Крупнозернистый монокристаллический алмаз играет двойную роль в области шлифования: он является как объектом обработки (в качестве полупроводниковых подложек, оптических окон и других конечных изделий, которые необходимо отшлифовать с точностью до атомного уровня), так и инструментом для обработки других материалов (в качестве приспособления для правки шлифовальных кругов, режущих инструментов и абразивов, используемых для шлифования других твердых и хрупких материалов). Эти два аспекта в совокупности составляют полную картину применения крупнозернистого монокристаллического алмаза в области шлифования.
I. В качестве инструмента для правки шлифовальных кругов: «эталон» точности шлифования
В процессе шлифования шлифовальные круги постепенно тупеют и забиваются, поэтому их необходимо периодически правки, чтобы восстановить их геометрическую точность и режущую способность. Правочные инструменты из монокристаллического алмаза являются наиболее широко используемыми инструментами для правки в прецизионном шлифовании.
В качестве сырья для обтачивающих ручек из крупнозернистого монокристаллического алмаза обычно используется высокочистый CVD-монокристаллический алмаз; ширина алмаза может достигать 3 мм, а его вершина может быть отшлифована в форму конуса, квадратной пирамиды или профилированного обтачивающего инструмента с углом от 30° до 120°, что позволяет использовать их для прецизионной обтачивки различных дуговых, скошенных, торцевых поверхностей и канавок на шлифовальных кругах станков с ЧПУ. На примере профильного обтачивающего инструмента «топористого» типа: при использовании монокристаллического алмазного наконечника с углом 60° и радиусом дуги R0,2 шероховатость поверхности обрабатываемой детали после обтачивания можно удержать в пределах Ra 0,2. Такие обтачивающие инструменты подходят для профильных шлифовальных станков с ЧПУ и прецизионных плоскошлифовальных станков таких марок, как Da Guang Chang Rong и Okamoto, и в основном используются для обтачивания абразивных кругов с керамической и полимерной связкой.
В области сверхточной профильного шлифования алмазные обтачивающие ролики также используют монокристаллические алмазные зерна в качестве основного функционального материала. Точность обтачивания и срок службы роликов напрямую влияют на качество обработки деталей и эффективность серийного производства; к высокотехнологичным областям применения относятся профильное шлифование с субмикронной точностью медицинского оборудования и прецизионных форсунок и топливных насосов.
II. В качестве абразива: «зубья» для шлифования твёрдых и хрупких материалов
Благодаря таким характеристикам, как целостность кристаллической структуры, острые грани, высокая твёрдость и износостойкость, микропорошок монокристаллического алмаза является основным расходным материалом для шлифования твёрдых и хрупких материалов.
При обработке полупроводниковых и оптоэлектронных материалов микропорошок монокристаллического алмаза в основном используется для грубого шлифования с целью утоньшения подложек из карбида кремния и сапфира, прецизионного шлифования оптического стекла и кварца, а также для выравнивания поверхностей из твердого сплава и керамики. Эти материалы, как правило, обладают высокой твердостью и хрупкостью, с чем обычные абразивы справляются с трудом, тогда как острые режущие кромки монокристаллического алмазного абразива позволяют контролировать повреждение поверхности, обеспечивая при этом высокую эффективность удаления материала.
В реальных процессах шлифования выбор размера зерен алмазного абразива должен соответствовать материалу заготовки и этапу обработки. Например, при шлифовании монокристаллического кремния можно использовать алмазные шлифовальные круги на смоляной связке: абразив с размером зерен M6/12 применяется для грубого шлифования, а M2/4 — для чистового, что позволяет посредством сочетания зерен разного размера осуществлять ступенчатый контроль от удаления материала до достижения требуемой гладкости поверхности. Алмазные шлифовальные круги с паяным связующим, благодаря таким преимуществам, как высокая высота выступающих зерен, высокая прочность удержания и высокий коэффициент шлифования, демонстрируют выдающиеся результаты при высокоэффективном шлифовании труднообрабатываемых материалов.
III. В качестве материала для режущих инструментов: «режущая кромка» для сверхточной резки
Режущую кромку режущего инструмента из монокристаллического алмаза можно отшлифовать до уровня межатомных расстояний, при этом радиус кромки составляет примерно от 3 до 5 э (0,3–0,5 нм), что представляет собой предел точности, недостижимый для других материалов режущего инструмента.
Само производство таких режущих инструментов представляет собой сложный процесс прецизионного шлифования. Технологический процесс изготовления токарных резцов из монокристаллического алмаза включает в себя выбор сырья, ориентацию, распиловку, заготовку, закрепление, черновое шлифование, чистовое шлифование и контроль качества, причем этап шлифования напрямую определяет конечную качество инструмента. Высокоточные монокристаллические алмазные токарные режущие инструменты используются для сверхточной обработки сложных поверхностей оптических функциональных материалов; по мере постоянного роста спроса на оптические асферические и элементы со свободными поверхностями в оборонной и оптоэлектронной отраслях спрос на высокоточные алмазные токарные режущие инструменты также растет.
В конкретных областях применения монокристаллические алмазные режущие инструменты широко используются для сверхточной обработки оптических компонентов, таких как формы для литья под давлением полимерных линз (например, считывающих линз для оптических дисков и линз камер смартфонов), формы для оптических призм жидкокристаллических панелей, а также лазерных зеркал. Обработка прецизионных форм для оптических пленок и оптических элементов, используемых в плоскопанельных дисплеях (FPD), также зависит от микроинструментов из монокристаллического алмаза, способных формировать на заготовках узоры в виде канавок с точностью до микрометра.
