Các vật liệu cứng và giòn như thủy tinh quang học, cacbua silic, gốm alumina và cacbua xi măng thường dựa vào các công cụ mài mòn kim cương để tạo hình bề mặt có độ chính xác cao-, mài phẳng và gia công đường viền. Tuy nhiên, phần lớn các công cụ kim cương hiện vẫn sử dụng quy trình trộn-và-đúc, trong đó các hạt kim cương được phân phối ngẫu nhiên trong ma trận liên kết. Sự sắp xếp ngẫu nhiên này thường dẫn đến mật độ hạt không đồng đều, sự thay đổi lớn về chiều cao nhô ra của hạt và không gian phoi bị rối loạn, trực tiếp dẫn đến hiệu suất mài mòn thấp, độ mòn dụng cụ không đồng đều và độ đồng nhất phôi kém-gây khó khăn cho việc đáp ứng các yêu cầu gia công có độ ổn định và độ chính xác cực cao-của-vật liệu cứng và giòn cao cấp.
Do đó, việc sắp xếp hạt theo thứ tự đã trở thành một hướng phát triển quan trọng cho thế hệ công cụ mài mòn kim cương tiếp theo. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét một cách có hệ thống ba quy trình tạo hình chính-thiêu kết, mạ điện và hàn đồng-và phân loại các nguyên tắc cũng như đặc điểm ứng dụng của các công nghệ sắp xếp hạt theo thứ tự khác nhau.
Hạt kim cương nên được thiết kế như thế nào để sắp xếp?
Cốt lõi của sự sắp xếp có trật tự nằm ở thiết kế chính xác về sự phân bố không gian của các hạt mài mòn, với các thông số chính bao gồm: chiều cao nhô ra của hạt, độ sâu nhúng, khoảng cách ngang và khoảng cách dọc. Chiều cao nhô ra đồng đều đảm bảo rằng tất cả các hạt tham gia cắt đồng thời, tránh sự hỏng sớm của một số hạt do chênh lệch chiều cao và ngăn ngừa sự cọ xát sớm của bề mặt phôi bởi liên kết. Độ sâu nhúng ảnh hưởng trực tiếp đến lực giữ liên kết trên hạt. Khoảng cách ngang và dọc xác định mật độ hạt, không gian phoi và tải trọng trên từng hạt riêng lẻ, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất nghiền. Hiện nay, các mẫu sắp xếp theo thứ tự chính là:
Sắp xếp mảng- Các hạt được sắp xếp theo hàng và cột cách đều nhau. Đây là cấu trúc đơn giản nhất với độ khó tạo hình thấp, cung cấp lực mài tương đối ổn định và hiệu quả cao, nhưng có thể xảy ra hiện tượng nhiễu hạt và độ nhám bề mặt phôi tương đối thấp hơn.
Sắp xếp so le– các hàng liền kề được bù lại bằng một nửa khoảng cách hàng, phá vỡ các đường cắt thẳng, cung cấp không gian phoi hợp lý, ngăn chặn hiệu quả các dấu mài định kỳ và cân bằng độ trơn với sự thoát phoi.
Sự sắp xếp thực vật học– lấy cảm hứng từ mô hình phát triển của lá cây, các hạt được phân tán đồng đều dọc theo đường xoắn ốc Fibonacci, không có sự phân bố lặp lại định kỳ. Đường cắt không chồng lên nhau, dẫn đến lực mài thấp hơn nhưng loại bỏ hiệu quả độ gợn sóng của bề mặt, khiến nó đặc biệt thích hợp cho mài gương.
Sắp xếp xoắn ốc– các hạt được phân bố dọc theo các vòng tròn đồng tâm hoặc theo đường xoắn ốc Archimedean, với khoảng cách thay đổi theo bán kính. Quá trình thoát phoi diễn ra trơn tru, thích hợp cho gia công bề mặt cong phức tạp. Trong quá trình quay, các lưỡi cắt tiếp xúc liên tục, dẫn đến tải trọng va đập thấp và giảm độ rung.
Các công cụ mài mòn được đặt hàng được chế tạo như thế nào?
Dựa trên các quy trình hợp nhất kim cương chính thống, công nghệ sắp xếp hạt theo yêu cầu có thể được chia thành ba loại: thiêu kết kim loại, mạ điện và hàn đồng.
01 Phương pháp thiêu kết
Thiêu kết là quy trình sản xuất phổ biến nhất đối với các công cụ kim cương, trong đó các hạt kim cương được trộn với chất kết dính, ép thành hình và thiêu kết. Thông qua sự phát triển công nghệ, phương pháp này hiện đạt được sự sắp xếp hạt có trật tự chủ yếu thông qua hai phương pháp:
(1) Phương pháp mẫu:
Bột liên kết được trộn đều với chất kết dính hữu cơ và dung môi, đồng thời tạo ra một tấm -lớp liên kết mỏng bằng cách ép thủy lực. Sau đó, một mẫu chuyên dụng có dãy lỗ siêu nhỏ được thiết kế sẵn (lớn hơn một chút so với kích thước hạt kim cương) sẽ được sử dụng để ép chính xác các hạt vào tấm liên kết mỏng. Sau khi tháo khuôn, nhiều lớp chứa các hạt theo thứ tự được xếp chồng lên nhau và được củng cố bằng quá trình thiêu kết ép nóng. Quá trình này có chi phí thấp và phù hợp cho sản xuất hàng loạt, nhưng các lỗ siêu nhỏ có thể biến dạng trong quá trình ép, hạn chế ứng dụng của nó đối với các hạt siêu mài mòn có đường kính lớn.
(2) Phương pháp hút chân không được điều khiển bằng AI:
Công nghệ này sử dụng thiết bị hút áp suất âm thông minh để nhặt chính xác các hạt kim cương thông qua lực chân không lên lưới định hướng tại các điểm đặt đặt trước, sau đó là cánh tay robot chuyển và gắn chúng một cách chính xác vào bề mặt đế dụng cụ, đạt được sự sắp xếp có trật tự và định hướng. Quy trình này được tự động hóa cao, với tốc độ nhặt hạt cao và độ chính xác định vị tuyệt vời, phù hợp để sản xuất dụng cụ mài tiêu chuẩn, có độ chính xác cao.
02 Phương pháp mạ điện
Nguyên lý cốt lõi của mạ điện là lắng đọng điện trường: dưới dòng điện, các ion niken trong dung dịch mạ bị phân hủy và lắng đọng, dần dần bao bọc các hạt kim cương được đặt trước trên bề mặt đế để tạo thành lớp phủ kim cương niken chắc chắn. Dụng cụ mạ điện có khả năng giữ hạt chắc chắn và thích hợp để mài các vật liệu cứng và giòn khó gia công. Ngoài việc sắp xếp thủ công, các lộ trình chế tạo sắp xếp theo thứ tự phổ biến bao gồm:
(1) Vị trí tĩnh điện:
Bằng cách sử dụng lực hút tĩnh điện, một thiết bị phân tán tĩnh điện sẽ hấp thụ các hạt kim cương lên các mảng giọt keo được thiết kế sẵn (các vùng được phủ keo) trên bề mặt đế, nhờ đó đạt được sự phân bố hạt có trật tự. Thông thường, dãy giọt keo được áp dụng chính xác bằng đầu phân phối vi mô được điều khiển bằng máy tính. Quy trình tổng thể có tính năng tự động hóa cao, lắng đọng hạt nhanh và độ chính xác định vị tốt, đồng thời có thể được điều chỉnh cho phù hợp với phôi có hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, những khuyết tật nhỏ như thiếu hạt hoặc sự kết tụ của hạt rất khó loại bỏ hoàn toàn trong quá trình dán keo.
(2) Phương pháp mở mặt nạ:
Một tấm mặt nạ mỏng được dán hoặc phủ lên bề mặt chất nền, chỉ có các lỗ ở các vị trí đặt trước. Sau khi mạ trước một lớp kim loại cơ bản, các hạt kim cương chỉ có thể lắng đọng bên trong các lỗ; việc loại bỏ mặt nạ sẽ mang lại một mảng hạt có trật tự một lớp. Các mặt nạ thành công hiện nay bao gồm mặt nạ tích tụ, mặt nạ phủ, mặt nạ dính, mặt nạ in lụa và mặt nạ quang khắc. Trong số này, mặt nạ in lụa được sử dụng rộng rãi để sắp xếp các hạt theo thứ tự trên các bề mặt phức tạp. Mặt nạ quang khắc bao gồm các quy trình phức tạp và chi phí sản xuất cao hơn và chủ yếu được sử dụng cho bánh mài mạ điện siêu mỏng có độ chính xác cao.
03 Phương pháp hàn
Quá trình hàn dựa vào các kim loại phụ hàn hoạt tính để hình thành liên kết luyện kim với kim cương, mang lại khả năng giữ hạt cao hơn nhiều so với mạ điện hoặc thiêu kết thông thường. Dụng cụ hàn đồng một lớp có hạt nhô ra lớn hơn và không gian phoi rộng hơn, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên để mài tốc độ cao, hiệu quả cao. Các quy trình sắp xếp hạt theo thứ tự hoàn thiện hiện nay bao gồm:
(1) Phương pháp tạo lỗ bằng gốm:
Chất độn hàn trước tiên được phủ đồng đều lên bề mặt dụng cụ. Sau đó, một mẫu gốm với các mảng lỗ siêu nhỏ được lắp vào bề mặt đế và các hạt kim cương được lấp đầy vào các lỗ xuyên qua để định vị. Toàn bộ tổ hợp sau đó được hàn trong một chu trình lò chân không duy nhất. Vì mẫu gốm có khả năng chịu nhiệt và không dính vào chất độn hàn nên nó có thể được tái sử dụng nhiều lần với độ chính xác vị trí ổn định, phù hợp để sản xuất hàng loạt bánh mài phẳng.
(2) Hàn điểm bằng laser:
Trong phương pháp này, chất độn hàn và hạt kim cương được phân bố đồng đều trên bề mặt nền kim loại. Một máy quét laser được điều khiển để chiếu xạ có chọn lọc các điểm cụ thể; các hạt tại các điểm được chiếu xạ được hàn đồng cục bộ và cố định trên bề mặt. Sau khi loại bỏ các hạt rời khỏi vùng không chiếu xạ, cấu trúc hạt có trật tự một lớp sẽ được hình thành. Quy trình này mang lại độ chính xác định vị cực cao và phù hợp với các dụng cụ mài mòn được đặt hàng một lớp có độ chính xác cao, nhưng mức đầu tư thiết bị tương đối cao và chủ yếu được sử dụng để sản xuất dụng cụ tùy chỉnh cao cấp.