مواد سخت و شکننده مانند شیشه نوری، کاربید سیلیکون، سرامیک آلومینا و کاربیدهای سیمانی معمولاً به ابزارهای ساینده الماسی برای شکلدهی سطح{0} با دقت بالا، آسیاب مسطح و ماشینکاری کانتور متکی هستند. با این حال، اکثریت قریب به اتفاق ابزارهای الماس در حال حاضر هنوز از فرآیندهای اختلاط-و-قالبسازی استفاده میکنند، جایی که دانههای الماس به طور تصادفی در ماتریس پیوند توزیع میشوند. این چیدمان تصادفی اغلب منجر به تراکم دانههای ناهموار، تغییرات زیاد در ارتفاع برآمدگی دانهها، و فضاهای بینظم براده میشود که مستقیماً منجر به استفاده کم ساینده، سایش ناهموار ابزار، و قوام ضعیف قطعه کار میشود-وضعیت بسیار{6}}دقت و{7}}نیازمندیهای فوقالعاده-دقت و{7}}پایداری مواد سخت{8} را دشوار میکند.
بنابراین، چیدمان دانه های سفارشی به یک جهت توسعه مهم برای نسل بعدی ابزارهای ساینده الماس تبدیل شده است. در این مقاله، ما به طور سیستماتیک سه فرآیند اصلی شکلدهی-آبکاری، آبکاری الکتریکی و لحیم کاری- را مرور میکنیم و اصول و ویژگیهای کاربردی فنآوریهای مختلف قرار دادن دانههای مرتب شده را دستهبندی میکنیم.
دانه های الماس چگونه باید برای چیدمان طراحی شوند؟
هسته چیدمان منظم در طراحی دقیق توزیع فضایی دانه های ساینده با پارامترهای کلیدی از جمله: ارتفاع برآمدگی دانه، عمق جاسازی، فاصله جانبی و فاصله طولی نهفته است. ارتفاع برآمدگی یکنواخت تضمین می کند که همه دانه ها به طور همزمان در برش شرکت می کنند و از شکست زودرس برخی از دانه ها به دلیل اختلاف ارتفاع جلوگیری می کند و از مالش زودرس سطح قطعه کار توسط باند جلوگیری می کند. عمق جاسازی مستقیماً بر نیروی نگهدارنده پیوند روی دانه ها تأثیر می گذارد. فواصل جانبی و طولی چگالی دانه، فضای تراشه و بار روی هر دانه را تعیین میکنند، بنابراین بر راندمان آسیاب تأثیر میگذارند. در حال حاضر، الگوهای چیدمان اصلی سفارش داده شده عبارتند از:
چیدمان آرایه- دانهها در ردیفها و ستونهایی با فاصله یکسان چیده شدهاند. این ساده ترین سازه با سختی شکل دهی کم است، نیروهای سنگ زنی نسبتاً پایدار و راندمان بالا را ارائه می دهد، اما تداخل دانه ممکن است رخ دهد و زبری سطح قطعه کار نسبتاً کمتر است.
چیدمان پلکانی- ردیفهای مجاور با نصف فاصله ردیفها جبران میشوند، مسیرهای برش مستقیم را میشکنند، فضای مناسب تراشه را فراهم میکنند، به طور موثر علائم آسیاب دورهای را سرکوب میکنند و صافی را با تخلیه تراشه متعادل میکنند.
آرایش فیلوتاکتیکی- با الهام از الگوهای رشد برگ های گیاه، دانه ها به طور یکنواخت در امتداد مارپیچ فیبوناچی پراکنده می شوند، بدون تکرار دوره ای در توزیع. مسیرهای برش با هم تداخل ندارند و در نتیجه نیروهای سنگ زنی کمتر می شود، اما به طور موثر موج زدگی سطح را از بین می برد و آن را به ویژه برای سنگ زنی آینه ای مناسب می کند.
آرایش مارپیچی- دانه ها در امتداد دایره های متحدالمرکز یا یک مارپیچ ارشمیدسی با فاصله با شعاع متفاوت توزیع می شوند. تخلیه تراشه صاف است و برای ماشینکاری سطوح منحنی پیچیده مناسب است. در طول چرخش، لبه های برش به طور مداوم درگیر می شوند و در نتیجه بارهای ضربه ای کم و لرزش کاهش می یابد.
ابزارهای ساینده سفارشی چگونه ساخته می شوند؟
بر اساس جریان اصلی فرآیندهای یکپارچه سازی الماس، فناوری های قرار دادن دانه های سفارشی را می توان به سه دسته تقسیم کرد: تف جوشی فلز، آبکاری الکتریکی و لحیم کاری.
01 روش زینترینگ
تف جوشی رایج ترین فرآیند تولید ابزار الماس است که در آن دانه های الماس با یک چسب مخلوط می شوند، به شکل فشرده در می آیند و تف جوشی می شوند. از طریق تکامل تکنولوژیکی، این روش اکنون به ترتیب دانه بندی مرتب شده عمدتاً از طریق دو رویکرد به دست می آید:
(1) روش الگو:
پودر باند به طور یکنواخت با باند و حلال آلی مخلوط میشود و یک لایه نازک- با پرس هیدرولیک تهیه میشود. سپس از یک الگوی اختصاصی با آرایهای از ریز سوراخهای از پیش طراحیشده (کمی بزرگتر از اندازه دانه الماس) برای فشار دادن دقیق دانهها به ورقه باند نازک استفاده میشود. پس از قالبگیری، لایههای متعدد حاوی دانههای مرتب شده روی هم چیده میشوند و با تف جوشی با فشار داغ یکپارچه میشوند. این فرآیند کمهزینه و برای تولید انبوه مناسب است، اما ریز سوراخها ممکن است در حین پرس تغییر شکل دهند و کاربرد آن را به دانههای ابرساینده با قطر بزرگ محدود کنند.
(2) روش مکش خلاء کنترل شده با هوش مصنوعی:
این فناوری از تجهیزات مکش فشار منفی هوشمند استفاده میکند تا دانههای الماس را از طریق نیروی خلاء روی شبکه جهتگیری در نقاط قرارگیری از پیش تنظیمشده، بهطور دقیق جمعآوری کند، و به دنبال آن یک بازوی روباتیک بهطور دقیق آنها را به سطح زیرلایه ابزار منتقل کرده و به آن متصل میکند و به ترتیب منظم و جهتگیری میرسد. این فرآیند بسیار خودکار است، با نرخ برداشت دانه بالا و دقت موقعیت یابی عالی، مناسب برای تولید ابزار ساینده استاندارد و با دقت بالا.
02 روش آبکاری
اصل اصلی آبکاری، رسوب میدان الکتریکی است: تحت جریان الکتریکی، یونهای نیکل در محلول آبکاری تجزیه و رسوب میکنند و به تدریج دانههای الماس که از قبل روی سطح زیرلایه قرار گرفتهاند را محصور میکنند تا یک پوشش نیکل-الماس مستحکم تشکیل دهند. ابزارهای آبکاری شده باعث حفظ دانه های قوی می شوند و برای آسیاب کردن مواد مختلف سخت و شکننده که ماشین کاری دشوار است مناسب هستند. علاوه بر قرار دادن دستی، مسیرهای رایج ساخت سفارشی شامل موارد زیر است:
(1) قرار دادن الکترواستاتیک:
با استفاده از جاذبه الکترواستاتیکی، یک دستگاه پراکندگی الکترواستاتیک دانههای الماس را روی آرایههای قطره چسب از پیش طراحیشده (مناطق پوششداده شده با چسب) روی سطح زیرلایه جذب میکند و در نتیجه توزیع دانههای منظمی را به دست میآورد. به طور معمول، آرایه قطرات چسب دقیقاً توسط یک سر میکرو توزیع کننده کنترل شده توسط رایانه اعمال می شود. فرآیند کلی دارای اتوماسیون بالا، رسوب سریع دانه، و دقت موقعیت یابی خوب است و می تواند با قطعات کار با شکل پیچیده سازگار شود. با این حال، عیوب جزئی مانند دانه های از دست رفته یا تجمع دانه به سختی می توان به طور کامل در طول اتصال چسب از بین رفت.
(2) روش باز کردن ماسک:
یک ورق ماسک نازک روی سطح زیرلایه اعمال می شود یا پوشش داده می شود، با منافذ فقط در موقعیت های قرارگیری از پیش تنظیم شده. پس از پیش آبکاری یک لایه فلز پایه، دانه های الماس فقط می توانند در داخل دهانه ها رسوب کنند. با برداشتن ماسک، یک آرایه دانه منظم تک لایه ایجاد می شود. ماسکهای موفق در حال حاضر شامل ماسکهای ایجادکننده، ماسکهای پوششی، ماسکهای چسبنده، ماسکهای مبتنی بر چاپ صفحه و ماسکهای فوتولیتوگرافی هستند. در این میان، ماسک های چاپ صفحه به طور گسترده برای قرار دادن دانه های سفارشی روی سطوح پیچیده استفاده می شود. ماسکهای فوتولیتوگرافی شامل فرآیندهای پیچیده و هزینههای تولید بالاتر هستند و بیشتر برای چرخهای سنگزنی با آبکاری بسیار نازک با دقت بالا استفاده میشوند.
03 روش لحیم کاری
لحیم کاری متکی به فلزات پرکننده لحیم کاری فعال برای تشکیل پیوندهای متالورژیکی با الماس است که نسبت به آبکاری الکتریکی یا تف جوشی معمولی احتباس دانه بسیار بیشتری را فراهم می کند. ابزارهای لحیم کاری تک لایه دارای برجستگی دانه های بزرگتر و فضای براده ای فراوان هستند که آنها را به انتخاب ارجح برای سنگ زنی با سرعت بالا و راندمان بالا تبدیل می کند. فرآیندهای قرار دادن دانه سفارش داده شده در حال حاضر شامل موارد زیر است:
(1) روش سوراخ سرامیکی:
پرکننده لحیم کاری ابتدا به طور یکنواخت روی بستر ابزار اعمال می شود. سپس یک قالب سرامیکی با آرایههای ریز سوراخ بر روی سطح زیرلایه نصب میشود و دانههای الماس برای موقعیتیابی در سوراخهای عبوری پر میشوند. سپس کل مجموعه در یک چرخه کوره خلاء لحیم کاری می شود. از آنجایی که قالب سرامیکی در برابر حرارت مقاوم است و به پرکننده لحیم کاری نمیچسبد، میتوان آن را بارها و با دقت قرارگیری پایدار، برای تولید دستهای چرخهای آسیاب مسطح، دوباره استفاده کرد.
(2) لحیم کاری نقطه ای لیزری:
در این روش پرکننده لحیم کاری و دانه های الماس به طور یکنواخت روی سطح زیرلایه فلزی پخش می شوند. یک اسکنر لیزری برای تابش انتخابی نقاط خاص کنترل می شود. دانه ها در نقاط تابش شده به صورت موضعی لحیم کاری شده و بر روی بستر ثابت می شوند. پس از حذف دانههای شل از مناطق بدون تابش، یک ساختار دانهبندی منظم تک لایه تشکیل میشود. این فرآیند دقت موقعیت یابی بسیار بالایی را ارائه می دهد و برای ابزارهای ساینده سفارشی تک لایه با دقت بالا مناسب است، اما سرمایه گذاری تجهیزات نسبتاً زیاد است و بیشتر برای تولید ابزار سفارشی پیشرفته استفاده می شود.