Введение к работе
Актуальность темы исследований.
В последнее десятилетие в приборостроении актуальной остается задача изготовления микродеталей и микрообъектов из пластмасс. К таким деталям предъявляются повышенные требования по качеству и точности функциональных элементов. Спрос на такие изделия растет с каждым годом. Повышение требований, предъявляемых к качеству микродеталей с точки зрения улучшения точности и качества поверхности при изготовлении, заставляет технологов и исследователей искать пути их обеспечения, в том числе разрабатывать и создавать новые технологии, оборудование и инструментарий. Среди множества методов изготовления микроизделий из пластмасс, технологии литья под давлением получили широкое распространение в связи с высоким уровнем автоматизации процесса и малым временем цикла производства.
На рынке наблюдается быстрый рост потребления продукции, изготовленной литьем под давлением, - это миниатюрные отливки массой в несколько миллиграмм и размерами в несколько десятков микрометров (прецизионные шестерни, микрокнопки, детали часов и цифровой техники), изделия, имеющие микроструктурные участки и функциональные поверхности (оптические микролинзы, разъемы для оптоволоконной технологии), и многие другие. Например, оптические микролинзы являются важными компонентами в устройствах для микро- и оптоэлектроники, для военной техники, астрономии, теле- и оптической коммутации.
Из-за малых размеров отливок требуется использование специальных литьевых форм. В настоящее время благодаря своим хорошим механическим и теплофизическим свойствам (коэффициент температурного расширения 1,510-6 / К, предел прочности 7 ГПа, теплопроводность 80 – 150 Вт/(мК) кремниевые заготовки с изготовленными в них фасонными полостями используются в качестве литьевых форм в технологии литья под давлением. Причем литьевые формы, изготовленные из кремния, отличаются низким износом, что является важным фактором для обеспечения размерной стабильности и точности изготавливаемых изделий.
Перспективными для формообразования полостей литьевых форм являются методы размерной электрохимической и электроэрозионной обработки. Однако эти методы недостаточно изучены, и поэтому необходимо провести исследования с целью изучения влияния электрофизикохимической обработки на точность и качество поверхности полостей литьевых форм.
Таким образом, изучение условий обработки и разработка технологии изготовления литьевых форм из кремния с применением электрофизикохимических методов обработки для производства полимерных деталей, в том числе оптических микролинз методом литья под давлением, является актуальной задачей.
Актуальность исследований подтверждается грантом на выполнение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы на тему «Разработка электрофизикохимических методов для формообразования фасонных микроэлементов и микролинз в кремнии с нанопараметрами, исключающих использование защитных и формообразующих масок» (государственный контракт № 14.740.11.0484 от 01.10.2010 г.).
Цель работы.
Целью работы является обоснование технологических схем и режимов электроэрозионного и электрохимического формообразования фасонных элементов в кремниевых заготовках без использования масок.
Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих задач:
-
Провести теоретические исследования с целью определения режимов электрохимического формообразования для достижения требуемой точности и производительности на основе математического моделирования процессов анодного растворения кремния.
-
Сделать выбор и обосновать режимы электрохимического формообразования на основе теоретического расчета функций заряжения двойного электрического слоя анода в различных точках анодной поверхности.
-
Разработать технологические схемы электрохимического и электроэрозионного формообразования элементов в кремниевых заготовках без использования масок на обрабатываемых поверхностях с обоснованием последовательности применения разработанных технологических схем.
-
Провести экспериментальные исследования электрофизикохимического формообразования для определения рациональных технологических режимов, обеспечивающих достижение требуемой шероховатости поверхностей элементов в кремниевых заготовках (Ra < 0,16 мкм) и точности (погрешность <0,02 мм).
-
Разработать экспериментальное оборудование для осуществления технологических схем электроэрозионного и электрохимического формообразования в кремниевых заготовках.
Методы исследования.
Теоретические исследования проводились с использованием основных положений электрохимии полупроводников и математического моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовалась современная измерительная и регистрирующая аппаратура (сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO P47H, профилограф – профилометр Surf Corder 1400 и др.).
Положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности влияния разности времени заряжения двойного электрического слоя анода в различных точках его поверхности на точность электрохимического формообразования.
-
Технологические схемы электроэрозионного и электрохимического формообразования фасонных элементов в кремниевых заготовках без использования масок с наложением формообразующих движений на электрод – инструмент.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния технологических режимов и сред формообразования (амплитуд и длительностей импульсов, величин межэлектродных зазоров, рабочих жидкостей и электролитов) на погрешность, производительность обработки и качество поверхности элементов в кремниевых заготовках.
-
Режимы и условия обработки, обеспечивающие достижение наношероховатости поверхности элементов в кремниевых заготовках.
Научная новизна заключается в обосновании диапазонов режимов электрохимической обработки кремния на основе расчета и сравнения функций заряжения двойного электрического слоя на границе кремний – электролит в различных точках анодной поверхности. Определено, что максимальная точность формообразования при обработке кремния достигается путем использования длительностей импульсов напряжения, меньших, чем разность времени заряжения двойного электрического слоя анода между двумя сравниваемыми межэлектродными зазорами.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
– на основе выполненных исследований разработаны технологические рекомендации для осуществления процессов электрохимического и электроэрозионного формообразования фасонных элементов в кремниевых заготовках с достижением требуемой точности и шероховатости поверхностей без использования масок на обрабатываемой поверхности;
– создано экспериментальное оборудование для осуществления процессов электрохимической и электроэрозионной обработки.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что обоснованы режимы электрохимического формообразования на основе расчетов функций заряжения двойного электрического слоя анода для зон электрохимической ячейки с различными межэлектродными зазорами.
Практическая реализация работы.
Спроектированы и изготовлены кремниевые литьевые формы для изготовления полимерных деталей, в том числе оптических микролинз, методом литья под давлением. Изготовлена экспериментальная партия оптических микролинз из поликарбоната ТУ 6-05-1668-80, ТУ 6-05-1762-81.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, ТулГУ, 2008 – 2011), на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2008 – 2011), Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2008), Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы» (Москва, МГОУ, 2008), Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2010).
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 работ в издании, входящем в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 3,75 п.л.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка используемых источников из 100 наименований, 3 приложений, общим объемом 146 страниц машинописного текста, включая 88 рисунков и 11 таблиц.
