Способ изготовления абразивных инструментов и абразивные инструменты, изготовленные этим способом

Способ изготовления абразивных инструментов и абразивные инструменты, изготовленные этим способом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления абразивных инструментов и абразивные инструменты, изготовленные этим способом. В соответствии с этим способом, индивидуальные абразивные зерна помещают в контролируемую случайную пространственную матрицу таким образом, что индивидуальные зерна не соприкасаются друг с другом. Имеющая случайную, но контролируемую матрицу абразивных зерен поверхность обработки абразивного инструмента позволяет осуществлять оптимальное абразивное действие, в результате чего повышается эффективность обработки и обеспечивается единообразное получение плоских поверхностей заготовки.

Предпосылки к созданию изобретения

Было обнаружено, что однородное фигурное размещение абразивных зерен на абразивных инструментах различных категорий улучшает качественные характеристики абразивного инструмента. Одной из таких категорий инструментов являются "спроектированные" или "структурированные" абразивные инструменты с покрытием, предназначенные для проведения тонких, прецизионных операций шлифования, причем такие инструменты появились в продаже в течение последнего десятилетия. Типичные конструкции этих абразивных инструментов описаны в патентах США №5014468, 5304223, 5833724, 5863306 и 6293980 В. В этих инструментах небольшие фасонные композитные структуры, например трехмерные пирамиды, ромбы и шестиугольные выступы, которые содержат множество абразивных зерен и удерживаются в объеме связующего материала, копируют, в виде единственного слоя в регулярной картине, на поверхность листа гибкой подложки. Было обнаружено, что эти инструменты обеспечивают свободное резание, причем свободные промежутки между композитами зерен позволяют циркулировать охладителю и улучшают удаление шлама. Аналогичные инструменты, относящиеся к категории суперабразивных инструментов и имеющие жесткий фасонный круг или сердечник основы, описаны в патенте США №6096107.

Уже разработаны абразивные инструменты, имеющие единственный слой абразивных зерен, разложенных в виде однородной сетчатой картины из квадратов, кругов, прямоугольников, шестиугольников или других повторяемых геометрических форм, причем эти инструменты используют в различных применениях прецизионной чистовой обработки. Указанные картины могут содержать индивидуальные зерна или пакеты абразивных зерен в единственном слое, разделенные открытыми промежутками между пакетами. Полагают, что, особенно в случае суперабразивных инструментов, однородные картины абразивных зерен позволяют получать более плоские и гладкие поверхности после чистовой обработки, чем поверхности, которые могут быть получены при случайном размещении абразивных зерен на абразивном инструменте. Такие инструменты раскрыты, например, в патентах США №6537140, 5669943, 4925457, 5980678, 5049165, 6368198 В1 и 6159087.

Таким образом, уже были спроектированы и изготовлены различные абразивные инструменты, в соответствии с техническими требованиями высокой точности, которые необходимы для однородного шлифования дорогих полуобработанных заготовок. В качестве примера таких заготовок в электронной промышленности можно указать полуобработанные интегральные схемы, которые необходимо шлифовать или полировать для удаления избытка керамических или металлических материалов, которые были избирательно осаждены на подложку в виде множества поверхностных слоев, с использованием травления или без него (например, для удаления диоксида кремния или другого керамического или стеклянного материала основы). Планаризацию вновь образованных поверхностных слоев на полуобработанных интегральных схемах проводят при помощи способов химико-механической планаризации (СМР), с использованием абразивных суспензий и полимерных полировальников. СМР полировальники следует непрерывно или периодически "кондиционировать" (приводить в соответствие с нормами) при помощи абразивного инструмента. Кондиционирование устраняет затвердение или засаливание полировальника, вызванное уплотнением накопленного шлама и частиц абразивной суспензии на поверхности полирования полировальника. Действие кондиционирования должно быть однородным по всей поверхности полировальника, так чтобы кондиционированный полировальник мог снова производить планаризацию по всей поверхности полуобработанных подложек.

Местоположение абразивных зерен на кондиционирующем инструменте контролируют таким образом, чтобы создавать однородные картины царапин на поверхности полирования полировальника. Совершенно случайное расположение абразивных зерен в двумерной плоскости инструмента обычно считают непригодным для СМР кондиционирования полировальника. Было предложено контролировать местоположение абразивных зерен на СМР инструментах кондиционирования за счет ориентирования каждого зерна вдоль некоторой заданной регулярной сетки на поверхности шлифования инструмента (смотри, например, патент США 6368198 В1). Однако инструменты с регулярной сеткой имеют некоторые недостатки. Например, регулярная сетка создает периодичность в вибрации, возникающей при движении инструмента, что, в свою очередь, может создавать волнистость или периодические канавки на полировальнике или вызывать неравномерный износ абразивного инструмента или полировальника, что в конечном счете приводит к ухудшению качества поверхности полуобработанной заготовки.

Способ создания не регулярной сетки абразивных зерен в единственном слое на основе абразивного инструмента раскрыт в заявке на патент Японии No. 2002-178264. Изготовление таких инструментов начинают с задания виртуальной сетки, имеющей регулярную двумерную структуру, например, в виде квадратов, в которой зерна помещают на пересечении линий сетки. Затем случайным образом выбирают некоторые пересечения в сетке и удаляют зерна из этих пересечений, перемещая зерна на расстояние, меньшее утроенного среднего диаметра зерна. В этом способе не предусмотрено размещение индивидуальных зерен в числовой последовательности вдоль оси x или y, в результате чего полученная поверхность инструмента не может обеспечить постоянное действие шлифования, без существенных зазоров или неоднородностей в зоне контакта, когда инструмент образует линейную траекторию на заготовке. Способ также не позволяет создать заданную исключающую зону вокруг каждого абразивного зерна, так что могут возникать как зоны концентрированных зерен, так и зоны с зазорами между зернами, что может создавать неоднородное качество поверхности в обработанной заготовке.

Не имеющее ни одного из этих недостатков патента Японии No. 2002-178264, настоящее изобретение позволяет изготавливать абразивные инструменты, имеющие заданную исключающую зону вокруг каждого абразивного зерна, в случайной, но контролируемой двумерной матрице. Кроме того, могут быть изготовлены инструменты, имеющие случайную числовую последовательность местоположений абразивных зерен вдоль x и/или y оси на поверхности шлифования инструмента, так что создается постоянное действие шлифования, без существенных зазоров или неоднородностей в зоне контакта, когда инструмент образует линейную траекторию на заготовке.

Известные ранее абразивные инструменты, изготовленные с использованием матрицы зерен в регулярной сетке, полученной за счет размещения индивидуальных абразивных зерен в пустотах междоузлий проволочной сетки шаблона или перфорированного листа (например, как это описано в патенте США No. 5620489), ограничены статическими, регулярными структурными размерами такой сетки. Эти проволочные сетки и регулярные перфорированные листы позволяют получить только инструмент, имеющий сетку регулярных размеров (чаще всего, сетку квадратов или ромбов). В отличие от этого, инструменты в соответствии с настоящим изобретением могут использовать не постоянные расстояния, различной длины, между абразивными частицами. За счет этого может быть исключена периодичность вибраций. Свободная от размеров сетки шаблона, режущая поверхность инструмента может содержать более высокие концентрации абразивного зерна и может использовать частицы намного более мелких размеров, однако все еще с возможностью контроля размещения зерен. Для кондиционирования СМР полировальника, можно полагать, что чем выше концентрация абразивных зерен на абразивном инструменте, тем выше число абразивных точек, находящихся в контакте с полировальником, и выше эффективность удаления накопленного оксидного шлама и других застеклованных материалов с поверхности полирования полировальника. Так как СМР полировальники являются относительно мягкими, для них подходят мелкие абразивные частицы, причем можно использовать относительно высокие концентрации более мелких абразивных частиц.

Более того, в операциях периферийного шлифования, проводимых с использованием инструментов в соответствии с настоящим изобретением, каждое зерно в контролируемой, случайной матрице не соприкасающихся абразивных зерен будет создавать различную (индивидуальную), уклоняющуюся траекторию или линию на поверхности заготовки, когда оно движется линейно. Это благоприятным образом отличается от известных ранее инструментов, имеющих матрицу абразивных зерен в виде регулярной сетки. В регулярной сетке каждое зерно, имеющее некоторую x или y координату положения на сетке, будет проходить по поверхности заготовки по той же самой траектории или линии, по которой будут проходить все другие зерна, имеющие такую же x или y координату положения. За счет этого в известных ранее инструментах с использованием регулярной сетки имеется тенденция образования "траншей" (канавок) на поверхности заготовки. Инструменты в соответствии с настоящим изобретением позволяют снизить до минимума эти проблемы. Инструменты, которые работают скорее вращательно, а не линейно, создают другие проблемы. На "передней стороне" или поверхности шлифовального инструмента регулярные матрицы зерен имеют многократную осевую симметрию (например, квадратная регулярная сетка имеет четырехкратную осевую симметрию, шестиугольная регулярная сетка имеет шестикратную осевую симметрию, и т.д.), в то время как инструменты в соответствии с настоящим изобретением имеют только однократную осевую симметрию. Таким образом, цикл повторения у инструментов в соответствии с настоящим изобретением намного длительнее (например, в 4 раза длительнее, чем для квадратной регулярной сетки), с результирующим эффектом снижения до минимума регулярных картин на заготовке, по сравнению с инструментами, имеющими регулярную однородную матрицу абразивных зерен.

В дополнение к преимуществам, получаемым при периферийном шлифовании и при кондиционировании СМР полировальников, абразивные инструменты в соответствии с настоящим изобретением позволяют получать преимущества в различных других процессах изготовления. Эти процессы включают в себя, например, обработку абразивным инструментом других электронных компонентов, например, обработку задних сторон (backgrinding) керамических подложек, чистовую обработку оптических компонентов, чистовую обработку материалов, имеющих пластическую деформацию, и шлифование материалов "с длинной стружкой", например титана, инконеля, стали с высоким растяжением, латуни и меди.

В то время как настоящее изобретение является особенно полезным при изготовлении инструментов, имеющих одиночный слой абразивного зерна на плоской рабочей поверхности, двумерная матрица зерна может быть изогнута или преобразована в полый трехмерный цилиндр и, за счет этого, может быть использована в инструментах в виде цилиндрической трехмерной матрицы абразивного зерна, удерживаемой на поверхности инструментов (например, инструментов для вращательной правки). Матрица абразивных зерен может быть преобразована из двумерного листа или двумерной структуры в твердую трехмерную структуру при помощи свертывания листа, несущего матрицу связанных абразивных зерен, в концентрический рулон, в результате чего создается спиральная структура, в которой каждое зерно случайным образом смещено от каждого соседнего зерна в z направлении, причем все зерна не соприкасаются в x, y и z направлениях. Настоящее изобретение может быть также использовано для изготовления многих других разновидностей абразивных инструментов. В качестве примера таких инструментов можно привести круги для плоского шлифования, инструменты для торцевого шлифования, имеющие обод из абразивного зерна вокруг периметра сердечника или ступицы жесткого инструмента, и инструменты, которые содержат одиночный слой абразивного зерна или композита, абразивное зерно/связующий материал на листе или пленке гибкой подложки.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления абразивных инструментов, имеющих выбранную, исключающую зону вокруг каждого абразивного зерна, который включает в себя следующие операции:

(a) выбор двумерной плоской области, имеющей заданные размер и форму;

(b) выбор желательного размера абразивного зерна и концентрации зерен для плоской области;

(c) случайное генерирование серий двумерных координатных значений;

(d) ограничение каждой пары случайно генерированных координатных значений координатными значениями, отличающимися от любой ближайшей пары координатных значений на минимальное значение (k);

(e) генерирование матрицы ограниченных, случайно генерированных координатных значений, имеющей достаточное число пар, нанесенных как точки на графике, чтобы получить желательную концентрацию абразивных зерен для выбранной двумерной плоской области и получить выбранный размер абразивного зерна; и

(f) центрирование абразивных зерен в каждой точке на матрице.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также второй способ изготовления абразивных инструментов, имеющих выбранную исключающую зону вокруг каждого абразивного зерна, который включает в себя следующие операции:

(a) выбор двумерной плоской области, имеющей заданные размер и форму;

(b) выбор желательного размера абразивного зерна и концентрации зерен для плоской области;

(c) выбор серий пар координатных значений (x₁, y₁), таким образом, что координатные значения вдоль по меньшей мере одной оси ограничены числовой последовательностью, в которой каждое значение отличается от следующего значения на постоянную величину;

(d) разделение каждой выбранной пары координатных значений (x₁, y₁), чтобы получить набор выбранных x значений и набор выбранных y значений;

(e) случайный выбор из наборов x и y значений серий случайных пар координатных значений (x, y), причем каждая пара имеет координатные значения, которые отличаются от координатных значений любой соседней пары координатных значений на минимальное значение (k);

(f) генерирование матрицы случайно выбранных пар координатных значений, имеющей достаточное число пар, нанесенных как точки на графике, чтобы получить желательную концентрацию абразивных зерен для выбранной двумерной плоской области и получить выбранный размер абразивного зерна; и

(g) центрирование абразивного зерна в каждой точке на матрице.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также абразивный инструмент, содержащий абразивные зерна, связующий материал и основу, причем абразивные зерна имеют выбранный максимальный диаметр и выбранный размерный диапазон, при этом абразивные зерна сцеплены в единичном слое матрицы с основой при помощи связующего материала, отличающийся тем, что:

(a) абразивные зерна ориентированы в матрице в соответствии с неоднородной картиной, имеющей исключающую зону вокруг каждого абразивного зерна; и

(b) каждая исключающая зона имеет минимальный радиус, который превышает максимальный радиус желательного размера абразивного зерна.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано распределение зерна в известном ранее инструменте, соответствующее случайно генерированным x, y координатным значениям, где можно видеть нерегулярное распределение вдоль x и y осей.

На фиг.2 показано распределение зерна в известном ранее инструменте, соответствующее регулярной сетке x, y координатных значений, где можно видеть регулярные промежутки между следующими друг за другом координатными значениями вдоль x и y осей.

На фиг.3 показана матрица абразивного зерна в соответствии с настоящим изобретением, причем матрица имеет случайные x, y координатные значения, которые ограничены таким образом, что каждая пара случайно генерированных координатных значений отличается от ближайшей пары координатных значений на заданную минимальную величину (k), чтобы создать исключающую зону вокруг каждой точки в матрице.

На фиг.4 показана матрица абразивного зерна в соответствии с настоящим изобретением, причем матрица ограничена вдоль x и y осей числовыми последовательностями, в которых каждое координатное значение на оси отличается от следующего координатного значения на постоянную величину. Матрица дополнительно ограничена за счет разделения пар координатных значений и случайного нового соединения пар таким образом, что каждая вновь случайно соединенная пара координатных значений отделена от ближайшей пары координатных значений на заданную минимальную величину.

На фиг.5 показана матрица абразивного зерна в соответствии с настоящим изобретением, которая в полярных координатах r, θ образует плоскую область кольцевой формы.

Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения

Изготовление инструментов в соответствии с настоящим изобретением начинают с построения двумерного графика, чтобы поместить центр самого длинного размера каждого абразивного зерна в одной точке управляемой случайной пространственной матрицы, образованной несоприкасающимися точками. Размер матрицы и число точек, выбранных для матрицы, диктуются желательным размером абразивного зерна и концентрацией зерен в двумерной плоской области шлифовальной или полировальной стороны изготавливаемого абразивного инструмента. Двумерный график может быть построен любым известным образом, например, при помощи математических вычислений вручную, при помощи автоматизированного проектирования и компьютерных алгоритмов (или "макросов"). В соответствии с предпочтительным вариантом, для построения графика используют макросы в программе Microsoft^® Excel^®.

Построение графика матрицы абразивного зерна

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, используют следующие макросы в программе Microsoft Excel (версия 2000), чтобы получить точки на двумерной сетке, образующие матрицу точек для локализации индивидуальных абразивных зерен на поверхности инструмента, как это показано на фиг.3.

Макрос для построения фиг.3

(Dim=размер; rnd=случайно)

DimX(10000)

Dimy(10000)

Dim selectx(10000)

Dim selecty(10000)

b=2

'Picks first xy pair (on 0-10 grid) at random and writes значений

Случайные

X1=Rnd*10

Y1=Rnd*10

Worksheets ("Sheet1"), Cells (1, 1). Value=X1

Worksheets ("Sheet1").Cells (1, 2). Value=Y1

'Adds first xy pair to the selected list

selectx(1)=X1

selecty(1)=Y1

'Picks the next xy pair

For counter=2 To 10000

Случайные X(counter)=Rnd*10

y(counter)=Rnd*10

'Makes sure subsequent points are a distance>x away

For=1 To b

If((X(counter) - selectx(a))^2+(y(counter)-selecty(a))^2) ^0.5<0.5 Then Go To 20

Next a

'The flag "failed" counts number of random points that failed to make grid

failed=0

selectx(b)=X(coimter)

selecty(b)=y(counter)

Worksheets ("Sheet1"). Cells(b, 1). Value=selectx(b)

Worksheets ("Sheet1 "). Cells(b, 2). Value=selecty(b)

b=b+1

'If 1000 successive attempts fail to make grid we give up, it is full

20 failed=failed+1

If failed=1000 Then End

Next counter

End Sub

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения после использования макросов, созданных в программе Microsoft Excel (версия 2000), для получения точек на двумерной сетке, формируют матрицу точек для локализации индивидуальных абразивных зерен на поверхности инструмента, которая показана на фиг.4. В этом случае координатные значения выбраны в числовой последовательности вдоль обеих осей x и y.

Макрос для построения фиг.4

(Dim=размер; Q=подсчет числа точек или вычислений; rand=случайно)

Dimx(100)

Dim rand x(1000)

Dim Y(1000)

Dim rand y(1000)

Dim z(1000)

Dimxflag(1000)

Dimyflag(1000)

Dim picked x(1000)

Dim picked y(1000)

failed=-1

2

For Q=2 To 101

x flag(Q)=0

yflag(Q)=0

NextQ

Cells.Select

With Selection

.Horizontal Alignment=x1 Center

.Vertical Alignment=x1 Bottom

.Wrap Text=False

.Orientation=0.

Add Indent=False

.Shrink To Fit=False

.Merge Cells=False

End With

Worksheets1 ("sheet1"). Cells(1, 2). Value="X values"

Worksheets1 ("sheet1"). Cells(1, 5). Value="Y values"

Worksheets ("sheet1"). Cells(1, 3). Value="Rand X values"

Worksheets ("sheet1"). Cells(1, 6). Value="Rand Y values"

Worksheets ("sheet1"). Cells(1, 11). Value="Avoiding X"

Worksheets ("sheet1"). Cells(1, 12). Value="Avoiding Y"

Worksheets ("sheet1"). Cells(1, 8). Value="X"

Worksheets ("sheet1"). Cells(1, 9). Value="Y"

Worksheets ("sheet1"). Cells(3, 13). Value="No. of Failed Tries

Worksheets ("Sheet1"). Range("A1:L1"). Columns. AutoFit

Worksheets ("Sheet1"). Range("A1:L1"). Font.Bold=True 5

Worksheets ("Sheet1"). Columns("C")._

NumberFormat="0.0000_"

Worksheets ("Sheet1").Columns("F")._

NumberFormat="0.0000_"

x counter=1

For XX=0 To 9.9 Step 0.1

x counter=x counter+1

x(x counter)=XX

Randomize

Rand x(x counter)=Rnd

Worksheets ("sheet 1"). Cells(xcounter, 2). Value=x(xcounter)

Worksheets ("sheet1"). Cells(xcounter, 3). Value=randx(xcouriter)

Next XX

Range("B2:C101").Select

Selection. SortKey1:=Range("C1"), Order1:=xlAscending, Header:=x1Guess,

OrderCustom:=1, MatchCase:=False, Orientation:=x1TopToBottom

ycounter=1

For YY=0 To 9.9 Step 0.1

ycounter=ycounter+1

Y(ycounter)=YY

Randomize

randy(ycounter)=Rnd

Worksheets ("sheet1").Cells(ycounter, 5). Value=Y(ycounter)

Worksheets ("sheet1").Cells(ycounter, 6). Value=randy(ycounter)

NextYY

Range("E2:F101").Select

Selection. Sort Key1:=Range("F2"), Order1:=x1Ascending, Header:=x1Guess,_

OrderCustom:=1, MatchCase:=False, Orientation:=x1TopToBottom

For counter=2 To 101

x(counter)=Worksheets ("sheet1"). Cells(counter, 2)

Y(counter)=Worksheets ("sheet1"). Cells(counter, 5)

Next counter

For counter=2 To 101

Worksheets ("sheet1 "). Cells(counter, 8). Value=x(counter)

Worksheets ("sheet1 "). Cells(counter, 9). Value=Y(counter)

Next counter

Worksheets ("sheet1"). Cells(2, 11). Value=x(2)

Worksheets ("sheet1"). Cells(2, 12). Value=Y(2)

pickedx(1)=x(2)

pickedy(1)=Y(2)

'Make sure points are not too close to each other

accepted=1

For xcounter=3 To 101

For ycounter=3 To 101

'makes sure x и у values have not been used before

Ifxflag(xcounter)=1 or yflag(ycounter)=1 Then Go To 10

XX=x(xcounter)

YY=Y(ycounter)

'Sets inter-point distance to some value range

For a=1 To accepted

If ((XX - pickedx(a))^2+(YY - pickedy(a))^2)^0.5<0.7 Then Go To 10

Next

b=accepted+2

Worksheets ("sheet1").Cells(b, 11). Value=XX

Worksheets ("sheet1").Cells(b, 12). Value=YY

xflag(xcounter)=1

yflag(ycounter)=1

accepted=accepted+1

pickedx(a)=XX

pickedy(a)=YY

10 Next ycounter

20 Next xcounter

"This block resets algorithm if number of accepted

'points is too low. maximum effort is 500 loops.

failed=failed + 1

Worksheets ("sheet1"). Cells(4, 13). Value=failed

If failed=500 Then GoTo 50

If accepted<100 Then GoTo 2

GoTo 60

50

Worksheets ("sheet1"). Cells(2, 13). Value="Failed to Place all Points"

60

End Sub

На фиг.1 показано известное случайное распределение 100 точек на плоской сетке 10×10, генерированное при помощи случайной числовой функции программы Microsoft^® Excel^® 2000. По осям x и y находятся местоположения (показанные в виде ромбов), в которых координатные точки (показанные в виде кружков) пересекают оси. Например, (x, y) точка (3.4, 8.6) будет иметь координату (3.4, 0.0) на оси x и координату (0.0, 8.6) на оси y. Можно видеть, что имеются области, в которых точки сгруппированы, и области, в которых нет точек. Такова природа случайного распределения.

На фиг.2 показана полностью упорядоченная известная матрица точек, в которой точки расположены с равными интервалами по осям x и y и образуют матрицу в виде квадратной сетки. В этом случае, несмотря на то, что точки в виде ромбов по осям x и y размещены равномерно, они находятся на большом расстоянии друг от друга. Существенное улучшение может быть получено за счет небольшого смещения матрицы точек в диагональном направлении относительно осей x и y. В этом случае, каждое зерно смещается таким образом, что в квадратной матрице точка (x, y) теперь становится точкой (x+0.1y, y+0.1x). Это улучшает "плотность точек " по обеим осям на коэффициент ×10 (в 10 раз), при этом точки становятся в 10 раз ближе друг к другу. Однако матрица все еще остается упорядоченной и как таковая будет создавать нежелательные периодические вибрации при работе абразивных инструментов.

На фиг.3 показан первый вариант настоящего изобретения, полученный с использованием приведенного выше макроса, причем показано распределение 100 случайно выбранных координатных точек на сетке 10×10, имеющее такое ограничение, что никакие две точки не могут быть расположены ближе чем 0.5. Число случайных точек, которые могут быть размещены на сетке 10×10, в функции минимального допустимого промежутка между точками (в функции минимального разделения точек), показано в Таблице 1.

Таблица 1
Число точек в функции минимального разделения точек. Если 1000 последовательных попыток размещения точки оканчиваются неудачей, вычисления прекращают.
Минимальное разделение точек	Среднее число точек (пять прогонов)
0.5	257
0.6	183.2
0.7	135.6
0.8	108.8
0.9	86.8
1.0	71.4

Следует отметить, что пространство на фиг.3 показано незаполненным, так как показаны всего 100 точек, однако это пространство может (в среднем) вместить дополнительно 157 других точек, при минимальном разделении точек 0.5. После выбора самого большого диаметра абразивного зерна, максимальная концентрация зерен легко может быть определена для данной плоской области.

На фиг.4 показан другой вариант настоящего изобретения, в котором матрица получена с использованием приведенного выше макроса. Сетка точек в декартовых координатах, показанная на фиг.4, позволяет получить однородную плотность точек по осям x и y. Точки выбраны случайным образом из двух наборов разъединенных координатных значений (x) и (y) точек, причем значения по оси x соответствуют регулярной числовой последовательности и значения по оси y также соответствуют регулярной числовой последовательности. Созданная из разъединенных и вновь собранных случайным образом пар x, y значений, эта пространственная матрица существенно отличается как от упорядоченной матрицы, так и от случайной матрицы. Матрица на фиг.4 дополнительно включает в себя ограничение, связанное с требованием исключающей зоны, в соответствии с которым никакие 2 точки не могут находиться на определенном расстоянии друг от друга, в данном случае на расстоянии 0.7 (меньшем чем 0.7).

Распределение точек, показанное на фиг.4, было получено следующим образом:

a) Были приготовлены список точек x и список точек y. В данном случае это соответствует 0.0, 0.1, 0.2, 0.3,...9.9.

b) Случайное число было присвоено каждому значению x и каждому значению y. Случайные числа были отсортированы в возрастающем порядке вместе со связанными с ними значениями x или y. Эта операция просто рандомизирует точки x и точки y.

c) Была выбрана первая точка (x, y) и размещена на сетке. Затем была выбрана вторая точка (x₁, y₁).

f) Точку (x₁, y₁) наносят на сетку только в том случае, если она находится дальше, чем некоторое заданное расстояние от любой имеющейся на сетке точки.

g) Если точка (x₁, y₁) не удовлетворяет критерию расстояния, ее отбрасывают и анализируют следующую точку (x₁, y₁). Сетку считают приемлемой только после размещения всех точек.

При интервале шагов в направлении x и y, равном 0.1, было обнаружено, что сетка будет приемлемой после первой попытки, если минимальное разделение точек составляет 0.4 или меньше. Если минимальное разделение точек составляет 0.5 или 0.6, то необходимо несколько попыток для размещения всех точек. Максимальное разделение, которое позволяет разместить все точки, составляет 0.7, и при этом часто требуется несколько сот попыток для размещения всех точек.

На фиг.5 показан другой вариант настоящего изобретения, полученный с использованием макроса, аналогичного макросу, который был использован для получения фиг.4; однако распределение точек на фиг.5 было получено в полярных координатах r, θ. Кольцо было выбрано в качестве плоской области, и точки были размещены на матрице таким образом, что любая радиальная линия, проведенная из центральной точки, (0,0), пересекает равномерное распределение точек.

Так как радиальный размер позволяет размещать больше точек вблизи от центра кольца и меньше точек вблизи от периметра кольца, причем у периметра находится более широкая область, чем у центра, то плотность точек на единицу площади является неоднородной. В инструменте, изготовленном с такой матрицей, абразивные зерна, расположенные вблизи от периметра, будут шлифовать более широкую зону и будут изнашиваться быстрее. Для устранения такого недостатка и для создания распределения абразивных зерен с равномерной плотностью, может быть образована вторая, декартова матрица, которая может быть наложена на матрицу в полярных координатах. Для этого могут быть использованы соответствующий макрос и матрица, аналогичная показанной на фиг.3. При наличии исключающей зоны наложенная декартова матрица не позволяет размещать точки в плотно заполненной центральной области кольца, но позволяет равномерно заполнять открытые области вблизи от периметра.

Может быть проведено сравнение относительных распределений значений, отсекаемых на координатных осях, показанные в виде ромбов на различных чертежах, для того, чтобы предсказать качественные характеристики абразивных инструментов, которые перемещаются по линейному пути при шлифовании. Абразивный инструмент, имеющий множество зерен, расположенных в точках с одним (или несколькими) идентичными значениями отсечения, будет создавать траекторию неровного покрытия (например, как известный инструмент фиг.2). Промежутки в действии шлифования будут перемежаться траекториями шлифования, которые будут становиться глубокими канавками в результате того, что множество зерен проходит по одному и тому же месту. Таким образом, точки в виде ромбов вдоль осей на фиг.1-4 подсказывают, как абразивные инструменты будут работать при движении в линейном направлении в плоскости заготовки. На фиг.1 и 2, где показаны известные инструменты, имеются вдоль осей скопления точек в виде ромбов и промежутки между ними. На фиг.3-4, где показаны инструменты в соответствии с настоящим изобретением, имеется относительно мало скоплений, если они вообще есть, точек в виде ромбов вдоль осей. По этой причине, инструменты, изготовленные с матрицами абразивных зерен, показанными на фиг.3-5, при шлифовании позволяют обеспечивать гладкую, ровную чистовую обработку поверхностей, практически без дефектов.

Размер исключающей зоны вокруг каждого зерна может варьировать от одного зерна к другому зерну и не обязательно должен иметь одно и то же значение (то есть минимальное значение (k), определяющее расстояние между центрами соседних зерен может быть постоянным или переменным). Для создания исключающей зоны минимальное значение (k) должно превышать максимальный диаметр желательного диапазона размеров абразивных зерен. В соответствии с предпочтительным вариантом, минимальное значение (k) по меньшей мере в 1.5 раза превышает максимальный диаметр абразивного зерна. Минимальное значение (k) должно исключать контакт поверхности одного зерна с поверхностью другого зерна и обеспечивать каналы между зернами, достаточно широкие для того, чтобы позволить удалять шлифовальный шлам от зерен и с поверхности инструмента. Размер исключающей зоны диктуется природой операции шлифования, причем обрабатываемые материалы, которые образуют крупную стружку, требуют использования инструментов с более широкими каналами между смежными абразивными зернами и с более широкими размерами исключающей зоны, чем обрабатываемые материалы, которые образуют мелкую стружку.

Изготовление абразивного инструмента с использованием графика матрицы

Двумерная матрица контролируемых случайных точек может быть перенесена на основу инструмента или на шаблон для размещения абразивного зерна с использованием различных технологий и различного оборудования. Это включает в себя автоматизированные роботизированные системы для ориентирования и размещения объектов, оборудование для переноса графического изображения (например, светокопировальное оборудование при автоматизированном проектировании), оборудование для лазерной резки или для химического травления фоторезиста, применяемое для изготовления шаблонов или штампов, лазерное оборудование или оборудование с использованием фоторезиста, применяемое для непосредственного наложения матрицы на основу инструмента, автоматизированное дозирующее оборудование для нанесения точек (капель) клея, механическое пробивное оборудование и т.п.

Использованный здесь термин "основа инструмента" относится к механической основе, сердечнику или ободу, с которыми сцепляют матрицу абразивного зерна. Основа инструмента может быть выбрана из различных заготовок жесткого инструмента и гибких подложек. Основы, которые представляют собой заготовки жесткого инструмента, преимущественно имеют геометрическую форму с одной осью осевой симметрии. Геометрическая форма может быть простой или может быть сложной, причем она может содержать различные геометрические формы, объединенные вокруг оси вращения. В этих категориях абразивных инструментов, предпочтительные геометрические формы или конфигурации заготовок жесткого инструмента включают в себя круг, обод, кольцо, цилиндр и конфигурации в виде усеченного конуса, а также их комбинации. Эти заготовки жесткого инструмента могут быть изготовлены из стали, алюминия, вольфрама или других металлов, а также из металлических сплавов и композитов таких материалов, таких как, например, керамические или полимерные материалы, а также с использованием других материалов, имеющих достаточную размерную стабильность для использования при конструировании абразивных инструментов.

Основы в виде гибкой подложки включают в себя пленки, фольгу, ткань, нетканые листы, ленты, сетки, перфорированные листы и слоистые материалы, а также их комбинации, вместе с любыми другими типами основ, которые обычно используют для изготовления абразивных инструментов. Гибкие подложки могут иметь форму лент, кругов, листов, полировальников, рулонов, полосок, или другие формы, которые используют, например, для абразивных инструментов с покрытием (таких как песчаная шлифовальная шкурка). Эти гибкие подложки могут быть изготовлены из гибких бумажных, полимерных или металлических листов, из фольги или из слоистых материалов.

Матрицы абразивных зерен могут быть сцеплены с основой инструмента при помощи различных абразивных связующих материалов, которые обычно используют при изготовлении связанных абразивных инструментов или абразивных инструментов с покрытием. Предпочтительные абразивные связующие материалы включают в себя клеи, припои, электроосаждаемые материалы, электромагнитные материалы, электростатические материалы, застеклованные материалы, металлопорошковые связующие материалы, полимерные материалы и смолы, а также их комбинации.

В соответствии с предпочтительным вариантом, матрица не соприкасающихся точек может быть нанесена или впечатана на основу инструмента, таким образом, что абразивные зерна будут непосредственно связаны (сцеплены) с основой. Прямой перенос матрицы на основу может быть осуществлен за счет размещения матрицы из капель клея или из капель металлического припоя на основе, с последующим центрированием абразивного зерна на каждой капле. В альтернативном варианте может быть использована рука робота для захвата матрицы абразивных зерен, причем одно зерно удерживается в каждой точке матрицы, и затем рука робота помещает матрицу зерен на поверхность инструмента, которая была предварительно покрыта поверхностным слоем клея или пасты металлического припоя. Клей или паста металлического припоя временно фиксируют абразивные зерна в заданных местоположениях, до тех пор, пока не будет произведена дополнительная обработка узла, чтобы постоянно фиксировать центр каждого абразивного зерна в каждой точке матрицы.

Подходящими адгезивами (клеями) для решения этой задачи являются, например, эпоксидные, полиуретановые, полиимидные и акрилатные композиции и модификации, а также их комбинации. Предпочтительные адгезивы имеют не ньютоновские (с утончением при срезе) свойства, что позволяет обеспечить достаточное течение во время размещения капель или покрытий, но препятствует избыточному течению, обеспечивая поддержание точности в выборе местоположения матрицы абразивного зерна. Характеристики открытого времени адгезива (времени, в течение которого адгезив еще не затвердел) могут быть выбраны так, чтобы соответствовать времени