Введение к работе
Актуальность работы.
Лейкосапфир благодаря своим физико-механическим и химическим
свойствам находит все большее применение для изделий машиностроения,
приборостроения, микро-наноэлектроники, медицины и других
технологических изделий в области нанотехнологий. Продукция из
лейкосапфира приходит на смену изделиям из кварца, керамики, стекла. Рынок изделий из лейкосапфира ежегодно растет на 15-20%, а рост рынка полированных подложек превышает 25%. Такая тенденция прогнозируется на 5-7 лет.
Обработка заготовок из лейкосапфира имеет особенности, связанные с его физическими свойствами - твердостью, анизотропией, наличием включений и другими. В настоящее время традиционным способом обработки заготовок из лейкосапфира является механическое шлифование свободным и связанным абразивом. В результате такой обработки получается поверхность с шероховатостью Ra около 0,2 мкм. Для уменьшения шероховатости и дефектов, связанных с обработкой, заготовка полируется и подвергается травлению в агрессивных средах.
Перспективным способом получения высококачественной поверхности заготовок из лейкосапфира с нанометроой шероховатостью поверхности является шлифование заготовок в режиме квазипластичности. Квазипластичность - проявление пластичных свойств поверхностным слоем твердых хрупких материалов при обработке.
Технология квазипластичной обработки твердых материалов основана на обеспечении механического воздействия на обрабатываемую поверхность (ОП) материала при глубине шлифования, составляющей доли мкм. При этом поверхностный слой (ПС) хрупких твердых материалов проявляет пластичные свойства и преобладающим механизмом становится не хрупкое разрушение, а квазипластичное удаление припуска с формированием поверхности нанометровой шероховатости и с минимальными дефектами (не более 50 нм), внесенными процессом обработки. Квазипластичное удаление припуска происходит при данных глубинах резания под воздействием контактного взаимодействия зерен шлифовального круга (ШК) с ОП, создающего периодическое переменное механическое поле.
Способ шлифования в режиме квазипластичности является перспективным для автоматизации и серийного изготовления деталей из лейкосапфира с высококачественной поверхностью, востребованных в области нанотехнологий в машино- и приборостроении, микроэлектронике, оптике, энергетике, медицине и многих других отраслях промышленности.
4 Существенное влияние на процесс квазипластичной обработки оказывают тепловые факторы. Отсутствие исследований влияния тепловых процессов на обработку заготовок из лейкосапфира, учитывающих их физико-механические свойства, приводит к существенным погрешностям при назначении режимов обработки и их изменении в процессе обработки. Это в свою очередь приводит к браку деталей и не позволяет повысить производительность процесса обработки.
Исходя из вышеизложенного актуальной задачей является усовершенствование технологического процесса прецизионной обработки и оборудования для серийного производства деталей из лейкосапфира с нанометровой шероховатостью.
Цель работы - повышение эффективности технологического процесса прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира с получением нанометровой шероховатости поверхности и отсутствием микротрещин.
Методика исследований.
Теоретические исследования базируются на основах технологии машиностроения, теории технической диагностики, теории автоматического управления, теории точности металлорежущих станков, физики твердого тела, физической мезомеханики; теории дислокаций; основных положениях термодинамики. Экспериментальные исследования проводились на станочном модуле с числовым программным управлением (ЧПУ) с использованием методов визуализации температурных полей термографом ИРТИС -2000 и точных методов контроля нанометровой шероховатости оптическим интерферометром белого света Zygo (New Vew 5000).
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Разработанная модель процесса квазипластичного удаления припуска при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира, предполагающая расход основной энергии шлифования в снимаемом припуске и низкий коэффициент нестационарного теплообмена между снимаемым припуском и поверхностью заготовки.
-
Установленные теоретические и экспериментальные зависимости температуры поверхности заготовок из лейкосапфира от технологических условий обработки при прецизионном шлифовании.
-
Предложенный термический критерий выбора режима обработки заготовок из лейкосапфира, характеризующий энергетическое состояние поверхности. Введение этого критерия в систему существующих критериев квазипластичного шлифования позволяет более точно выбрать режимы обработки.
-
Обоснованные режимы квазипластичной обработки заготовок из лейкосапфира и параметры станочного модуля АН15ф4 (глубина резания,
время нахождения заготовок под ШК и их воздушного охлаждения, допустимый интервал температур) для получения обрабатываемой поверхности нанометровой шероховатости и отсутствием микротрещин. Научная новизна работы
-
Впервые предложена модель процесса квазипластичного удаления припуска при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира, предполагающая расход основной энергии шлифования в снимаемом припуске и низкий коэффициент нестационарного теплообмена между снимаемым припуском и поверхностью.
-
Впервые предложен термический критерий выбора режима обработки заготовок из лейкосапфира, характеризующий энергетическое состояние поверхности.
-
Уточнена область допустимых значений силовых и скоростных технологических параметров квазипластичной обработки заготовок из лейкосапфира.
-
Впервые установлена комплексная зависимость, отражающая взаимосвязь отношения тангенсальной и нормальной составляющих силы резания, глубины резания и температуры нагрева поверхности заготовкок из лейкосапфира при квазипластичной обработке.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов обработки заготовок из лейкосапфира, применение которых позволяют получить поверхности нанометровой шероховатости и исключить появление микотрещин в процессе обработки.
-
Составлены алгоритмы для управления в автоматическом режиме процессом обработки плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира с получением нанометрового рельефа.
-
Разработана методика непрерывного контроля шероховатости поверхности заготовок из лейкосапфира в процессе обработки, применение которой позволяет получать обработанные поверхности заготовок заданной шероховатости.
-
Экспериментально уточнены параметры (начальная глубина резания, скорость вращения ШК, скорость продольной подачи стола станочного модуля, соотношение времени обработки и времени пассивного воздушного охлаждения), алгоритмы назначения начальных режимов резания и зависимости их изменения в процессе обработки при шлифовании заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности с учетом влияния тепловых процессов, сопровождающих процесс обработки, и уточнены технические требования к оборудованию (серийного выпуска) для прецизионной поверхностной обработки твердых хрупких материалов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- применением фундаментальных научно обоснованных 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;
описанием реального процесса обработки и соответствием предложенного математического описания положениям термодинамики (разделов тепломассопереноса, термического хрупкого разрушения), физики твердого тела, физической мезомеханики;
представительным объемом экспериментальных исследований на образцах лейкосапфира;
соответствием (с погрешностью не более 5%) расчетных и измеренных температур обрабатываемых заготовок из лейкосапфира;
использованием современных аттестованных контрольно-измерительных приборов и оборудования, а также аттестованных методик измерения;
- высоким качеством поверхности (с шероховатостью до 2 нм), полученным
при обработке заготовок из лейкосапфира, в соответствии с принятыми
рекомендациями по выбору рациональных режимов механической обработки
плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в виде:
алгоритма управления процессом прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира, используемого для станочного модуля с ЧПУ на предприятии «Анкон-Е.М.»;
рекомендаций по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности, применение которых на предприятии «Анкон-Е.М.» позволило получить стабильно воспроизводимые результаты поверхностной обработки заготовок из лейкосапфира с получением нанометрового рельефа поверхности (Ra = 2-10 тл), и уточнения технических требований к оборудованию для серийной прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира;
части лекционного курса дисциплины «Технология гранильного производства», используемой в учебном процессе.
Результаты исследования могут быть применены: в машиностроении и приборостроении - для обработки лейкосапфировых приборных смотровых
окон и иллюминаторов, окон сканеров; в микроэлектронике - для изготовления подложек; в медицине - для изготовления точных приборов и инструментов из лейкосапфира, и в других отраслях промышленности.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались:
на научных симпозиумах «Неделя горняка», Москва, МТУ, 2005 , 2010 -2012гг.;
Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 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.;
Международном симпозиуме «Sympozjon Modelirowanie w mechanice», Wisla, 2010г.;
VI международный симпозиум «Механика материалов и конструкций» Польша, Авустов, 2011 г.;
Научных семинарах кафедры ТХОМ МГГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 5 - в журналах из перечня ВАК РФ, рекомендованных: для опубликования результатов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, приложений. Материалы диссертации представлены на 165 страницах текста, содержат 20 таблиц, 37 рисунков, библиографического списока использованных источников из 117 наименований.
