Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 05.03.01 - "Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Разработка научных основ создания технологии прецизионной обработки твердых хрупких минералов

Теплова Татьяна Борисовна

Москва 2009

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Гридин Олег Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Байор Борис Николаевич Член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук Кведер Виталий Владимирович

доктор технических наук, профессор Рогов Владимир Александрович

Ведущее предприятие: Национальный институт авиационных технологий

Защита состоится "30" июня 2009 г. в 11 час на заседании диссертационного совета Д.520.002.01 ОАО "ЭНИМС" по адресу: Москва, 5-й Донской проезд, д. 15, стр.8

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ЭНИМС.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент В.М. Гришин

Условные обозначения

ИМС ОП УОС ПС СОЖ УОС ЧПУ	Интегральные микросхемы Обрабатываемая поверхность Упругая обрабатывающая система Поверхностный слой Смазочная охлаждающая жидкость Упругая обрабатывающая система Числовое программное управление

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Обработка материалов является одной из важнейших отраслей деятельности человека и лежит в основе различных отраслей промышленности. Наряду с металлами в настоящее время все большее применение находят минералы. Кроме традиционных сфер применения в строительстве и ювелирной промышленности, минералы, особенно в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение при производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий.

Однако поверхностная обработка минералов в отличие от металлов имеет свои особенности, связанные с широким разбросом физических свойств минералов, их анизотропией, наличием включений и других особенностей их строения. В связи с этим при шлифовании минералов использование основных закономерностей шлифования металлов требует введения дополнительных эмпирических коэффициентов, учитывающих свойства минерала. Перенесение зависимостей шлифования, полученных при обработке одного минерала, на обработку другого минерала часто бывает нецелесообразным из-за различных физических свойств этих минералов. Поэтому актуальным является новый подход к шлифованию минералов как к удалению поверхностного слоя обрабатываемого материала без разрушения его основного объема с учетом основных закономерностей разрушения горных пород и минералов и основных физических свойств обрабатываемого минерала, оказывающих существенное влияние на процесс обработки и выход годной продукции.

Расширение области применения минералов (в том числе кристаллов) ставит задачу их поверхностной обработки с заданными выходными параметрами для различных сфер применения. Технологический процесс формообразования поверхности при обработке минералов можно рассматривать как процесс удаления поверхностного слоя (ПС) минерала с формированием поверхности заданной шероховатости и неплоскостности. Особое значение приобретает качество обработки поверхности с минимизацией отходов сырья для применения кристаллической формы минералов, в том числе алмаза и лейкосапфира, в микроэлектронике при изготовлении подложек интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время полупроводниковые схемы на лейкосапфировых подложках изготавливаются с применением эпитаксии. Эпитаксия - это метод послойного выращивания одного кристаллического твердого тела на поверхности другого (называемого подложкой), при котором растущий кристалл наследует кристаллографическую структуру подложки. Подложка, изготовленная из кристаллов (кремния, лейкосапфира, алмаза и других твердых материалов), выполняет роль механического носителя и отводит тепло от микросхемы в процессе её работы. Поэтому для изготовления подложек применяются кристаллические минералы, обладающие большой твердостью и высокой теплопроводностью (лейкосапфир, алмаз). В настоящее время формирование поверхности нанометрового рельефа для последующего этапа эпитаксии таких материалов является большой проблемой. Качество поверхностного слоя подложек существенно влияет на структурное совершенство эпитаксиального слоя. Дислокации и дефекты поверхностного слоя формируются и зависят от подложки и наследуют её отрицательные свойства, ухудшая эксплуатационные свойства микросхем. В этих условиях при поверхностной обработке материалов на первый план выходит вопрос недопустимости возникновения сколов, трещин, микродефектов и дислокаций в основной массе материала. Требуется прецизионное удаление поверхностного слоя минерала с получением нанометрового рельефа поверхности с минимальным количеством дефектов, привнесенных процессом обработки. минерал формообразование поверхностный

Традиционным способом обработки твердых хрупких минералов (в том числе кристаллов) является механическое шлифование свободным и связанным абразивом. После такой обработки получается поверхность с шероховатостью около 200 нм и нарушенным подповерхностным слоем. Для достижения необходимой шероховатости (например, для лейкосапфира 0,2 нм) при изготовлении подложек заготовка полируется в агрессивных средах. При таком способе проблематично достижение стабильно повторяющихся параметров процесса обработки, высок процент брака ИМС, связанного с обработкой поверхностей подложек.

Поскольку требования к качеству поверхности подложек ИМС непрерывно ужесточаются, для решения задачи создания необходимого рельефа поверхностного слоя дорогостоящих твердых минералов с минимизацией отходов и формированием поверхности заданного качества необходимо изучение и направленное изменение свойств и состояния минералов.

Новым перспективным способом получения высококачественной поверхности твердых хрупких кристаллических минералов нанометрового рельефа является удаление поверхностного слоя в режиме квазипастичности. Квазипластичность - проявление пластичных свойств поверхностным слоем твердых хрупких минералов при обработке. Технология квазипластичной обработки твердых минералов основана на обеспечении механического воздействия на обрабатываемую поверхность (ОП) минерала при подаче шлифовального круга (ШК), составляющей доли мкм/ход. При этом поверхностный слой хрупких твердых минералов проявляет пластичные свойства и преобладающим механизмом становится не хрупкое разрушение, а квазипластичное удаление поверхностного слоя минерала. При данных подачах контактное взаимодействие зерен шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью создает периодическое переменное механическое поле, под воздействием которого происходит направленное квазипластичное удаление ПС с формированием поверхности нанометровой шероховатости и с минимальными дефектами (не более 50 нм), внесенных процессом обработки.

При квазипластичной обработке можно проводить постоянный активный бесконтактный контроль процесса обработки, на основе которого автоматизировать процесс поверхностной обработки. В результате появляется возможность получения большого количества изделий из твердых хрупких минералов (в том числе кристаллов) со стабильным качеством ПС нанометровой шероховатости.

Однако в процессе взаимодействия инструмента с ОП обрабатываемый минерал нагревается и величина теплового расширения может стать соизмеримой с величиной подачи инструмента. В минерале возникают термоупругие напряжения, которые способствуют распространению дефектов и разрушению минерала. Традиционное применение СОЖ не дало положительных результатов, в процессе обработки: на ОП появлялись новые дефекты. В процессе обработки применялось пассивное воздушное охлаждение при нахождении обрабатываемого минерала вне зоны резания. Чтобы избежать разрушения впервые обрабатываемого в режиме квазипластичности минерала и получить требуемую высококачественную поверхность, до проведения исследований, представленных в настоящей работе, приходилось эмпирически искать режимы и параметры квазипластичного удаления поверхностного слоя минерала для его обработки. Как правило, поиск сопровождается большими затратами времени и опытных образцов дорогостоящих минералов. Несмотря на достигнутые положительные результаты при поверхностной обработке различных твердых минералов, полученные на станочном модуле АН 15ф 4 на предприятии "Анкон - Е.М.", отсутствие научно обоснованных критериев процесса квазипластичного удаления ПС, позволяющих учесть физико-механические, прочностные, теплофизические свойства обрабатываемых минералов, механические свойства упругой обрабатывающей системы (УОС), сдерживало развитие технологии.

Исходя из вышеизложенного актуальной проблемой является установление научно обоснованных условий эффективной реализации процесса прецизионного квазипластичного удаления ПС твердых хрупких минералов на основе установления прочностных, упруго-механических и теплофизических закономерностей процесса квазипластичного формирования поверхности. Установленные закономерности позволяют разрабатывать рациональные режимы поверхностной обработки твердых хрупких минералов (алмаз, лейкосапфир) для серийного производства подложек ИМС и для применения в других отраслях промышленности, объектами которых являются минералы и твердые хрупкие материалы, поверхностная обработка которых существующими традиционными способами оказалась малоперспективной.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР МГГУ по госбюджетной теме Минобразования РФ № ФГП-465ДС "Установление закономерностей изменения состояния и свойств горных пород и минералов при действии физических полей" и в рамках договора с ЗАО "Анкон Е.-М."

Цель работы.

Разработка основ теории и научной базы, описывающих закономерности процесса квазипластичной поверхностной обработки, и методологии формирования нанометрового рельефа поверхности и активного контроля процесса квазипластичной обработки на основе выделения и оценки информативных характеристик процессов, сопровождающих квазипластичную поверхностную обработку твердых хрупких материалов.

Задачи исследования:

1.Определение зависимостей изменения свойств твердых минералов при воздействии механических и тепловых полей, проявления хрупких и квазипластичных свойств твердых минералов от различных технологических режимов поверхностной обработки.

2. Установление взаимосвязи структурных и физических свойств твердых минералов с технологическими свойствами при получении поверхности нанометровой шероховатости.

3. Выявление технологических факторов, оказывающих наибольшее влияние на изменение физических свойств поверхностного слоя твердых хрупких кристаллических минералов, с целью последующего управления процессом поверхностной обработки.

4. Определение оптимального качества поверхности в процессе обработки.

5. Разработка концептуальной модели поверхностной обработки твердых хрупких материалов и методологии формирования алгоритмов формообразования нанометрового рельефа поверхности твердых хрупких материалов при поверхностной обработке в режиме квазипластичности.

6. Разработка методики определения режимов поверхностной обработки твердых хрупких материалов с учетом свойств обрабатываемого материала.

7. Разработка технологических рекомендаций по назначению начальных режимов резания и зависимостей их изменения в процессе обработки.

8. Разработка рекомендаций по назначению режимов резания и их изменению в процессе обработки для получения максимальной производительности станочного модуля с ЧПУ при обработке поверхностей твердых хрупких материалов с получением нанометрового рельефа поверхности.

Научная новизна работы заключается в создании научных основ, описывающих закономерности возникновения квазипластичного режима шлифования твердых хрупких материалов, на базе которых формируются технические требования к условиям обработки, обеспечивающие получение нанометрового рельефа обработанной поверхности твердых хрупких материалов.

Научные положения, выносимые на защиту, и новизна:

1. Предложена классификация состояния поверхностного слоя минерала при его механической обработке по величине удельной энергии воздействия. При этом впервые показано, что необходимое качество поверхности может быть достигнуто при обработке в режиме квазипластичности при величине удельной энергии в интервале от предела Пайерлса, соответствующего началу движения дислокаций, до хрупкого разрушения.

2. В разработанной теоретической модели процесса поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических минералов в периодически воздействующем термомеханическом поле с получением поверхности нанометрового рельефа впервые осуществляется новый подход к шлифованию минералов как к разрушению поверхностного слоя обрабатываемого материала с учетом основных закономерностей разрушения горных пород и минералов и физических свойств обрабатываемого минерала, оказывающих существенное влияние на процесс обработки и выход годной продукции. Такой подход позволяет определить интервал допустимых контактных напряжений, составляющий доли процента от величины предела прочности минерала на растяжение, оценить необходимое время воздействия для определения параметров оборудования технологического процесса формирования нанометрового рельефа поверхности твердых хрупких минералов.

3. При наложении термических и механических полей, возникающих в процессе квазипластичной обработки, величина термических напряжений нелинейно зависит от температуры поверхности и не должна превышать величину предела прочности минерала на растяжение. Влияние теплового расширения на величину контактных напряжений впервые предложено определять по интегральной средней температуре по объему образца, практически не зависящей от более высокой температуры поверхностного слоя.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование спектров акустических сигналов с постоянными частотами килогерцового диапазона, сопровождающих процесс колебания системы "инструмент-обрабатываемый минерал" при поверхностной обработке твердых хрупких минералов в режиме квазипластичности, позволило установить, что генерируемые сигналы являются совокупностью колебаний, специфичных для каждого исследуемого минерала. При этом впервые показано, что частоты сигналов, генерируемых алмазом и лейкосапфиром, прямо пропорциональны их модулям Юнга в различных кристаллографических направлениях, не связаны с размерами образца и с упругими постоянными станочного модуля и могут быть использованы при диагностике неоднородностей упругих свойств поверхностного слоя в процессе механического воздействия.

5. Разработанный комплекс критериев (1 прочностной, 3 теплофизических), позволяет определить условия обработки твердых хрупких кристаллических минералов в области квазипластичного удаления поверхностного слоя без перехода в область хрупкого разрушения материала.

6. Разработанная концептуальная модель квазипластичной поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических минералов на основе впервые предложенного комплекса критериев (прочностных, теплофизических и упруго-механических) обеспечивает выбор рационального диапазона заданных технологических параметров поверхностной обработки в режиме квазипластичности и представляет возможность для автоматизации процесса поверхностной обработки в режиме квазипластичности для серийного производства изделий с нанометровым рельефом поверхности.

7. При определении параметров оборудования для формирования нанометрового рельефа поверхности твердых хрупких минералов в режиме квазипластичности должна учитываться корреляционная зависимость усилия прижима инструмента с собственными частотами, генерируемыми материалом при механической обработке в режиме квазипластичности. Впервые показано, что для получения нанометрового рельефа после алмазного шлифования совершенствования качества поверхности твердых хрупких кристаллических минералов с получением нанометрового рельефа поверхности, необходимо уменьшать усилие прижима при уменьшении частоты сигнала, генерируемого материалом в процессе обработки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- объективностью применения основных подходов оценки предельных параметров напряженно - деформируемого состояния, используемых для решения задач хрупкого разрушения, включая использование критериев прочности и пластичности анизотропных твердых тел, теории дислокации и основных положений термодинамики;

- соответствием принятых допущений рассмотрения процесса обработки (квазистатичность, замена воздействия инструмента распределенной нагрузкой и др.)

- описанием реального процесса обработки и соответствием предложенного математического описания положениям термодинамики (разделов тепломассопереноса, термического хрупкого разрушения) физики твердого тела, физической мезомеханики; принятая классификация эффектов при поверхностной обработке минералов (кристаллов) соответствует теории дислокаций;

- представительным объемом экспериментальных исследований на образцах различных хрупких минералов (более 300 экспериментальных измерений в процессе обработки);

- использованием современных аттестованных контрольно-измерительных приборов и оборудования, а также аттестованных методик измерения;

- соответствием (с погрешностью не более 5% по амплитуде и частоте) реальных акустических спектров со спектрами, смоделированными аналитически;

- высоким качеством поверхности (с шероховатостью до 2 нм), полученной при обработке минералов (кристаллов), в соответствии с принятыми рекомендациями по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей моно- и поликристаллических алмазов и лейкосапфиров;

- соответствием (с погрешностью не более 5%) расчетных и измеренных температур обрабатываемых минералов (кристаллов).

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей, учитывающих взаимосвязь физико-механических, теплофизических свойств твердых хрупких минералов и технологических свойств обрабатывающей системы при квазипластичном удалении поверхностного слоя обрабатываемого минерала, позволяющих применять этот способ для серийной обработки кристаллических твердых хрупких минералов (моно- и поликристаллический алмаз, лейкосапфир) с получением поверхностей нанометрового рельефа.

Практическое значение работы.

1. Разработаны общие рекомендации по технологии прецизионного удаления ПС твердых минералов и частные рекомендации по выбору рациональных режимов обработки лейкосапфира, моно- и поликристаллических алмазов, позволяющие получать поверхности нанометровой шероховатости.

2. Составлены алгоритмы для управления в автоматическом режиме процессом обработки плоских поверхностей кристаллических твердых минералов с получением нанометрового рельефа.

3. Экспериментально определены параметры (начальная врезная подача, скорость вращения ШК, скорость продольного прохода стола станочного модуля, соотношение времени обработки и времени пассивного воздушного охлаждения) и алгоритмы назначения начальных режимов резания и зависимости изменения врезных подач в процессе обработки при поверхностной обработке твердых хрупких минералов в режиме квазипластичности для станочного модуля АН 15ф 4 с ЧПУ.

4. Разработаны рекомендации назначения режимов резания для получения максимальной производительности станочного модуля с ЧПУ при обработке поверхностей твердых хрупких минералов с получением нанометрового рельефа поверхности.

5. Предложенные технические решения по усовершенствованию обработки плоских поверхностей твердых хрупких кристаллических минералов позволяют снизить на 10 - 12% брак при обработке плоских поверхностей изделий из лейкосапфира, и на 5 - 7% -изделий из алмаза.

Реализация результатов работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы:

- в виде алгоритма управления процессом обработки при реализации предложенной модели квазипластической деформации обрабатываемого минерала на основе технологической диагностики течения процесса, используемого при обработке минералов (алмаз, лейкосапфир) на предприятии "Анкон-Е.М.";

- в виде рекомендаций: "Рекомендации по технологии размерно-регулируемого удаления поверхностного слоя твердых минералов в режиме квазипластичности при изготовлении изделий из монокристаллов"; "Рекомендации по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей лейкосапфира в режиме квазипластичности"; "Рекомендации по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей монокристалла алмаза в режиме квазипластичности"; "Рекомендации по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей поликристаллического алмаза в режиме квазипластичности"; "Рекомендации по использованию технологии получения нанометрового рельефа поверхности твердых материалов путем направленного механического разрушения поверхностного слоя твердых хрупких кристаллических минералов и материалов", которые используются при обработке твердых минералов на предприятии "Анкон-Е.М.";

Результаты исследований используются в учебном процессе, как часть лекционного курса дисциплины "Технология гранильного производства".

Результаты работы позволили получить на предприятии "Анкон -Е.М." стабильно воспроизводимые результаты поверхностной обработки кристаллов с получением нанометрового рельефа поверхности (лейкосапфира Ra = 2 нм, натурального алмаза Ra = 10 нм, поликристаллического алмаза Ra = 2,5 нм).

Результаты исследования могут быть применены: в микроэлектронике для изготовления подложек; в гранильной промышленности для гибкой комплексной автоматизации технологии обработки алмазов в бриллианты и в медицине для изготовления точных приборов и инструментов из твердых монокристаллов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались:

· на научных симпозиумах "Неделя горняка", МГГУ, Москва, 2003г, 2004г, 2005 г, 2006 г, 2007 г, 2008 г, 2009 г.

· Международных симпозиумах "Sympozjon Modelirowanie w mechanice", Wisla, 2004 г, 2005 г, 2006 г, 2007 г, 2008 г.

· ХI Международном симпозиуме "GEOTECHNIKA - GEOTECHNICS", Польша, Устрань, 2004 г.;

· международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии", Иваново, 6-8 июня, 2005г.;

· Международном симпозиуме "Образование через науку" МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2005 г.;

· Научно-технической конференции "Аэрокосмические технологии", ФГУП "НПО машиностроения", Реутов; 2005 г.;

· Научно-технической конференции "Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения", Киев; 2005г.;

· Международной конференции "55-th anniversary of founding the Faculty of Mechanical Engineering of VSB Technical University of Ostrava", Ostrava;

Czech Republic; 2005г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 научные работы.

Структура и объем работы. Настоящая работа состоит из введения, 6 глав, заключения, приложений, содержит 293 страницы, 28 таблиц и 79 рисунков, список использованных источников из 174 наименований.

Автор выражает благодарность проф., д.т.н. Гридину О.М., проф., д.т.н. Дмитриеву А.П., проф. д.т.н. Гончарову С.А., проф., д.т.н. Морозову В.И., проф., д.т.н. Микову И.Н., проф., д.т.н. Куприянову В.В., д.т.н. Сильченко О.Б., к.т.н. Ананьеву П.П., к.т.н. Коньшину А.С., к.т.н. Могиревой Е.С., за помощь в работе при постановке и проведении эксперимента Плотникову С.А., Мориту Р.Е., Осташевскому А.А., за помощь в проведении расчетов и оформлении работы Могиреву А.М., Теплову М.М., Теплову А.М., коллективам кафедр ФГПиП и ТХОМ, специалистам ЭНИМС за помощь, оказанную при выполнении работы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель диссертации, сформулированы задачи исследования, изложены основные и практические научные результаты.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, сделан обзор применяющихся способов поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических материалов, приведены существующие научно-методические и технологические подходы к задачам в данной области, проведен анализ перспективных физических моделей и способов поверхностной обработки материалов, возможность их применения для совершенствования процесса обработки твердых хрупких минералов.

Кроме традиционных сфер применения в машиностроении, приборостроении, твердые материалы, особенно минералы в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение в производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий. При применении твердых хрупких кристаллических материалов для изделий микро-наноэлектроники, медицины и других технологических изделий в области нанотехнологий актуальной проблемой является их поверхностная обработка с формированием поверхности нанометрового рельефа. Сложность механической обработки твердых хрупких минералов (алмаз, лейкосапфир) обусловлена их высокой твердостью 10, 9 по шкале Мооса), спайностью, анизотропией и другими физическими свойствами.

Традиционными способами поверхностной обработки лейкосапфира являются шлифование свободным и связанным абразивом и полирование. Однако при такой обработке, шероховатость обработанной поверхности составляет 200 -300 нм и получается высокий процент брака изделий, связанного с дефектами обработки (трещины, сколы, микротрещины), которые приводят к разрушению изделия. Разрушение происходит под действием предельных напряжений, вследствие развития трещин. В настоящее время для оценки предельных параметров напряженно-деформируемого состояния, вызывающих хрупкое разрушение и пластическое течение твердых тел, используют различные подходы, основанные на использовании критериев механики разрушения, механики рассеянных повреждений, прочности и пластичности.

Критерии прочности устанавливают момент исчерпания несущей способности твердого тела в некоторой точке или во всем объеме и содержат прочностные параметры твердых тел, определяемые экспериментально в лабораторных и натурных условиях. В основном критерии обосновываются классическими теориями прочности и механикой разрушения и рассматривают условия зарождения и распространения трещины. Для хрупких горных пород и кристаллов предельное состояние наступает при достижении ими предела прочности, после которого при дальнейшем приложении напряжения, происходит рост трещин.

Применение твердых минералов (лейкосапфир, алмаз) для изготовления подложек интегральных микросхем (ИМС) в микро-наноэлектронике и светодиодах высокой яркости выдвигает дополнительные требования к качеству обработки плоских поверхностей. Кроме достижения шероховатости нанометрового уровня, должны быть минимальными дополнительные дефекты в поверхностном и подповерхностном слоях, внесенные процессом поверхностной обработки, так как формирующиеся от подложки дефекты ухудшают эксплуатационные свойства микросхем.

Одним из перспективных способов механической поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических минералов является направленное удаление ПС в режиме квазипластичности, который обеспечивается малым усилием воздействия инструмента при минимальных подачах, жесткостью конструкции УОС и относительной изоляцией от внешних возмущений. В результате заготовки из хрупких минералов можно механически обрабатывать в регулируемом режиме с получением обработанной поверхности нанометрового рельефа. Впервые процесс обработки в режиме квазипластичности был исследован Т.Г. Бифано и Т.А. Доу в восьмидесятых годах двадцатого века на установке "PEGASUS". В результате проведенных экспериментов на большом количестве аморфных стекол, монокристаллов и керамических минералов авторами были установлены условия хрупко-пластичного перехода, при котором все материалы, независимо от их твердости и хрупкости, в процессе механической поверхностной обработки претерпевают переход от хрупкого режима разрушения к квазипластическому. Недостатками установки "PEGASUS" являются отсутствие модели диагностирования параметров обработки, эмпирический выбор режима обработки, что не позволяет получать стабильные результаты и автоматизировать процесс обработки. Технология процесса размерно-регулируемого шлифования анизотропных минералов с отсутствием дефектов, привнесенных технологическим процессом обработки, создана д.т.н. Сильченко О.Б. и к.т.н. Коньшиным А.С. Под руководством к.т.н. Коньшина А.С. на основе фундаментальных работ д.т.н., проф. Кудинова В.А., д.т.н., проф. Ратмирова В,А., д.т.н., проф. Левина А.И., к.т.н. Бобрина В.И. в ЭНИМСе был создан станочный модуль АН 15ф 4 с числовым программным управлением (ЧПУ). При испытании макетного образца станочного модуля с ЧПУ получены положительные результаты при обработке керамических видеоголовок, изделий из сапфира, фианита, поликристаллических и натуральных алмазов, ориентированных в твердом направлении. На основе физической мезомеханики, разработанной академиком РАН Паниным В.Е., д.т.н. Сильченко О.Б предложена модель размерно-регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием. Учитывая то, что в своих исследованиях Панин В.Е. рассматривал в основном металлы, для теории поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических минералов необходимо для оценки предельных параметров напряженно-деформируемого состояния "инструмент-обрабатываемый минерал" учитывать основные прочностные зависимости, применяемые в практике обработки минералов. Отсутствие научно обоснованных критериев процесса квазипластичного удаления ПС, позволяющих учесть свойства обрабатываемых минералов и механические свойства упругой обрабатывающей системы (УОС), сдерживает развитие технологии. Классические теории прочности относятся в основном к изотропным средам, что ограничивает возможности их применения в условиях квазипластичного удаления ПС кристаллов. Отсутствие учета теплофизических свойств обрабатываемого минерала во взаимодействии с упруго-механическими свойствами УОС затрудняет выбор режимов обработки, обеспечивающих получение поверхностей заданного качества для различных твердых минералов, не обрабатываемых ранее в режиме квазипластичности, и часто приводит к разрушению минерала. Кроме того, известные методы выбора режимов обработки основаны на эмпирических зависимостях, не учитывающих фактическое состояние параметров процесса обработки. Использование эмпирических зависимостей при прецизионной поверхностной обработке твердых материалов (в том числе натурального алмаза) часто приводит к возникновению дефектов в связи с выходом процесса обработки из области квазипластичного удаления поверхностного слоя минерала в область хрупкого разрушения и браку изделий из дорогостоящего сырья.

В данной работе ставятся задачи разработки основ теории и научной базы процесса квазипластичной поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических минералов (алмаза, лейкосапфира), разработки методологии формирования нанометрового рельефа поверхности и активного контроля процесса квазипластичной обработки на основе выделения и оценки информативных характеристик процессов, сопровождающих квазипластичную поверхностную обработку твердых хрупких материалов и другие задачи исследования, изложенные выше. На основе определения новых закономерностей процесса квазипластического удаления ПС материала с учетом его физико-механических и теплофизических свойств появляется возможность разработки научно обоснованной методики выбора рациональных режимов механической обработки поверхностей твердых хрупких минералов.

На этой базе основан новый подход к шлифованию минералов, как к удалению поверхностного слоя обрабатываемого материала без разрушения его основного объема, с учетом основных закономерностей разрушения горных пород и минералов.

Вторая глава посвящена разработке модели квазипластичного удаления ПС твердых хрупких кристаллических материалов с формированием нанометрового рельефа поверхности. Рассмотрена модель квазипластичного удаления ПС твердых материалов с учетом теплофизических свойств, упругих свойств обрабатывающей системы и оценки состояния системы "инструмент-обрабатываемый материал". Научно-методические подходы формирования физико-математической модели основывались на корректности оценки предельных параметров напряженно-деформируемого состояния, используемых для решения задач хрупкого разрушения, включая использование критериев прочности и пластичности анизотропных твердых тел, элементов теории дислокации, основных положений термодинамики и физической мезомеханики. Физическая мезомеханика исследует вопросы, находящиеся на стыке физики твердого тела и механики деформируемого твердого тела. Применяющийся в физической мезомеханике термин "масштабные уровни деформации" предполагает четкую классификацию размеров в иерархии масштабов: "микро", "мезо" и "макро". Термин "мезоскопический" в физической мезомеханике отражает смысл "промежуточный" между твердым телом как сплошной средой и его конкретной кристаллической решеткой. При рассмотрении объекта исследования малой величины (примерно 0,5 -0,05 нм) допускается применение как элементов классических уравнений напряженно-деформируемых состояний механики сплошной среды, так и элементов теории дислокаций. Физическая мезомеханика рассматривает ПС в нагруженных материалах как самостоятельный мезоскопический структурный уровень деформации, который имеет более высокую концентрацию дефектов и пониженный предел сдвиговой устойчивости, по сравнению с основным объемом материала.

Рассмотрим суть механизма взаимодействия алмазных зерен ШК с ОП твердого хрупкого материала, обладающего микронеровностиями, при поверхностной обработке материала. Во время упругого взаимодействия выступов, согласно релаксационной модели мезомеханики, любая точка в деформируемом твердом теле испытывает сдвиг. В точке соприкосновения выступов ШК и ОП кристаллического минерала происходит локальная потеря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки. Происходит движение дефектов в кристалле, в результате которого первоначальный концентратор напряжений релаксирует, и распределение напряжений в кристалле становится более однородным. Исходный высокопрочный кристалл в ходе квазипластической деформации наполняется дефектами структуры. Кристалл снижает свою прочность, но сохраняет сплошность. Сдвиг на микроуровне сопровождается поворотными деформациями на мезоскопическом масштабном уровне. На мезоуровне носителями квазипластического течения являются структурные элементы - мезообъемы. Формирование движущихся в релаксационном режиме мезообъемов происходит в основном в ПС обрабатываемого минерала, имеющем большую дефектность, в направлении максимальных касательных напряжений. Релаксация одних напряжений в процессе возвратно-поворотных колебаний сопровождается генерацией других внутренних напряжений. Режим квазипластичного удаления ПС хрупких минералов можно обеспечить при специальном подборе таких параметров, как усилие прижима и скорости движения инструмента параллельно поверхности кристалла, подвергаемой механическому воздействию.

При снижении контактных напряжений величина энергии воздействия может быть недостаточна для проявления пластичных свойств хрупких кристаллов, обусловленных движением дислокаций, если напряжения меньше предела Пайерлса (фп), соответствующего началу движения дислокаций. Режим квазипластичного удаления ПС должен лежать в диапазоне энергий, превышающих энергию воздействия, соответствующую пределу Пайерлса, и быть меньше величины энергии, соответствующей хрупкому разрушению (определяемой, например, Ржевским В.В., Новиком Г.Я.). С учетом вышеизложенного сформирована классификация энергетического воздействия, позволяющая распределять эффекты, возникающие в ПС твердого минерала при механическом воздействии (табл. 1).

Таблица 1

Классификация энергетических уровней состояния поверхностного слоя минералов при механическом воздействии

Состояние поверхностного слоя твердого минерала при механическом воздействии	Диапазон удельной величины энергии воздействия, W, Дж·м -3
При механической обработке хрупкое разрушение
Режим "квазипластичности"
Упругое деформирование материала

здесь - модуль упругости, Па; - предел Пайерлса, Па; - предел прочности на растяжение, Па.

Например, для лейкосапфира =800 Мпа; Е = 46.1010 Па. Величину предела Пайерлса определяем из известного соотношения (описанного, например, Т. Судзуки, Х. Ёсинага, С. Такеути): = 3,6.10-6 • = 1,65 Мпа.

Оценим диапазон энергии воздействия для режима квазипластичного удаления ПС для лейкосапфира. Максимально допустимая энергия воздействия, обеспечивающая отсутствие хрупкого разрушения, составит 6,96.105 Дж•м-3. Минимальная энергия воздействия, характеризующая начало пластических процессов, обусловленных движением дислокаций, составит 2,98 Дж.м -3.

Широкий интервал энергетического диапазона квазипластичного удаления ПС твердых минералов затрудняет задачу выбора оптимального режима механического воздействия. Для решения задачи рассмотрим процесс механического взаимодействия инструмента с поверхностью минерала. Взаимодействие имеет комплексный характер, включающий разнородные воздействия зерен шлифовального инструмента в нормальном и тангенциальном направлениях. Эти воздействия тесно взаимосвязаны, но для анализа в первом приближении удобно рассмотреть их по отдельности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При создании модели взаимодействия инструмента с поверхностью твердого минерала при формообразовании нанометрового рельефа поверхности по нормали к ней процесс рассматривался как квазистатический. Данное допущение может быть принято на основе оценки времени воздействия инструмента и величин характерных времен волновых процессов, отличающихся более чем на 3 порядка. При анализе механизма взаимодействия приняты следующие допущения. Инструмент является абсолютно жестким телом с горизонтальной поверхностью. Данное допущение может быть принято на основании того, что инструментом являются алмазные зерна, размер которых (мкм) на порядок и более превышает размер шероховатости (нм). Задача решается в "плоском" приближении. В результате воздействия инструмента на микронеровности поверхности происходит их упругое деформирование. Воздействие инструмента можно заменить распределенной нагрузкой, действующей на каждую микронеровность (рис. 1).

Наиболее опасная точка А возникновения трещины в ПС находится в начале координат, что соответствует значению:

, а .

Обработка твердых хрупких материалов в режиме квазипластичности будет происходить при соблюдении условия: , (1)

где Ркр- критические контактные напряжения, Р - текущее значение контактных напряжений в процессе обработки. На практике работа в области контактных напряжений, близких к величине , является затруднительной из-за невозможности создания одинаковой величины контактных напряжений по поверхности кристалла (т. к. микронеровности неоднородны по высоте). Величина средних контактных напряжений должна быть не меньше, чем на порядок, ниже критических.

Можно утверждать, что рациональный режим изменения усилия прижима в процессе обработки должен носить характер возрастания во времени на стадии выравнивания неоднородности шероховатости с последующим снижением в процессе обработки на стадии уменьшении величины шероховатости для обеспечения снижения величины удаляемых микрообъемов. Подробные расчеты приведены в диссертации.

С целью получения поверхности нанометрового рельефа было рассмотрено послойное квазипластичное удаление поверхностного слоя под действием усталостных напряжений возвратно-поворотных мод деформации. Процесс рассматривался как квазистатический. Задача решена в плоском приближении. Пусть - подача ШК по вертикали, м. Если , где -высота выступа образца (шероховатость ), м, то столкновения выступов ОП образца с зернами ШК будут происходить в слое толщиной (рис 2).

На начальном этапе размер алмазных зерен ШК соизмерим с размером микронеровностей обрабатываемого материала (20 мкм). На заключительных этапах шлифования размер зерен ШК значительно превышает оставшиеся микронеровности, составляющие 2-10 нм. Примем средний диаметр части выступов ОП и части зерен ШК, попавших в этот слой . Согласно предложенной модели при выбранном шаге подачи , м, за цикл снимается слой , но нижняя часть (впадины) шероховатости перемещаются на 2, до тех пор, пока подача не станет порядка высоты выступов (шероховатости ). На это необходимо циклов,

,

где - целая часть выражения. С этого момента усилие прижима инструмента (вертикальная подача инструмента) должно уменьшаться. При уменьшении подачи по закону

,

уменьшение усилия прижима будет продолжаться до тех пор, пока подача инструмента не сравняется с технически достижимой подачей ШК по вертикали . Общее число шагов, исчерпывающих технические возможности шлифовального станка, равно:

. (2)

Исходя из заданной шероховатости и минимально возможной врезной подачи станка можно вычислить число снимаемых слоев, время, необходимое на доведения заготовки до заданной шероховатости, и выбрать рациональный режим обработки.

Оценка минимального размера шероховатости, возможного получить на используемом оборудовании, исходит из технически достижимой подачи ШК по вертикали min. Высота получаемого выступа шероховатости hв min /2 +тепл/2. Дальнейшего снижения шероховатости при квазипластичном удалении ПС можно добиться при нулевой подаче инструмента, создавая усилия прижима за счет теплового расширения образца. Оценочное значение минимальной шероховатости

Rz: , (3);

, (4)

где - средний коэффициент линейного расширения материала образца, К-1; - толщина образца, м; - разница между интегральной средней температурой ОП, К, и температурой окружающей среды, К.

Наиболее существенное влияние на процесс удалении ПС минерала в режиме квазипластичности оказывает тепловой фактор. При жестком закреплении образца повышение температуры будет приводить к необходимости снижения начального усилия прижима, что обусловлено тепловым расширением образца и увеличением подвижности дефектов в энергетической области квазипластичного удаления ПС (табл.1).

Схематично система "инструмент - обрабатываемый материал" представлена на рис. 3. Введенная энергия в системе "инструмент-обрабатываемый материал" расходуется на работу силы трения. В процессе обработки образца происходит периодический нагрев в зоне обработки и пассивное воздушное охлаждение образца при выходе из зоны обработки. При увеличении поступления теплового потока в результате работы силы трения происходит нагрев образца и распространение теплового потока вдоль оси образца. Под действием теплового потока с той же периодичностью вследствие теплового расширения возрастает усилие прижима кристалла к ШК. Чтобы не допустить скола минерала, необходимо рассчитать предельно допустимое усилие прижима и установить зависимость его изменения в процессе обработки от величины поступающего теплового потока. Для расчетов необходимо знать зависимость коэффициента теплового линейного расширения от температуры и для каждого обрабатываемого минерала определять критическую температуру, при которой тепловой поток в образце достигнет критического значения.

Точный аналитический расчет распределения температуры в образце, необходимый для расчета масштабов его теплового расширения, затруднен, вследствие неточности в определении тепловых параметров на границах образца в процессе обработки. Технически проще измерять температуры "горячей" и "холодной" поверхностей, а не тепловые потоки. В качестве первого приближения распределение температуры можно определить, решая известное дифференциальное уравнение теплопроводности для неограниченной пластины с периодическими граничными условиями первого рода. Сделав замену переменных и рассматривая изменения температуры поверхности в безразмерных координатах, получим уравнение и граничные условия в безразмерном виде:

(5)

При о =0 1 при 0 < Fo < Fo1; 0 при Fo1 < Fo < Fo0.

При о = 1 = 0

где Fo - текущее значение критерия Фурье; а - температуропроводность; ф -текущее время; h -толщина образца; t1- длительность периода нагрева; t0 - время от начала одного периода нагрева до начала другого периода нагрева; (t0 - t1) - длительность периода охлаждения; Fо 1, Fо 0 - соответствующие значения критерия Фурье; о-безразмерная координата; и-безразмерная температура; х -текущая координата; Т 0 - начальная температура среды; Т 1 - температура поверхности нагрева при х=h.

Применяя описанное Карслоу Г., Егер Д. квазистационарное асимптотическое решение данного уравнения при n , получим:

В период обработки (0<ф<t1)

, (6)

В период охлаждения (), , .

. (7)

Исходные данные: - для лейкосапфира:

=8.10-7 м 2/с, = 0,02 м, = 0,5 с, =5 c, =102, =10-3, =0,9 .10-2;

- для алмаза: =4,85.10-4 м 2/с, = 0,002 м, =0,5 с, =5c, =550, =60, =600 .

Графическое изображение температурных процессов при квазипластичном удалении ПС минералов приведено на рис. 4, 5.

Рис. 4 Зависимость безразмерных температуры и координаты образца от времени.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса поверхностной обработки моно- и поликристаллического алмазов и лейкосапфиров в режиме квазипластичности на основе современных методов регистрации акустической эмиссии, аппаратов визуализации температурных полей, точных методов контроля нанометрового рельефа поверхности, контроля качества подповерхностного слоя средствами ультразвуковой микроскопии. Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, в состав которой входил станочный модуль с ЧПУ модели АН-15ф 4. Параметры станочного модуля приведены в табл. 2.

Средняя безразмерная температура в конце периода нагрева алмаза 0,5 Средняя безразмерная температура в конце периода охлаждения алмаза 0,0 Средняя безразмерная температура в конце периода обработки лейкосапфира 0,077 Средняя безразмерная температура в конце периода охлаждения лейкосапфира 0,042

Таблица 2

Параметры станка

Параметр	Величина
Число управляемых осей	6
Число позиций для установки режущего инструмента и контрольно-измерительных средств (револьверная головка)	3
Число шпинделей	3
Дискретность задания и отработки перемещений оси X, Y, мкм - ось Z, мкм - оси А, В, град.	0,05 0,05-0,03 0.0001
Максимальная величина перемещений линейная ось X, мм линейная ось Y, мм линейная ось Z, мм круговая ось А, град. круговая ось В, град.	1000 300 10 90 неогранич.
Диапазон рабочих подач, мм/мин	0,06... 4500
Диапазон частоты вращения шпинделей, об/мин	3000- 6000
Количество мест в сменной кассете, штук	15
Число одновременно обрабатываемых изделий, штук	5
Шероховатость обработанной поверхности Rz, мкм	0.032... 0.05
Диаметр алмазного инструмента, мм	250
Суммарная подводимая мощность, кВт	7

В станке осуществляется динамическое импульсное воздействие зерен вращающегося инструмента на ОП кристалла, которое является результатом сложения двух векторов: вектора сжимающего напряжения, определяемого потенциальной энергией сжатия, и вектора касательного напряжения, определяемого кинетической энергией. Основные направления движения частей УОС станочного модуля АН 12ф 4 показаны на рис.6.

Процесс квазипластичной обработки носит автоколебательный характер и прослеживается из анализа осциллограмм. По результатам эксперимента было проанализировано 377 осциллограмм, полученных при поверхностной обработке твердых материалов (лейкосапфира и поликристаллического и натурального алмаза) в режиме квазипластичности. Осциллограммы, полученные в процессе квазипластичной обработки, после выделения полезного сигнала из шумов (алгоритм осциллографического контроля приведен в диссертации) представляют собой известную из теории колебаний классическую картину биения нескольких частот (рис.7).

,

где А амплитуда, щ - частота, t -текущее время.

Достаточная по коэффициенту корреляции (0,8) аппроксимация осциллограмм, снятых при проведении экспериментальных исследований процесса квазипластичной обработки, может быть достигнута при использовании даже нескольких первых членов приведенной выше суммы гармонических колебаний.

Для монокристалла белого лейкосапфира аппроксимирующая функция периодического колебательного процесса имеет вид:

.

Для монокристалла желтого лейкосапфира:

.

Анализ этих выражений свидетельствует, что результирующая картина колебаний может быть представлена в первом приближении как результат взаимодействия низкочастотных колебаний с частотой около 50 Гц (частота биений шлифовального круга, вращающегося со скоростью 50 оборотов в секунду) и двух достаточно близких по частоте мод автоколебаний килогерцового диапазона. Предположительно данные частоты могут характеризовать автоколебания микроагрегатов поверхностного слоя при разрушении кристаллической решетки материала в "твердом" и "мягком" направлениях, обусловленных расположением атомов в различных кристаллографических направлениях. Таблицы значений амплитудно- частотных характеристик, полученных при поверхностной обработке кристаллов, и осциллограммы приведены в приложении к диссертации. Статистический анализ осциллограмм на основе выявления часто повторяющихся частот колебаний выявил, что в процессе поверхностной квазипластичной обработки монокристаллов алмаза и лейкосапфира генерируются автоколебания акустического диапазона, имеющие преимущественно две частоты, предположительно соответствующие частотам колебаний участков ПС "твердого" и "мягкого" кристаллографических направлений. При квазипластичной обработке поверхности поликристаллического алмаза выявлены три частоты, предположительно соответствующие трем различным кристаллографическим направлениям зерен алмаза. С учетом приведенных во второй главе диссертации теоретических исследований было сделано предположение о том, что анизотропия кристаллического минерала приводит при внешнем воздействии к неоднородности и нарушениям когерентности, т.е. согласованности нескольких колебаний во времени, участков ПС, которая осуществляется различными релаксационными механизмами, позволяющими снижать упругую и неупругую составляющие энергии внешнего воздействия за счет выбора внутренними структурами взаиморасположения когерентных и некогерентных участков. Анализ осциллограмм колебаний, генерируемых при обработке поверхностей кристаллов алмаза и лейкосапфира, позволил установить взаимосвязь упругих свойств кристалла и собственных частот (рис.8). Установлено автором, что частоты акустического сигнала, генерируемого образцом при обработке, не зависят от размеров образца, а связаны со свойствами обрабатываемого материала. Контроль частоты колебаний, генерируемых заготовкой при поверхностной обработке в режиме квазипластичности, может служить вспомогательным средством контроля качества ОП.

...