Johdanto
Ultra{0}}tarkkaan valmistuksen ja mittamittauksen maailmassa koneen tai instrumentin alla oleva materiaali on yhtä tärkeä kuin itse kone. Insinöörit ja metrologit, jotka työskentelevätkoordinaattimittauskoneet(CMM:t), puolijohdelitografiajärjestelmät tai korkean{0}}tarkkuuden laserlaitteet jakavat kaikki yhden yhteisen vaatimuksen: ehdottoman vakaa, tärinän-kestävä ja lämmönkestävä vertailupinta. Vuosikymmenten ajan tähän vaatimukseen on vastattu yhdellä materiaalilla - luonnonmustalla graniitilla.
Fyysiset ominaisuudet, jotka tekevät graniitista poikkeuksellisen
Graniitti on magmakivi, joka on muodostunut valtavan geologisen paineen alaisena miljoonien vuosien aikana. Tämä alkuperätarina ei ole satunnainen -, se selittää, miksi graniitilla on ainutlaatuinen yhdistelmä ominaisuuksia, joita suunniteltujen materiaalien on vaikea jäljitellä samanaikaisesti.
Harkitse ensin tiheyttä. Korkealaatuisen-tarkkuusluokan-musta graniitin tiheys voi olla noin 3 100 kg/m³. Tämä luku on huomattavasti korkeampi kuin marmorilla (joka vaihtelee tyypillisesti välillä 2 600 - 2 900 kg/m³) ja jopa ylittää monet eurooppalaisen graniittilajit. Suurempi tiheys muuttuu suoraan suuremmaksi massaksi tilavuutta kohti, mikä tarkoittaa, että materiaali vastustaa taipumista kuormituksen alaisena tehokkaammin. Tarkkuussovelluksissa, joissa sub{12}}mikroninen tasaisuus on säilytettävä suurella pinnalla, tästä rakenteellisesta jäykkyydestä ei{13}} voida neuvotella.
Toiseksi graniitilla on huomattavan alhainen lämpölaajeneminen. Sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on noin 6–8 × 10⁻⁶/aste, pienempi kuin useimpien terästen ja alumiiniseosten. Tarkkuusmittausympäristöjä ohjataan tyypillisesti ±0,5 asteen tai jopa ±0,1 asteen tarkkuudella, mutta pienetkin lämpögradientit voivat aiheuttaa mitattavia mittamuutoksia herkissä materiaaleissa. Graniitin alhainen CTE varmistaa, että mittausreferenssit pysyvät mittavakaina pienten ympäristövaihteluiden vuoksi.
Kolmanneksi graniitti ei ole-magneettista eikä-johtavaa. Nämä ominaisuudet ovat kriittisiä ympäristöissä, joissa toimivat herkät sähkömagneettiset instrumentit, kuten elektronisuihkulitografiajärjestelmät tai tarkkuuslineaarimoottorialustat.
Miksi marmori ei ole korvike
Yleinen väärinkäsitys -, jota heikompilaatuiset-toimittajat - käyttävät joskus hyväkseen, on se, että marmorilla voi olla sama tehtävä kuin graniitilla tarkkuussovelluksissa. Marmori on kalkkikivestä peräisin oleva metamorfinen kivi. Vaikka se on joissakin tapauksissa visuaalisesti samanlainen kuin graniitti, sen fyysiset ominaisuudet ovat pohjimmiltaan erilaiset.
Marmori on pehmeämpää, ja sen Mohsin kovuus on noin 3–4 verrattuna graniitin 6–7. Tämä tarkoittaa, että graniittipinnat kestävät naarmuuntumista ja kulumista paljon paremmin toistuvan käytön, mittauskosketuksen ja käsittelyn ja asennuksen aikana väistämättä syntyvien pienten hankausten aikana.
Kriittisemmin marmori sisältää kalsiumkarbonaattia ensisijaisena mineraalikomponenttina. Kalsiumkarbonaatti reagoi jopa lievästi happamien aineiden - kanssa, mukaan lukien ihmiskäsien kondensoituminen - ja on altis pinnan hajoamiselle ajan myötä. Graniittipintalevyssä ei voida hyväksyä mitään kemiallista vuorovaikutusta, joka muuttaa pinnan geometriaa mikro-mittakaavassa. Graniitti, joka koostuu pääasiassa kvartsista, maasälpästä ja kiillestä, ei jaa tätä haavoittuvuutta.
Lopuksi, marmorin sisäinen kiderakenne on epäyhtenäisempi kuin magmaisen graniitin, mikä tarkoittaa, että se voi sisältää jännitysalueita, jotka reagoivat arvaamattomasti kuormitukseen tai lämpötilan muutoksiin. Tarkkuuskomponenteille, joiden tasaisuustoleranssit voidaan määrittää yksinumeroisina{1}}mikrometreinä, tämä on hylkäävä ominaisuus.
Tarkkuusasteet: Tasaisuusvaatimusten ymmärtäminen
Tarkat graniittikomponentit luokitellaan kansainvälisten standardien, mukaan lukien Saksan DIN 876, Japanin JIS B 7513 ja Yhdysvaltojen liittovaltion GGG-P-463C, määrittelemien tasaisuustoleranssien mukaan. Nämä standardit määrittävät Grade 0 (vertailuluokka), Grade 1 (tarkastusluokka) ja Grade 2 (työpajalaatu) luokat, joissa kullakin on erityiset tasomaisuustoleranssit, jotka on sidottu pintalevyn kokoon.
1000 × 630 mm:n pintalevylle 0-asteikolla sallittu tasaisuuspoikkeama DIN 876:n mukaan on vain 3–4 mikrometriä koko pinnalla. Tämän tasaisuustason saavuttaminen ja varmistaminen vaatii sekä kehittyneitä hionta- ja läppäyslaitteita että jäljitettäviä mittaustyökaluja -, mukaan lukien laserinterferometrit ja tarkkoja elektronisia vaakoja, joiden resoluutio on 0,1 kaari-sekuntia.
Pintalevyt, joita käytetään puolijohdelaitteiden tai kansallisten metrologian laitosten mittauspisteinä, saattavat vaatia vielä tiukempia toleransseja, jolloin ne saavuttavat nanometreinä mitatut tasomaisuudet suurilla alueilla. Tämä on raja, mitä oikein valitulla ja käsitellyllä graniitilla voidaan saavuttaa.
Sovellukset eri toimialoilla
Graniitin käyttö tarkkuussovelluksissa kattaa useat teollisuudenalat. Puolijohdelaitteiden valmistuksessa graniittipohjat ja siltarakenteet tukevat kiekkojen tarkastus-, fotolitografia- ja metrologiajärjestelmiä, joissa paikannustoistettavuus on säilytettävä nanometrin tasolla. Graniittirakenteen vakaus vaikuttaa suoraan lastutuotannon saantoon ja luotettavuuteen.
CMM:n (koordinaattimittauskoneen) valmistuksessa graniittipöydät toimivat ensisijaisena peruspintana. Kaikki pintalevyn poikkeamat etenevät suoraan mittausvirheeksi. Tästä syystä CMM-valmistajat - ja niitä kalibroivat metrologiset laitokset - vaativat laserinterferometrialla varmennettuja pintalevyjä, joiden kalibrointi on täysin jäljitettävissä kansallisten mittausstandardien mukaan.
Graniittisuorat reunat, neliöt ja V{0}}palat ovat myös laajalti käytössä tarkkuustyöstökoneiden kokoonpanossa ja kalibroinnissa. Kun työstökoneen valmistaja kohdistaa karan tai lineaarisen ohjaimen, kyseiseen kohdistukseen käytettyjen vertailutyökalujen on itse oltava tarkkoja asetettavan toleranssin murto-osaan. Graniittimittaustyökalut, joiden tarkkuus on 1 µm tai parempi, tarjoavat luotettavan vertailukehyksen, joka mahdollistaa tämän.
Käsittelyn ja mittauksen rooli lopullisessa laadussa
Hienoimmastakaan raakagraniittilohkosta ei tule tarkkoja referenssityökaluja ilman asiantuntevaa käsittelyä. Valmistusvaiheeseen kuuluu tyypillisesti karkea leikkaus, karkea hionta, hienohionta ja lopuksi käsin hiominen - prosessi, jossa ammattitaitoiset teknikot käyttävät vertailupintoja, hankaavia yhdisteitä ja kosketuspalautetta poistaakseen mikroskooppisia määriä materiaalia, kunnes tavoitetasoisuus on saavutettu.
Kokeneiden käsityöläisten tekemä käsinläppäys on edelleen välttämätön korkeimmille tarkkuusluokille. Mittauksen ja materiaalin poiston välinen takaisinkytkentäsilmukka taitavassa läppäyksessä on edelleen vivahteikampi kuin mikään automatisoitu järjestelmä pystyy toistamaan. Käsityöläiset, joilla on vuosikymmenten kokemus, kehittävät tuntoherkkyyttä, jonka avulla he voivat havaita ja korjata pintavirheet matalilla -mikrometrin alueella.
Koko prosessin mittaaminen on yhtä tärkeää. Tuotantotason-pintalevyt vaativat tarkastuksen kalibroiduilla suoristoilla ja elektronisilla vaaoilla. Vertailu-laatulevyt vaativat laserinterferometrisen mittauksen, joka suoritetaan usein valvotussa lämpötilassa, ja kalibrointitodistukset voidaan jäljittää standardiketjun kautta kansallisiin ja kansainvälisiin metrologialaitoksiin.
Johtopäätös
Graniitin rooli tarkkuusteollisuudessa ei ole vain historiallinen -, vaan se kehittyy aktiivisesti. Puolijohdesolmujen kutistuessa ja työstökoneiden toleranssien kiristyessä graniittikomponenteille asetettavat vaatimukset tiukenevat, eivät vähemmän. Suuren tiheyden, alhaisen lämpölaajenemisen, kemiallisen stabiilisuuden ja nanometritasoon{3}}tasaiseksi prosessoitavuuden yhdistelmä tekee graniitista korvaamattoman nykyisessä teknologiaympäristössä.
Laitteita määrittävien insinöörien, referenssistandardeja valitsevien metrologien ja toimittajia arvioivien hankintatiimien ymmärtäminen, mikä erottaa laadukkaan tarkkuusgraniitin huonommista vaihtoehdoista, liittyy suoraan niiden mittausten ja järjestelmien luotettavuuteen, joista he ovat riippuvaisia.