CC BY
46
© О.Б. Сильченко, А.П. Дубинина, 2004
УДК 622.023.002.28
О.Б. Сильченко, А.П. Дубинина
КРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Семинар №20
~П настоящее время обработка сверх-
-Я-М твердых материалов, таких как алмаз, ведется за счет механического, химического, температурного и комбинированного воздействий. На последней стадии обработки - огранке, включающей в себя шлифование и полирование, основным и наиболее эффективным методом воздействия на обрабатываемый материал является механический.
При существующих способах шлифования сверхтвердых материалов с помощью специального приспособления огранщик обрабатывает кристалл, прижимая его к вращающемуся ограночному диску, шаржированному алмазным порошком. Поэтому процесс огранки контролируется только его субъективной оценкой результатов работы (размерных параметров, сходимости граней и качества обработанной поверхности). Из-за этого, как правило, качество получаемых бриллиантов оказывается нестабильным и при этом не обеспечивается повторяемость выходных параметров обработки.
Современные требования полупроводниковой промышленности, микро-наноэлек-
троники и медицины к стабильному качеству критически бездефектных выходных параметров обработанных алмазов и алмазоподобных материалов диктует необходимость автоматизации процесса обработки твердоструктурных минералов и кристаллов, которую можно обеспечить только на основе применения диагностирования параметров этого процесса. Непрерывное диагностирование параметров шлифования позволяет получить оперативную, достоверную и достаточную для последующего воздействия информацию и тем самым дает возможность обеспечить заданные параметры шлифования по геометрической форме - 0,3 мкм и оптической характеристике чистоты поверхности (Кг) менее 1 нм.
Одним из способов механической обработки твердоструктурных минералов и кристаллов
является шлифование в режиме пластичности. Технология процесса бездефектного размернорегулируемого микрошлифования анизотропных материалов с отсутствием дефектов, привнесенных технологическим процессом обработки, создана д.т.н. Сильченко О.Б. и к.т.н. Коньшиным A.C.
Суть модели пластической деформации кристалла в мезообъемах при шлифовании, предложенной и экспериментально проверенной д.т.н. Сильченко О.Б. и к.т.н. Коньшиным A.C. состоит в следующем. При внешнем упорядоченном воздействии ритмичного ПОЛЯ в виде периодических касательных напряжений в упругой обрабатывающей системе (УОС) шлифовального станка динамическому воздействию со стороны режущих зерен вращающегося инструмента подвергается обрабатываемая поверхность (ОП) на площади макромасштабного уровня. При этом в период синхронного накопления усталости преимущественно к возвратно-поворотным модам деформации формируется однослойная ячеистая структура в виде множества трехмерных мезо-объемов. Эти мезообъемы движутся в релаксационном режиме по схеме «сдвиг + материальный поворот». В конце периода синхронного накопления усталости исходная структура преобразуется в одновременно срезаемое со всей указанной площади множества из единичных пластически деформированных частичек основного кристалла с формированием при этом бездефектной структуры приповерхностного слоя.
Деформированное твердое тело является многоуровневой иерархической самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо- и макроуровни взаимосвязаны. Из экспериментов, проведенных на кристаллах алмаза, установлено, что в процессе шлифования кристалла в соответствии с принятой моделью пластичного резания воздействие на кристалл проис-
ходит на всех уровнях. На микроуровне происходит воздействие зерном режущего инструмента в точку обрабатываемой поверхности. На мезоуровне происходит раскачивание мезо-объема (0,05 мкм) при этом постепенно нарушается сдвиговая устойчивость. Срыв поверхности происходит с площади диаметром 20-25 мкм (макроуровень). Практическая реализация такой модели приводит к последовательному периодическому дискретному удалению одного слоя за другим в виде множества отдельных единичных мезообъемов в каждом таком слое с площади макромасштабного уровня.
Для формирования движущихся в релаксационном режиме мезообъемов необходимо обеспечить достаточную жесткость, высокую разрешающую способность и стабильность дискретного перемещения исполнительных органов УОС. Под руководством к.т.н. Коньшина A.C. создана такая УОС, которая реализована в станке АН12ф4.
При установившемся режиме пластичного шлифования со стационарными режимами интенсивности съема скорость врезной подачи в направлении сжимающих упругих деформаций системы равна отношению между линейными размерами мезообъемов и временем их жизни от возникновения до отрыва. Такой установившийся режим сопровождается автоколебательным характером динамической составляющей сжимающей упругой деформации обрабатывающей системы с амплитудой, равной линейному размеру мезообъема и с частотой, соответствующей времени жизни этого мезообъема.
С одной стороны математическую модель установившихся процессов шлифования, можно представить уравнением 1-ого порядка, описывающим в УОС статическую составляющую упругой деформации сжатия:
J{xa - X ) = C (1)
V вх вых / p 1.
где J - жесткость системы, Н/мкм; X, марная врезная подача, мкм; X,
сум- снятый
припуск, мкм; Ср - коэффициент пропорциональности, Н с/мкм.
Если врезная подача изменяется по закону логарифмической спирали, то решение этого уравнения имеет вид:
А. =
SoqN \T
ґ
1 - e
(2)
где Д - упругая деформация, накапливаемая в упругой обрабатывающей системе, мкм; § -
исходная врезная подача, мкм; q -знаменатель затухания врезной подачи по закону геометрической прогрессии; N - количество проходов; Т - время одного прохода, с; Т- постоянная времени переходных процессов, с.
С другой стороны, процесс пластического микрошлифования носит автоколебательный характер. Движение каждой (конкретной) УОС в динамике под действием периодической импульсной нагрузки подчинено закону, который приближенно может быть описан нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка Ван-дер-Поля.
Для идентифицикации в реальном масштабе времени как статических (характеризующие выходные размерные параметры), так и динамических (характеризующие шероховатость обрабатываемой поверхности) параметров
процесса пластической деформации в мезообъ-емах ОП кристалла было предложено использовать тестовые методы диагностирования этих параметров и, тем самым, контролировать фактические параметры процесса шлифования.
Применение тестовых методов в условиях автоматизированной огранки алмазов в бриллианты дает возможность не только диагностировать, но и прогнозировать состояние параметров резания путем математического анализа средствами персонального компьютера в системе числового программного управления (ЧПУ) станка взаимосвязи выходных параметров системы резания, как ответной реакции управления ее входными параметрами. При этом в качестве регулирующего воздействия используется интенсивность удаления припуска по определенному алгоритму, обеспечивающему получение заданных выходных параметров. Основным параметром для диагностирования процесса шлифования в математической модели обработки рассматривается постоянная времени переходных процессов резания в УОС.
Постоянная времени переходных процессов резания Тп характеризует поведение УОС как в статике, так и в динамике. Поэтому, идентифицируя постоянную времени, в любой момент можно контролировать фактические выходные параметры обработки (размер и шероховатость) в реальном масштабе времени. Для этого непрерывно находят интервал времени до начала соответствия этих законов, который про-
порционален величине статической составляющей упругой деформации УОС.
Указанный интервал времени определяют в установившемся режиме обработки вычислениями из соотношения:
РЯ * fф
(3)
где Тф - интервал времени до начала соответствия фактического закона интенсивности съема заданному закону в упругой обрабатывающей системе (постоянная времени переходных процессов резания), с; Рс - статическая составляющая силы резания, непосредственно измеренная в установившемся режиме обработки, Н; Рд -динамическая составляющая силы резания, непосредственно измеренная в установившемся режиме обработки, Н; Гф-частота динамической составляющей силы резания, непосредственно измеренная в установившемся режиме обработки^"1.
Определяя из соотношения (3) фактическую постоянную времени переходных процессов резания Тф и подставляя это значение в уравнение (2) вычисляют статическую составляющую упругой деформации в установившемся режиме обработки.
На основе найденных в каждый момент времени обработки значений Тф и Дф непрерывно контролируют фактическую динамическую составляющую упругих деформаций в УОС путем соответствующих вычислительных операций из уравнения:
лЛ=-
где Тф - фактическая величина постоянной времени, сек; Дф - фактическая величина статической составляющей упругой деформаций в обрабатывающей системе, мкм; Хф - фактическая величина динамической составляющей упругой деформации в обрабатывающей системе, мкм; іф - фактическая частота автоколебаний динамической составляющей А,ф УОС, сек"1.
Система уравнений (2), (3) и (4) непрерывно в реальном времени анализируется численными методами в устройстве ЧПУ (на базе персонального компьютера) шлифовального станка путем соответствующей переработки информации об упругих деформациях в обрабатывающей системе, поступающей с пьезоэлектрических датчиков. Это позволяет постоянно диагностировать и контролировать основные технологические параметры бездефектного шлифования автономно на каждом отдельном изделии в процессе их одновременной групповой обработки.
В соответствии с принятой моделью физической мезомеханики в результате применения диагностирования параметров огранки при автоматизации выбора рациональных режимов обработки возможна обработка алмазов в твердом направлении. При этом получаются обработанные поверхности высокого качества. Это делает возможным применение алмазов, обработанных в твердом направлении, в качестве подложек для сверхбольших интегральных схем в микроэлектронике, а также позволяет создавать оригинальные виды огранки, а также разработать и создать технологию групповой огранки алмазного сырья малых фракций, что существенно повысит рентабельность ограночных производств.
Тф • /ф
(4)
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------
Силъченко О.Б. - доктор, технических наук,
Дубинина А.П. - аспирантка,
кафедра «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет.
