zabráni sa predčasnému odieraniu povrchu obrobku väzbou. Hĺbka zapustenia priamo ovplyvňuje prídržnú silu väzby na zrná. Bočné a pozdĺžne rozstupy určujú hustotu zrna, priestor pre triesky a zaťaženie každého jednotlivého zrna, čím ovplyvňujú účinnosť mletia. V súčasnosti sú hlavné usporiadané vzory usporiadania:
Usporiadanie poľa– zrná sú usporiadané v rovnako vzdialených radoch a stĺpcoch. Ide o najjednoduchšiu štruktúru s nízkou obtiažnosťou tvarovania, ktorá poskytuje relatívne stabilné brúsne sily a vysokú účinnosť, ale môže dôjsť k interferencii zŕn a drsnosť povrchu obrobku je relatívne nižšia.
Rozložené usporiadanie– susedné rady sú posunuté o polovicu rozstupu riadkov, čím sa prerušujú priame rezné dráhy, poskytuje sa primeraný priestor pre triesky, účinne sa potláčajú pravidelné stopy po brúsení a vyvažuje sa hladkosť s odvodom triesok.
Fylotaktické usporiadanie– inšpirované rastovými vzormi listov rastlín, zrná sú rovnomerne rozptýlené pozdĺž Fibonacciho špirály bez pravidelného opakovania distribúcie. Dráhy rezu sa neprekrývajú, čo má za následok nižšie brúsne sily, ale účinne eliminuje zvlnenie povrchu, vďaka čomu je obzvlášť vhodný na zrkadlové brúsenie.
Špirálové usporiadanie– zrná sú rozmiestnené pozdĺž sústredných kružníc alebo Archimedovej špirály, pričom rozstupy sa menia s polomerom. Odvod triesok je plynulý, vhodný na zložité obrábanie zakrivených plôch. Počas otáčania rezné hrany nepretržite zaberajú, čo vedie k nízkemu nárazovému zaťaženiu a zníženiu vibrácií.
Ako sa vyrábajú objednané brúsne nástroje?
Na základe bežných procesov konsolidácie diamantov možno technológie usporiadaného umiestňovania zŕn rozdeliť do troch kategórií: spekanie kovov, galvanické pokovovanie a tvrdé spájkovanie.
01 Metóda spekania
Spekanie je najbežnejší výrobný proces diamantových nástrojov, pri ktorom sa diamantové zrná zmiešajú so spojivom, lisujú do tvaru a spekajú. Prostredníctvom technologického vývoja táto metóda teraz dosahuje usporiadané usporiadanie zŕn najmä prostredníctvom dvoch prístupov:
(1) Metóda šablóny:
Spojivový prášok sa rovnomerne zmieša s organickým spojivom a rozpúšťadlom a pomocou hydraulického lisovania sa pripraví tenkovrstvová spojovacia vrstva. Na presné zatlačenie zŕn do tenkého spojovacieho listu sa potom použije špeciálna šablóna s vopred navrhnutým súborom mikrootvorov (o niečo väčších ako veľkosť diamantových zŕn). Po vybratí z formy sú viaceré vrstvy obsahujúce usporiadané zrná naskladané a spevnené spekaním lisovaním za tepla. Tento proces je lacný a vhodný pre sériovú výrobu, no mikrootvory sa môžu počas lisovania deformovať, čo obmedzuje jeho použitie na superabrazívne zrná s veľkým priemerom.
(2) Metóda vákuového nasávania riadená AI:
Táto technológia využíva inteligentné podtlakové sacie zariadenie na presné nasávanie diamantových zŕn pomocou podtlakovej sily na orientačnú mriežku v prednastavených bodoch umiestnenia, po ktorej nasleduje robotické rameno, ktoré ich presne prenáša a pripevňuje k povrchu substrátu nástroja, čím sa dosiahne usporiadané usporiadanie a smerová orientácia. Proces je vysoko automatizovaný, s vysokou rýchlosťou zberu zrna a vynikajúcou presnosťou polohovania, vhodný pre vysoko presnú, štandardizovanú výrobu brúsnych nástrojov.
02 Metóda galvanického pokovovania
Základným princípom elektrolytického pokovovania je nanášanie v elektrickom poli: pod elektrickým prúdom sa ióny niklu v pokovovacom roztoku rozkladajú a usadzujú, pričom postupne zapuzdrujú diamantové zrná vopred umiestnené na povrchu substrátu, aby vytvorili robustný niklovo-diamantový povlak. Galvanicky pokovované nástroje poskytujú silnú retenciu zrna a sú vhodné na brúsenie rôznych tvrdých a krehkých ťažkoobrobiteľných materiálov. Okrem manuálneho ručného umiestňovania, bežné výrobné postupy na objednávku zahŕňajú:
(1) Elektrostatické umiestnenie:
Zariadenie elektrostatickej disperzie pomocou elektrostatickej príťažlivosti adsorbuje diamantové zrná na vopred navrhnuté usporiadané polia kvapiek lepidla (plochy potiahnuté lepidlom) na povrchu substrátu, čím sa dosiahne usporiadané rozloženie zŕn. Typicky je pole kvapiek lepidla presne aplikované počítačom riadenou mikrodávkovacou hlavou. Celý proces sa vyznačuje vysokou automatizáciou, rýchlym ukladaním zrna a dobrou presnosťou polohovania a môže byť prispôsobený obrobkom s komplexným tvarom. Avšak menšie chyby, ako sú chýbajúce zrná alebo aglomerácia zŕn, je ťažké úplne odstrániť počas lepenia.
(2) Spôsob otvárania masky:
Na povrch substrátu sa nanesie alebo nanesie tenká vrstva masky s otvormi iba v prednastavených polohách umiestnenia. Po predbežnom pokovovaní základnej kovovej vrstvy sa diamantové zrná môžu usadzovať iba v otvoroch; odstránením masky sa získa jednovrstvové usporiadané pole zŕn. V súčasnosti úspešné masky zahŕňajú stavacie masky, poťahové masky, lepiace masky, masky na báze sieťotlače a fotolitografické masky. Medzi nimi sa široko používajú sieťotlačové masky na usporiadané umiestňovanie zŕn na zložité povrchy. Fotolitografické masky zahŕňajú komplikované postupy a vyššie výrobné náklady a väčšinou sa používajú pre vysoko presné ultratenké galvanické brúsne kotúče.
03 Metóda spájkovania
Spájkovanie sa spolieha na aktívne spájkovacie prídavné kovy na vytváranie metalurgických väzieb s diamantom, ktoré poskytuje oveľa vyššiu retenciu zrna ako galvanické pokovovanie alebo konvenčné spekanie. Jednovrstvové spájkované nástroje majú väčší výstupok zrna a dostatok priestoru na triesky, vďaka čomu sú preferovanou voľbou pre vysokorýchlostné a vysoko účinné brúsenie. V súčasnosti zrelé procesy usporiadaného umiestňovania zŕn zahŕňajú:
(1) Metóda keramickej dierovej šablóny:
Spájkovacie plnivo sa najskôr rovnomerne nanesie na podklad nástroja. Na povrch substrátu sa potom nasadí keramická šablóna s poliami mikrootvorov a do priechodných otvorov sa naplnia diamantové zrná na umiestnenie. Celá zostava je potom spájkovaná v jedinom cykle vákuovej pece. Keďže keramická šablóna je odolná voči teplu a nepriľne k spájkovacej výplni, je možné ju mnohokrát opakovane použiť so stabilnou presnosťou umiestnenia, vhodná na sériovú výrobu plochých brúsnych kotúčov.
(2) Bodové spájkovanie laserom:
Pri tejto metóde sú spájkovacie plnivo a diamantové zrná rovnomerne rozložené na povrchu kovového substrátu. Laserový skener je riadený tak, aby selektívne ožaroval špecifické body; zrná na ožiarených miestach sú lokálne spájkované a fixované na substrát. Po odstránení voľných zŕn z neožiarených oblastí sa vytvorí jednovrstvová usporiadaná štruktúra zŕn. Tento proces ponúka extrémne vysokú presnosť polohovania a je vhodný pre vysoko presné jednovrstvové objednané brúsne nástroje, ale investícia do zariadenia je pomerne vysoká a väčšinou sa používa na špičkovú zákazkovú výrobu nástrojov.