Содержание к диссертации
ГЛАВА І. СУЩЕСТ.ВУКЩЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ХРУПКИХ
МАТЕРИАЛОВ 16
і.1. Анализ существующих способов размерного
пластичного микрошлифования твердоструктурных
материалов 16
1.2. Физические особенности процесса
микрошлифования твердоструктурных материалов,
пути автоматизации и диагностики процесса 42
і.3. Выводы и задачи исследования 54
-
Выводы 54
-
Задачи и цель исследования 57
ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ
МИКРШПИФОВАНИЕМ ТВЕРДОСТРУКТУРНЫХ МИНЕРАЛОВ. 58
со. Выводы 70
-
Теория съема припуска при однопроходном микрошлифовании твердоструктурных минералов. 58
-
Теория процесса микрошлифования твердоструктурных минералов последовательными проходами 62
-
Физический смысл постоянной времени переходных процессов резания 65
-
Разработка.метода обеспечения геометрической точности сложнопрофильных изделий из хрупких материалов 68
2.5
ГЛАВА 111.МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 72
3.1. Цели и задачи эксперимента 72
3.2- Оборудование, применяемое в ходе экспери
мента 72
3-3. Инструмент,, используемый при исследовании 82
3.4. Обрабатываемые изделия 82
3.б. Порядок проведения экспериментов 83
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 88
-
Предварительный эксперимент 88
-
Результаты экспериментального исследования 89
4.3. Анализ экспериментальных зависимостей 107
-
Формирование банка данных значений предельно допустимых деформатяий области пластичного микрошлифования- - - 112
-
Оптимизация режимов резания для получения максимальной производительности процесса
и оптимального ісласса чистоты обработанной
поверхности 117
4.6. Выводы 121
ГЛАВА V. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ И ПРОЧНОСТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ ' 123
5.1- Пластичность высокопрочных кристаллов- 123
5-2. Локальная потеря сдвиговой устойчивости
кристаллической решетки в нагруженном твердом
теле на микроуровне 132
5.3. Локальная потеря сдвиговой устойчивости
нагруженного твердого тела на мезоуровне.
Фрагментация материала 136
5-4- Глобальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела на макроуровне.
Разрушение 138
-
Модель элементарного акта пластической деформации твердоструктурных минералов 145
-
Динамическая модель бездефектного стружкообразования 162
5.7. Выводы 176
ГЛАВА VI. МЕТОД МИКРОШПИФОВАНИЯ ТВЕРДОСТРУКТУРНЫХ
МИНЕРАЛОВ, РЕАЛИЗУЮШЙ МОДЕЛЬ ФИЗИЧЕСКОЙ
МЕЗОМЕХАНИКИ МАТЕРИАЛОВ 178
6.1. Задач*: новсго метода обработки
хрупких материалов 178
-
Диагностика процесса микрошлифования 184
-
Реализация нового метода микрошлифования
хрупких материалов при групповой обработке. 194
6.4. Выводы 238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 240
ЛИТЕРАТУРА 243
ПРИЛОЖЕНИЯ 255
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Тестовые методы определения статических
параметров системы резания 256
ПРИЛОЖЕНИЕ 11.Внедрение результатов исследований в
промышленности и техняко-экономическое
обоснование эффективности машинной
обработки алмазного сырья на базе 6-ти
координатного станочного модуля 281
Введение к работе
Развитие современной микроэлектроники предполагает применение как традиционных полупроводниковых материалов: кремния, сапфира, кварца, бинарных соединений, так и перспективных: природных и искусственных алмазов.
Тенденция к увеличению степени интеграции микроминиатюризации полупроводниковых приборов диктует жесткие требования к микрогеометрии и качеству поверхности полупроводниковых подложек.
Существующая технология прецизионной обработки полупровод никовых подложек представляет собой многоэтапный процесс, вклю чающий прецизионную резку монокристаллов, двустороннее шлифова ние подложек, химическое травление, финишное и суперфинишное полирование, а также межоперационную и окончательную очистку поверхности подложек. Несмотря на то, что в процессе обработки подложек используются агрессивные химические реагенты, к обра батывающим составам предъявляются высокие требования по чистоте среды. \
Развивающаяся нанотехнология делает актуальной задачу разработки суперпреіщзионной механической обработки поверхности полупроводниковых подложек на финишных этапах, что позволит достигнуть высокого качества поверхности при исключении стадий: химического травления, финишного и суперфинишного полирования, которые, как поіїазьгаает практика, только ухудшают микрогеюмет-рию подложек. ~ Б -
Важнейшим перспективным способом окончательной обработки подложек является механическая обработка алмазными кругами по методу врезного шлифования с решением проблемы автоматического выбора режимов обработки поверхности, так как шлифование производится связанным абразивом, содержащим зерна той же твердости, что и обрабатываемый материал. Сложность этой задачи заключается в том, что режимы .обработки полупроводниковых материалов на-ходятся в определенных интервалах, ограничивающих область резания поверхности баз хрупкого разрушения.
Актуальность работа заключается в исследовании и-разработке технологии бездефектного суперпрецизионного размерно-регулируемого микрошлифованил полупроводниковых материалов, выработке технических требований к обрабатывающему инструменту и решению конструктивных задач, создаваемого оборудования.
Реализация этого научного направления на базе научно-технического потенциала и мирового приоритета в области бездефектного суперпрецизионного размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктурных и хрупких материалов и монокристаллов, соз-данного в России к 1999 году, позволит производить принципиально новую продукцию: алмазные подложки для интегральных схем в микро- и нано-электронике; линзы для пьезоэлектрических резонаторов из кварца и ни-обита; для приборов ночного видения из флюорита, германия и алмаза; тонкие пластины из кремния, сапфира, алмаза с высоким качеством поверхности и уровнем шероховатости Rz * 0,05 мкм; суперпрецизионные б-ти координатные станочные модули с ЧПУ и пакеты программно-математического обеспечения для адаптивного управления процессом бездефектной групповой обработки твердоструктурных и хрупких минералов.
Целью работы Является: —исследование-и разработка процесса размерно-регулируемого микрошлифования в упругих обрабатывающих системах со сверхнизкой поперечной подачей; тестовая идентификация, посредством ЧПУ, области пластичного микрошлифования; адаптивный выбор режимов резания хрупких и твердоструктурных материалов с анизотропными механическими характеристиками; развитие теории устойчивого дискретного процесса струж-кообразования в виде единичных пластически деформированных на-ностружек; создание высокотехнологичного суперпрецизионного метода окончательной обработки поверхности полупроводниковых материалов, исключающего финишные стадии традиционной технологии, влияние уровня квалификации работающего персонала, улучшающего экологию процесса за счет отсутствия в технологии агрессивных и химически опасных реагентов; . . получение высокого класса обработки по всей площади но- верхности обрабатываемого материала с оптическими характеристиками R2 0,05 мкм и минимальным уровнем микродефектности-
Идея работы заключается в решении проблемы снижения доли поверхности, подвергшейся в процессе механической обработки хрупкому разрушению с "991 до 5% и, как следствие, снижение микродефектности в виде, следов хрупкого разрушения, сколов, тре-щин, за счет осуществления комплекса взаимосвязанных мероприятий в процессе размерно-регулируемой обработки, обеспечивающих оперативное управление режимами съема материала в соответствии с фактическими величинами упругих деформаций обрабатывающей системы. Создаваемые условия адекватны дискретному процессу резания с автоколебательным характером.
Объектом исследования является упругая обрабатывающая система прецизионного шлифовального станка с ЧПУ, ее функционирование во взаимосвязи с приводами координатных перемещений исполнительных органов станка и вращения производящей инструментальной поверхности, с многоканальной цифровой системой опера-тивного контроля и с многоканальным цифровым пьезоэлектрическим приводом.
Методы исследований основаны на экспериментальных данных, при тестовом определении границ устойчивости области процесса резания в реальном масштабе времени обработки, на применении методов классической механики, физики твердого тела, теории дислокаций, физической мезомеханики и дифференциальном исчислении, а также методов математического моделирования при разработке математических алгоритмов управления процессом резания.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель управления размерной настройкой упругой системы в удіювиях пластичного микрошлифования на примере одного изделия путем регулирования подачи на основе непрерывной информации об изменении нормальной составляющей силы резания.
Метод тестирования фактического состояния параметров объективно отражающих процесс в области пластичного микрошлифования в реальном масштабе времени обработки.
Алгоритм предварительного автоматизированного определения области допустимых значений режимов резания, соответствующих резанию в пластичном режиме для каждого конкретного сочетания характеристик обрабатываемого и обрабатывающих материалов, статических и динамических характеристик станка.
Модель элементарного акта пластической деформации твер-доструктурных и хрупких минералов и монокристаллов при обработке на станочном модуле на основе теории физической меаомеханики материалов.
Математическая модель, описывающая процесс дискретного стружкообразования в виде единичных пластически деформированных стружек при размерно-регулируемом микрошлифовании кристаллов в упругой обрабатывающей системе, позволяющая в реальном масштабе времени формировать управляющую программу режимов бездефектного съема, в каждой точке касания каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью. 6. Алгоритм управления групповой обработкой твердоструктурных и хрупких минералов и монокристаллов в условиях миними-зации весовых потерь дифференцированно в каждом отдельном обработанном изделии.
Научная новизна исследований заключается в разработке комплекса взаимосвязанных между собой математических моделей и соответствующих им технологических алгоритмов управления в реальном масштабе времени процессом бездефектного . размерно-регулируемого от системы ЧПУ микрошлифования твердоструктурных и хрупких материалов в упругой обрабатывающей системе, которые включают в себя: формирование в упругой обрабатывающей системе станка регулярного макро- и микрорельефа на производящей инструментальной поверхности для регулярной дискретизации процесса стружко-образования в виде единичных стружек; тестовую идентификацию и оперативный контроль упругих деформаций в обрабатывающей системе в каждой точке касания каждого режущего верна вращающегося микрорельефа производящей инструментальной поверхности с поступательно дискретно перемещающейся вдоль траектории в плоскости формообразования обрабатываемой поверхности при наличии периодической (дискретной) врезной подачи по нормали к плоскости формообразования. Упругие дефор- мации определяются в прямой пропорциональной зависимости временем задержки фактического и заданного закона изменения режимов интенсивности съема и величиной дискретной врезной подачи; тестовую идентификацию процесса дискретного стружкообра-зования в виде единичных пластически деформированных стружек и взаимосвязей технологических параметров резания с параметрами вращающегося регулярного микрорельефа производящей инструмен-тальной поверхности'по автоколебательному характеру изменения упругих деформаций обрабатывающей системы в пределах ее упругости; тестовую идентификацию номинальных предельных величин упругих деформаций в обрабатывающей системе с конкретными характеристиками обрабатывающего и обрабатываемого материалов; стабилизацию упругих деформаций обрабатывающей системы программно-адаптивным регулированием режимов интенсивности съема на каждом режущем зерне в точке его касания с обрабатываемой поверхностью, изменением в обратно пропорциональной зависимости, либо шага дискреты перемещения вдоль траектории, либо шага дискреты перемещения по нормали к плоскости формообразова-ния на глубину резания при отклонении фактической в реальном масштабе времени идентифицируемой упругой деформации от номинально заданной величины; уточнение размерной настройки упругой обрабатывающей системы с учетом статической составляющей её упругой деформации.
Научное значение работы состоит в: создании метода размерно-регулируемого микрошлифования, исключающего финишные этапы механической обработки в традиционном процессе формирования поверхности подложек полупроводниковых материалов; оптимизации параметров процесса окончательной обработки подложек; ~ разработке математических моделей, технологических алгоритмов и зависимостей для расчетов в реальном масштабе времени параметров упругой обрабатывающей системы и управляющих программ для режимов интенсивности съема при бездефектном размерно-регулируемом микрошлифовании твердоструктурных и хрупких с анизотропными механическими характеристиками минералов и монокристаллов с получением поверхностей с оптическими характеристиками ( = 0,032 мкм); - установлении аналитических зависимостей для идентифика ции в конкретных условиях обработки упругих и температурных де формаций с соответствующими алгоритмами их адаптивной стабили зации и формы траектории продольной подачи.
Практическое значение работы состоит в разработке технологических требований к компоновочным решениям и несущим механическим системам, к привода?.! координатных перемещений исполнительных органов станочного модуля и к системе ЧЇЇУ на базе ПК, технических требований к многоканальной измерительной системе и к многоканальному цифровому пьезоэлектрическому приводу, а так- же к многоместной кассете, технологическому программно-математическому обеспечению и блок-схемам технологических алгоритмов программно-адаптивного управления процессом бездефектной высокоточной обработки сложно-профильных изделий из минералов и монокристаллов (включая алмазы) с минимизацией весовых потерь каждого отдельного обработанного изделия.
Предложенные методы и алгоритмы были использованы в разра- ботке технологии и програшного обеспечения для станка АН-15Ф4, который проектировался и изготовлялся в НИИ "Научный Центр" при выполнении Целевых Программ Президента РФ "Национальная технологическая база" раздел "Микроэлектронные технологии" с 1996 по 2000 год.
Реализация результатов работы состоит в разработке технических требовании к оборудованию и внедрении их в практику создания многокоординатных станочных модулей с ЧПУ адаптивным управлением для групповой бездефектной обработки с суперпрецизионной точностью наукоемких высокотехнологичных и высокохудожественных с оптическим качеством обработанной поверхности изделий из твердоструктурных и хрупких минералов и монокристаллов с целью коммерческого использования полученных результатов для развития приоритета России в решении проблемы: "Снижение вероятности появления дефектов в поверхностных и подповерхностных слоях при размерно-регулируемой обработке изделий из хрупких и твердоструктурных материалов и минералов резанием, за счет осуществления технологической диагностики и самонастраивающегося компьютерного управления".
Настоящая работа состоит из шести глав.
В первой главе рассматриваются существующие способы обработки сверхтвердых материалов. Подробно описан экспериментальный станок "PEGASUS" для получения поверхностей оптического класса чистоты на хрупких материалах, а также способ управления этим процессом. Наиболее тщательному анализу подвергнута техно- логия обработки алмазов. Указаны особенности кристаллографии алмаза, физическая модель обработки и методы, повышающие производительность, точность и качество обработки изделий из алмазов. Разобрана физическая сущность процесса шлифования и указаны пути его автоматизации и диагностики.
Вторая глава посвящена математической модели управления микрошлифованием. Предлагается способ обработки изделий из хрупких материалов и его математическое описание через постоянную времени переходных процессов. Раскрывается физический смысл постоянной времени, а также метод обеспечения геометрической точности сложнопрофильных изделий.
Третья глава включает методику экспериментального исследо-вания, где описывается оборудование, применяемое в ходе эксперимента, а также порядок его проведения.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, при анализе которых выявлена область допустимых значений режимов резания, где микрошлифование осуществляется без хрупкого разрушения материала. Выдвинута гипотеза влияния кристаллографических направлений алмаза на колебания нормальной составляющей силы резания. Далее описываются алгоритмы управления процессом регания. Алгоритм управления содержит две части: предварительный эксперимент по накоплению банка данных и рабочий режим. Приводятся рекомендации по назначению режимов резания для получения максимальной производительности и оптического класса чистоты обработанной поверхности.
Пятая глава содержит обзор литературы по природе пластич- ности сверхтвердых материалов. Создана модель элементарного акта пластической деформации с применением теории физической ме-зомеханики материалов для обработки хрупких и твердоструктурных материалов и минералов на станочном модуле с ЧЇЇУ.
В шестой главе описывается реализация нового метода обработки хрупких материалов при групповой обработке на шестикоор-динатных станочных модулях. Представлена конструкция устройства для реализации данного метода обработки хрупких материалов.
Оканчивается работа основными выводами.
Работа выполнена в НИЛ "Научный Центр" (г.Зеленоград) совместно с Московским Государственным горным университетом (МТУ) и фирмой "АНКОН".
Диссертационная работа состоит из шести глав, заключения и приложений. Общий объем я/6 страниц, ?& рисунков, ? таблиц, //4 наименований библиографии. " 16'
