光学ガラス、炭化ケイ素、アルミナ セラミック、超硬合金などの硬くて脆い材料は、一般に高精度の表面成形、平面研削、輪郭加工にダイヤモンド研磨工具を使用します。{0}しかし、現在でもダイヤモンド工具の大部分は依然として混合プロセスと-プロセスを使用しており、ダイヤモンド粒子は結合マトリックス内にランダムに分散されています。このランダムな配置は、多くの場合、不均一な粒子密度、粒子突出高さの大きなばらつき、不規則なチップスペースを引き起こし、直接的に砥粒使用量の低下、不均一な工具摩耗、ワークピースの一貫性の低下につながります。-その結果、ハイエンドの硬脆性材料の超精度と高い安定性の加工要件を満たすことが困難になります。{{6}{6}}
したがって、規則的な粒子配列は、次世代のダイヤモンド研磨工具の重要な開発方向となっています。この記事では、3 つの主要な成形プロセス-焼結、電気めっき、ろう付け-を体系的にレビューし、さまざまな規則正しい粒子配置技術の原理と応用特性を分類します。
ダイヤモンド粒の配置はどのようにデザインすればよいのでしょうか？
規則正しい配置の中核は、砥粒の突出高さ、埋め込み深さ、横方向の間隔、縦方向の間隔などの重要なパラメータを伴う砥粒の空間分布の正確な設計にあります。突起の高さが均一であるため、すべての砥粒が同時に切削に参加し、高さの違いによる一部の砥粒の早期破損が回避され、結合によるワークピース表面の早期摩擦が防止されます。埋め込みの深さは、粒子上の結合の保持力に直接影響します。横方向と縦方向の間隔は、粒子密度、チップ間隔、および個々の粒子にかかる負荷を決定し、研削効率に影響します。現在、主な順序配置パターンは次のとおりです。
配列の配置– 粒子は等間隔の行と列に配置されます。最も単純な構造で成形難易度が低く、比較的安定した研削力と高能率が得られますが、砥粒干渉が発生する可能性があり、ワークの表面粗さは比較的低くなります。
千鳥配置– 隣接する列は列間隔の半分だけオフセットされ、直線の切削パスを遮断し、適度な切りくずスペースを提供し、周期的な研削マークを効果的に抑制し、滑らかさと切りくず排出のバランスをとります。
葉序配置– 植物の葉の成長パターンからインスピレーションを得た粒子は、分布に周期的な繰り返しがなく、フィボナッチ螺旋に沿って均一に分散されています。切削経路が重ならないため、研削力は低くなりますが、表面のうねりを効果的に除去できるため、特に鏡面研削に適しています。
スパイラル配置– 粒子は同心円またはアルキメデスの螺旋に沿って分布し、間隔は半径とともに変化します。切りくず排出がスムーズで複雑な曲面加工に最適です。回転中、刃先は継続的に噛み合うため、衝撃負荷が低くなり、振動が軽減されます。
注文された研磨工具はどのように製造されますか?
主流のダイヤモンド固化プロセスに基づいて、規則的に粒子を配置する技術は、金属焼結、電気めっき、およびろう付けの 3 つのカテゴリに分類できます。
01 焼結法
焼結はダイヤモンド工具の最も一般的な製造プロセスであり、ダイヤモンド粒子を結合剤と混合し、プレスして成形し、焼結します。技術の進化により、この方法は現在、主に 2 つのアプローチによって規則正しい粒子配列を実現しています。
(1) テンプレート方式：
ボンド粉末は有機バインダーと溶剤と均一に混合され、油圧プレスによって薄い層のボンドシートが作成されます。{0}次に、事前に設計された微細穴（ダイヤモンド粒子のサイズよりわずかに大きい）の配列を備えた専用のテンプレートを使用して、粒子を薄いボンドシートに正確に押し込みます。脱型後、規則正しい粒子を含む複数の層が積層され、ホットプレス焼結によって強化されます。この方法は低コストで大量生産に適していますが、プレス加工時に微細穴が変形する可能性があるため、大径の超砥粒への適用は限られます。
(2) AI制御による真空吸引方式：
この技術は、インテリジェントな負圧吸引装置を使用して、事前に設定された配置ポイントの配向グリッド上に真空力によってダイヤモンド粒子を正確にピックアップし、続いてロボットアームがダイヤモンド粒子をツール基板表面に正確に移送して付着させ、秩序だった配置と方向性を実現します。このプロセスは高度に自動化されており、粒子のピックアップ率が高く、位置決め精度が優れているため、高精度の標準化された研磨工具の製造に適しています。
02 電気めっき法
電気めっきの中心原理は電界堆積です。電流が流れると、めっき液中のニッケルイオンが分解して堆積し、基板表面にあらかじめ配置されているダイヤモンド粒子を徐々にカプセル化し、強固なニッケルダイヤモンドコーティングを形成します。電着工具は強力な砥粒保持力を備え、硬くて脆いさまざまな加工の難しい材料の研削に適しています。手作業での配置に加えて、一般的な順序付けによる製造ルートには次のようなものがあります。
(1) 静電配置:
静電引力を利用して、静電分散装置が基板表面上の事前に設計された順序付けられた接着剤液滴配列 (接着剤コーティング領域) にダイヤモンド粒子を吸着し、それによって規則正しい粒子分布が達成されます。通常、接着剤の液滴配列はコンピュータ制御のマイクロディスペンシング ヘッドによって正確に塗布されます。プロセス全体は高度な自動化、高速粒子堆積、優れた位置決め精度を特徴としており、複雑な形状のワークピースに適応できます。しかし、接着時に粒子の欠落や粒子の凝集などの軽微な欠陥を完全に除去することは困難です。
(2) マスクの開封方法：
薄いマスクシートを基板表面に塗布またはコーティングし、あらかじめ設定された配置位置にのみ開口部を設けます。ベースメタル層を事前めっきした後、ダイヤモンド粒子は開口部内にのみ堆積します。マスクを除去すると、単層の規則正しい粒子配列が得られます。現在成功しているマスクには、ビルドアップ マスク、コーティング マスク、接着マスク、スクリーン印刷ベースのマスク、フォトリソグラフィ マスクなどがあります。中でも、スクリーン印刷マスクは、複雑な表面に規則的に粒子を配置するために広く使用されています。フォトリソマスクは工程が複雑で製造コストが高く、主に高精度の極薄電気めっき砥石に使用されます。
03 ろう付け方法
ろう付けは活性ろう材に依存してダイヤモンドと冶金学的結合を形成し、電気めっきや従来の焼結よりもはるかに高い粒子保持力を実現します。単層ろう付け工具は、粒子の突出量が大きく、チップスペースが十分にあるため、高速、高効率の研削に最適です。現在成熟している注文穀物配置プロセスには次のものが含まれます。
(1) セラミック穴テンプレート法:
まず、ろう材がツール基板上に均一に塗布されます。次に、マイクロホールアレイを備えたセラミックテンプレートを基板表面に取り付け、位置決めのためにダイヤモンド粒子をスルーホールに充填します。次に、アセンブリ全体が 1 回の真空炉サイクルでろう付けされます。セラミックテンプレートは耐熱性があり、ろう材が付着しないため何度も再利用でき、安定した載置精度が得られ、平砥石のバッチ生産に適しています。
(2) レーザースポットろう付け:
この方法では、ろう材とダイヤモンド粒子が金属基板表面に均一に分布します。レーザースキャナーは、特定のスポットを選択的に照射するように制御されます。照射スポットの粒子は局所的にろう付けされ、基板上に固定されます。非照射領域から遊離粒子を除去した後、単層の規則正しい粒子構造が形成されます。このプロセスは位置決め精度が非常に高く、高精度の単層オーダー研磨工具に適していますが、設備投資が比較的高額なため、主にハイエンドのカスタムメイド工具の製造に使用されます。