Синтетический монокристаллический корунд и рубин представляют собой оксид алюминия Al2O3, обладающий твердостью девять единиц по шкале Мооса. Материалы характеризуются оптической прозрачностью от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона, термостойкостью до двух тысяч градусов и абсолютной химической инертностью. Из них изготавливают защитные стекла головок, окна лазеров и сопла гидроабразивных станков. Обработка сверхтвердых монокристаллов требует применения прецизионного алмазного инструмента и специализированных траекторий.

Кристаллографическая анизотропия и твердость монокристалла

Синтетический минерал обладает выраженной тригональной кристаллической решеткой, что обуславливает сильную анизотропию механических свойств в зависимости от плоскости ориентации (C-plane, R-plane, A-plane). Вдоль базовой плоскости C-plane спайность выражена слабее, что снижает вероятность образования глубоких раковин при резании. Твердость корунда превышает двадцать гигапаскалей, а вязкость разрушения составляет всего около трех МПа*м^0.5. Обработка требует точного контроля ориентации кристалла относительно траектории подачи фрезы.

Расчет критической глубины срезаемого слоя для перехода в режим бестрещинного резания сапфира выполняется по формуле:

Фрезерные станки с ЧПУ

Весь раздел →
d_crit_sapphire = 0.15 * (E_c / H_sapphire) * (K_1c_sapphire / H_sapphire)^2

где параметр E_c обозначает модуль Юнга сапфира, величина H_sapphire выражает твердость монокристалла, коэффициент K_1c_sapphire определяет трещиностойкость кристаллической решетки корунда.

Алмазные фрезы PCD и гальванические борфрезы

Фрезерование корунда осуществляют концевыми фрезами из поликристаллического алмаза PCD или монолитными наконечниками монокристаллической структуры MCD. Для профилирования сложных пазов применяют инструмент с гальваническим алмазным напылением с размером зерен от пяти до двадцати микрометров на твердосплавном хвостовике. Сверхвысокая твердость алмаза обеспечивает стабильность режущей геометрии без катастрофического абразивного износа кромок.

Использование алмазных фрез монокристаллической структуры MCD позволяет получать оптическую поверхность корунда с шероховатостью Ra менее десяти нанометров прямо на станке.

Требования к инструменту и технологической оснастке для корунда включают следующие пункты:

  • Применение прецизионных термозажимных патронов с динамической балансировкой G0.4.
  • Радиальное биение режущей кромки алмазного инструмента в шпинделе менее полумикрона.
  • Обязательное ультразвуковое ассистирование шпиндельного узла на частотах 20-40 кГц.
  • Подача высокоочищенной деионизированной воды или синтетической СОЖ для вымывания шлама.

Подобрать оборудование под вашу задачу

Нажимая кнопку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности.

Ультразвуковое вращательное фрезерование (RUM)

Технология Rotary Ultrasonic Machining передает вращающейся алмазной фрезе продольные ультразвуковые колебания с амплитудой от трех до шести микрометров. Периодический высокочастотный контакт алмазных зерен с деталью снижает осевую силу резания в пять раз и предотвращает засаливание инструмента тончайшей корундовой пылью. Ультразвуковая кавитация в потоке СОЖ мгновенно выносит разрушенные частицы из зоны резания, сохраняя остроту алмазов.

Фрезерные станки с ЧПУ

Весь раздел →
  1. Базирование корундовой пластины на вакуумном или криогенном столе с фиксацией тонким слоем льда.
  2. Черновое контурное фрезерование алмазным инструментом с ультразвуковым ассистированием.
  3. Получистовой проход мелкозернистой фрезой PCD с толщиной срезаемого слоя пятьдесят нанометров.
  4. Контроль отсутствия трещин в отраженном свете лазерного интерферометра.
Плоскость монокристалла корундаТвердость по Виккерсу, ГПаКритическая глубина съема d_crit, нмШероховатость после обработки Ra, нм
Базовая плоскость C-plane (0001)22.585 - 1108 - 15
Ромбоэдрическая R-plane (1-102)20.860 - 8012 - 22
Призматическая A-plane (11-20)19.550 - 7015 - 28

Режимы квазипластичного съема припуска без сколов

При поддержании глубины резания и подачи на зуб ниже критического порога d_crit съем корунда происходит в режиме квазипластического сдвига без распространения трещин. Процесс сопровождается формированием пластичной ленточной стружки, аналогично резанию вязких металлов. Это позволяет изготавливать прецизионные оптические призмы и каналы для аналитических чипов с абсолютной прозрачностью стенок.

Снижение радиального съема до пятидесяти нанометров за проход полностью исключает образование сколов по контуру паза.

Контроль оптической прозрачности и чистоты поверхности

Готовые корундовые изделия проходят контроль методом оптической профилометрии белого света и спектрофотометрии на пропускание световых волн. Отсутствие подповерхностного нарушенного слоя гарантирует сохранение предельной механической прочности сапфировых пластин при воздействии высокого давления. Детали направляются на сборку оптических приборов без длительной ручной полировки.

Применение передовых ЧПУ технологий позволяет серийно изготавливать кристаллические компоненты сложнейшей геометрии. Предприятия оптического и часового приборостроения получают стабильное качество ответственной продукции.

Фрезерные станки с ЧПУ

Весь раздел →