CC BY
37
NÄIEiAD: 14 :
|№ёА1 iA NEhicEöiä "iÄÄÄEß ÄiDißEA - 99" |
, IÄÄO, 25.01.99 - 29.01.99
I
fö■ О.Б. Сильченко,
. ^ А.С. Коньшин, 2000.
і
ГО
OAE 679.8:553.81:662
О.Б. Сильченко, А.С. Коньшин МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БЕЗДЕФЕКТНО-
РЕЗАНИЯ АЛМАЗОВ НА ПРИНЦИПАХ ФИЗИЧЕСКОЙ МЕЗОМЕХАНИКИ
Научно-технический продукт (НТП), создаваемый в настоящее время коллективом ученых и специалистов МГГУ, АОЗТ “Анкон”, НИИ “НЦ”, представляет собой принципиально новую технологию, сущность которой состоит в самонастраивающемся компьютерном управлении при реализации модели физической мезомеханики дискретного пластичного и размерно-регулириуемого микрорезания твердо структурных кристаллов и минералов (алмазов) на основе информации об упругих деформациях в обрабатывающей системе (1). Назначение этой технологии состоит в совмещении шлифования и микрошлифования при автоматическом обеспечении высокой размерной точности и оптических характеристик чистоты на сложно профильных поверхностях при отсутствии дефектов в приповерхностном слое. Областью применения является гибко автоматизированная с воспроизводимыми результатами машинная обработка минерального сырья и алмазов при производстве с приемлемой стоимостью принципиально новых и уникальных по качеству микроэлектронных, медицинских и ювелирных изделий.
В основе проводимых в настоящее время работ лежат как результаты 3-х летней промышленной эксплуатации 3-х координатного суперпрецизионно-го станочного модуля с ЧПУ (2) при серийном производстве видеоголовок из твердо структурной керамики, так и результаты экспериментальных научных исследований (3) технологии
обработки различного вида микроэлектронных материалов и компакт-алмазов, осуществленных на этом станочном модуле. Ранее проведенные исследования дали следующие результаты.
• Установлены условия резания при микрошлифовании, обеспечивающие получение оптического класса чистоты поверхности.
• Определена модель управления размерной настройкой упругой обрабатывающей системы (ООС) в процессе пластичного микрошлифования сложно профильных изделий.
• Установлен метод идентификации зависимости между режимами резания, размерными и силовыми параметрами процесса пластичного микрошлифования в реальном времени, реализованный в форме алгоритмов предварительного выбора режимов управления процессом обработки с использованием ЧПУ.
• Установлен факт возможности устойчивого осуществления в УОС размерно-регулируемого бездефектного микрошлифования производящей инструментальной поверхностью (ПИП) со связанными режущими (алмазными) зернами твердо структурных минералов и алмазов в том случае, если дискретный процесс стружкообразо-вания в виде единичных пластически деформированных стружек сопровождается автоколебаниями динамической составляющей упругих деформаций обрабатывающей системы, причем амплитуда таких колебаний соизмерима с высотой микро неровностей R на обработанной поверхности (ОП), а величина статической составляю-
щей упругих деформаций в каждой точке касания каждого режущего зерна ПИП с ОП не превышает предела упругости обрабатывающей системы в целом (т.е. удельное напряжение сжатия в этих точках касания не превышает предела прочности как связки на ПИП, так и на ОП).
Основным результатом ранее проведенных исследований и промышленных испытаний является доказательство на практике возможности перехода сверхтонкой обработки сложных изделий из области искусства оператора в область машинного автоматизированного производства на основе осуществления размернорегулируемого микрошлифования на суперпецизионных станочных модулях с ЧПУ.
Достигнутый научно-технический потенциал и приоритет России (НОУ-ХАУ), отражающий на пять лет мировой уровень в осуществлении бездефектного размерно-регули-руемого микрошлифования твердо структурных с анизотропными механическими характеристиками микроэлектронных монокристаллов и материалов, впервые позволили перейти к созданию принципиально нового научного направления путем углубления и расширения достигнутого потенциала на область высококачественного размер-но-регулируе-мого микрошлифования неоднородных твердо структурных минералов (алмазов) при групповой обработке одновременно нескольких однотипных наукоемких и высокотехнологичных изделий с минимизацией весовых потерь в каждом отдельно обработанном изделии в условиях гибко автоматизированного машинного производства таких изделий на основе компьютерных технологий и семейства супер-прецизионных станочных модулей с интеллектуальными системами ЧПУ.
Актуальность постановки такой задачи, разработки и освоения нового научного направления (не позднее 2000 г.) обусловлена реальной возможностью в период до 2005 года путем технического перевооружения гранильных предприятий России (в первую очередь Московского, Смоленского и Барнаульского заводов “Крис-талл”) увеличить в три раза объемы перерабатываемого алмазного сырья на существующих производственных площадях этих предприятий без снижения численности персонала за счет соответствующего внедрения
в производство не менее 116 единиц таких станочных модулей с ЧПУ с целью расширения выхода этих предприятий на мировой рынок с принципиально новой наукоемкой продукцией. Отсутствие конкурентов в указанной период позволит Российским гранильным предприятиям увеличить с 0,5 до 2,0 млрд. USD ежегодные объемы реализации на Мировой рынок продукцией, произведенной только из Российских алмазов.
Оценка создаваемого научнотехнического продукта
Создаваемый НТП представляет собой принципиально новое системное решение. Новые качества НТП определяются тем обстоятельством, что объектом оперативного (в реальном масштабе времени обработки) управления является упругая обрабатывающая система прецизионного шлифовального станка с ЧПУ и ее поведение в функциональной взаимосвязи:
• с приводами координатных перемещений исполнительных органов станка;
• с вращением производящей инструментальной поверхности;
• с многоканальной цифровой системой оперативного контроля;
• с многоканальный цифровым пьезоэлектрическим приводом.
При этом (впервые в мировой практике) реализуется комплекс функционально взаимосвязанных математических моделей и соответствующих им технологических алгоритмов управления в реальном времени процессом бездефектного макрорезания твердоструктурных с анизотропными механическими характеристиками и неоднородных минералов (алмазов) в упругой обрабатывающей системе.
Упомянутый выше комплекс содержит:
• математическую модель, описывающую процесс дискретного струж-кообразования в виде единых пластически деформированных стружек при размернорегулируемом микрошлифование минералов (алмазов) в упругой обрабатывающей системе, отличающаяся тем, что она позволяет в реальном масштабе времени оперативно формировать управляющую программу режимов интенсивного бездефектного съема в каждой точке касания режущего зерна ПИП с ОП и при этом
учитывать фактическое состояние режущей способности инструмента, величины исходного припуска, упругие и температурные деформации, высоту микронеровностей Кг на обработанной поверхности в условиях, не превышающих предел упругой в обрабатывающей системе;
• закономерности, позволяющие на предварительной стадии обработки в режиме автоматизированного эксперимента определить область режимов интенсивности бездефектного съема в конкретной УОС, не выходя за пределы заданных значений высоты микронеровностей Кг на ОП и пределы упругой в обрабатывающей системе;
• закономерности, позволящие в реальном масштабе времени обработки идентифицировать фактическое состояние режущей способности инструмента в конкретной обрабатывающей системе;
• математическую модель завершения процесса формирования отдельной поверхности (грани) методом “следа” с заданной высотой микронеровностей Кг на ОП в конкретной УОС;
• метод оперативного формирования управляющей программы бездефектной обработки автономно в каждой из, по меньшей мере, двух одновременно функционирующих УОС в условиях минимизации весовых потерь дифференцированно в каждом отдельно обработанном изделии.
Функциональная взаимосвязь всего вышеупомянутого комплекса математических моделей и соответствующих им технологических алгоритмов управления обусловлена реализацией в каждой из них принципиально новой модели физической мезомеханики пластического деформирования твердого тела с самонастраивающимся компьютерным управлением динамикой его нагружения в процессе микрорезания со стороны воздействия внешних импульсных микроконцентраторов касательных напряжений от режущих зерен ПИП на ОП на основе текущей (оперативной) информации о статической и динамической составляющих упругой деформации сжатия в обрабатывающей системе для образования диссипативной структуры в приповерхностном слое только вследствие синхронного накопления усталости к знакопеременным возвратноповоротным модам пластической деформации с одновременной потерей сдвиговой устойчивости в момент
удаления каждой отдельной и всего множества единичных пластически деформированных стружек с ОП твердого тела, с линейными размерами каждой такой единичной стружки, не превышающей заданную высоту микронеровностей Кг на этой поверхности численно равной амплитуде колебаний динамической составляющей упругой деформации. Причем сумма статической и динамической составляющих упругой деформации сжатия не превышает пределы упругости в обрабатывающей системе. Такое решение позволяет автоматически обеспечить стабилизацию на заданном уровне выходных качественных показателей (результатов) обработки, более чем в десять раз повысить производительность обработки и полностью исключить из процесса резания субъективное влияние уровня подготовленности и квалификации оператора. Это обстоятельство впервые в мировой практике позволяет осуществить гибкую автоматизированную обработку широкого ассортимента по размерам и форме минерального, в том числе и алмазного сырья, например, в бриллианты на базе компьютерных технологий.
Модель процесса дискретного образования единичных пластически деформированных стружек
Зафиксированный результатами экспериментальных научных исследований (3) факт сопровождения автоколебаниями динамической составляющей упругих деформаций обрабатывающей системы в установившемся процессе дискретного образований единичных пластически деформированных стружек теоретически может быть обоснован с позиций новой науки “физическая мезмеханика материалов” (4). В основе этой науки лежит новая парадигма - концепция структурных уровней деформации твердых тел.
Экспериментально и теоретически было обосновано, что рассматриваемый на микро уровне сдвиг как элементарный акт пластического течения на самом деле сопровождается поворотными модами деформации на более высоком мезоскотическом масштабном уровне. Поворотные моды вовлекают в самосогласованную деформацию всю иерархию структурных уровней нагруженной среды. Нагруженный материал в ходе пластического течения формирует на мезо-
уровне диссипативные структуры, способные осуществлять пластическую деформацию по схеме “сдвиг + поворот”. Деформируемое твердое тело является таким образом, многоуровневой иерархически самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо - и макроуровни органически взаимосвязаны. Причем на мезмаш-табном уровне носителями пластического течения являются трехмерные структурные элементы (мезообъемы).
В последние годы проблема сдвиговой устойчивости деформируемого структурно неоднородного кристалла стали уделять большое внимание. Из большого числа работ представляются особенно ценными работы Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Панин В.Е.), т.к. они позволяют наиболее достоверно объяснить физику процесса размерного пластичного микрошлифования твердо структурных и хрупких материалов и минералов (алмазов). Физической основой модели пластического микрошлифования является представление том, что вследствие специального внешнего импульсного воздействия концентратора касательных напряжений микромасштабного уровня в кристалле возникают сильные статические смещения атомов из узлов кристаллической решетки. Эти смещения проводят в локальной зоне импульсного действия градиента внешнего микроконцентратора касательного напряжения в сильно возмущенное состояние обрабатываемую поверхность кристалла. В этих условиях, далеких от основного состояния кристаллической решетки, наряду со структурным состоянием исходного кристалла в пространстве между узлами появляются новые разрешенные структурные состояния, заложенные в электронно-энергетическом спектре кристалла.
В кристалле возникают новые степени свободы. В локальной зоне кристалла происходит суперпозиция нескольких структур, при этом число атомов соответствует только одной структуре. В связи с этим появляются виртуальные вакансии, не связанные с основными узлами решетки. В этих условиях возникают коллективные возбуждения, отмечающие нагруженные структуры кристалла от ненагру-женных. Устойчивость таких коллективных возбуждений поддерживается внешним импульсным воздействием
микро концентратора касательных напряжений.
Распад такого коллективного возбуждения, связанного с микро масштабным уровнем действия внешнего импульсного микро концентратора касательных напряжений, раздает деформационные дислокации. Эстафетные движения этих деформационных дефектов (ансамбля дислокаций) происходят через разрешенные состояние в междоузлиях основной кристаллической решетки, что обеспечивает их высокую подвижность. Согласно этой модели в каждой точке деформируемого объема в каждый данные момент времени импульсного действия внешнего микро концентратора касательного напряжения (направ-ление вектора максимального касательного напряжения которого в общем случае не параллельно осям кристаллографической решетки) ансамбль дефектов эстафетно сдвигается только по одной системе плоскостей скольжения, близко соответствующей направлению вектора максимального касательного напряжения. При этом, эстафетный периодический (трансляционный) выход дислокаций из их плоскостей скольжения в некотором трехмерном объеме с дислокационной структурой вызывают кооперативное периодическое смещение всего ансамбля движущихся дефектов, сопровождаемое материальным поворотом трехмерного объема дислокационной структуры мезо-масштабного уровня.
Это обуславливает появление на границах структурного трехмерного объема (элемента) моментных напряжений, действующих на структурный элемент со стороны окружения. Моментные напряжения вызывают появление поворотные мод деформации. Трехмерные структурные элементы начинают двигаться по схеме “сдвиг+поворот” как целое в режиме релаксационных колебаний, потпитывая трансляцию и кристаллографический поворот. Появляется поле поворотных моментов, которое обуславливает поворотные моды деформации и внутри структурных элементов, в том числе:
• выход дислокаций из их плоскостей скольжения и постепенное формирование разориентированной ячеистой структуры;
• постепенное вовлечение других систем плоскостей скольжения дис-
локаций, которые образуют вихрь материальных поворотов ячеистых субструктур;
• образование поля в виде множества дислокационных деталей, в которых спаренные дислокационные скопления имеют материальные ре-лаксирующие повороты противоположного знака.
Органическая взаимосвязь сдвигов и соответствующих поворотов трехмерных структурных элементов приводит к тому, что под воздействием внешних импульсных концентраторов касательных напряжений микро масштабного уровня пластическая деформация не способна развиваться только на микро масштабном уровне, а сопровождающие сдвиги поворотные моды вовлекают в пластическую деформацию уже мезо-мас-штабный уровень нагруженной поверхности кристалла и, постепенно, в ходе дальнейшей пластической деформации происходит непрерывно возрастающая раз ориентация ячеек, которая достигает при больших степенях деформации нескольких десятков градусов.
Принципиально новым качеством в движении трехмерных дислокационных ячеек по схеме “сдвиг+поворот” является возможность непрерывно генерации в ходе пластической деформации новых (внутренних) локальных концентраторов напряжений и связанных с ними источников движения деформационных дефектов. Поскольку в общем случае трехмерные дислокационные ячейки (мезообъемы) не являются равноосными, на их границах при поворотах возникают зоны стесненной деформации и, соответственно, возникают новые концентраторы напряжений. Другими словами, кристаллографические сдвиги внутри трехмерной ячейки, релак-сируя колебания в режиме затухания одних (внешних) микро концентраторов касательных напряжений, приводит к генерации на границах трехмерных ячеек новых (внутренних) концентраторов напряжения.
При этом на границах трехмерных мезообъемов исходная дислокационная структура в каждой из таких поворотно колеблющихся ячеек постепенно кинетически превращается в диссапетивную суб-
структура, полностью потерявшую свою сдвиговую устойчивость к поворотным деформациям.
Задаваемые выходные оптические параметры чистоты на окончательно обработанной поверхности (высота микро неровностей Кг) при отсутствии дефектов в приповерхностном слое соизмеримы с параметрами фундаментальной характеристикой этой поверхности обрабатываемого кристалла, которая в соответствии с теорией физической мезомеханики определяет собой минимально возможные линейные размеры единичных мезообъемов ячеистой субструктуры приповерхностного слоя (0,01...0,1 мкм в зависимости от кристалла), и которая зависит только от параметров кристаллической решетки модуля сдвига и от так называемого напряжения не дислокационной природы (т.е. напряжения, которое необходимо создать в идеальном кристалле для того, чтобы начать эстафетное движение прямолинейной дислокации).
Поэтому упомянутый параметр фундаментальной характеристики приповерхностного слоя конкретно обрабатываемого кристалла может определять собой и предельные минимальные размеры пластически деформируемого (вследствие внешнего импульсного воздействия режущих зерен ПИП) слоя поверхности кристалла на первом мезо-масштабном уровне (0,03.0,05 мкм) при формировании только знакопеременными поворотными модами деформации по схеме “сдвиг+поворот” фрагментированной ячеистой структуры в виде множества отдельных трехмерных ячеек (мезообъемов) с размерами, равными размерам упомянутого параметрами фундаментальной характеристики.
В процессе микро резания вследствие релаксирующих друг относительно друга упомянутых трехмерных ячеек (мезообъемов) в субструктурах на границах этих
ячеек постепенно накапливается усталость к возвратно-поворот-ным модам деформации, и они преобразуются из дислокационных диссипативные. В момент одновременной потери сдвиговой устойчивости в упомянутых диссипативных субструктурах в зоне градиента действия внешнего импульсного микро концентратора касательного напряжения с поверхности с площадью макромасштабного уровня уделяется множество упомянутых трехмерных ячеек (мезообъемов) в виде множества единичных пластичных деформированных стружек. При этом структура приповерхностного слоя обрабатываемой поверхности кристалла является диссипативной, а ее шероховатость Кг соизмерима линейным размерам единичной трехмерной ячейки (мезообъема).
Наличие колебательно-
релаксационного характера движения в процессе постепенного формирования диссипативной субструктуры на границах каждой отдельной трехмерной ячейки (мезо-объема) по схеме “сдвиг+по-ворот” с одновременной самоорганизацией знакопеременными поворотными модами деформации множества подобных колебательно-
релаксирующих соседних трехмерных ячеек в локальной зоне действия градиента внешнего импульсного микро концентратора касательных напряжений позволяет осуществить процесс размернорегулируемого пластичного микро резания специальным подбором параметров и режимов воздействия внешних микро концентраторов только на основе использования эффекта накопления усталости от знакопеременных поворотных мод деформации упомянутых трехмерных ячеек (мезообъемов) друг относительно друга и относительно обрабатываемой поверхности с образованием диссипативной субструктуры на границах упомянутых ячеек, не выходя за пределы первого
мезо-масштабного уровня пластически деформируемой поверхности кристалла.
Путем установления в упругой обрабатывающей системе специального технологического алгоритма управления бездефектным микрошлифованием со стационарными режимами интенсивности съема, при котором скорость врезной подачи в направлении сжимающих упругих деформаций системы равна отношению между линейными размерами упомянутых трехмерных структурных ячеек (мезообъемов) и временем жизни этих ячеек (равного времени преобразования граничной субструктуры ячеек из дислокационной в диссипативную) и при этом имеет место автоколебательный характер динамической составляющей сжимающей упругой деформации обрабатывающей системы с амплитудой, равной линейному размеру единичной ячейки (ме-зообъема), и частотой, соответствующей времени жизни этой ячейки, то по наличию этих автоколебаний впервые появляется возможность идентифицировать (т.е. использовать в качестве обратной связи при компьютерном управлении) дискретный процесс съема припуска в пределах первого мезо-масштабного уровня пластической деформации обрабатываемой поверхности кристалла с образованием множества единичных пластически деформированных стружек только в результате накопления усталости на границах упомянутых мезообъемов к возвратноповоротным модам деформации. Такой режим с компьютерным управлением динамического напряжения УОС позволяет обеспечить заданные выходные параметры обработки, как по точности размеров и оптическим характеристикам чистоты поверхности Яг, так и по бездефектному качеству приповерхностного слоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коньшин А.С., Сильченко О.Б. “Способ микрошлифования изделеий из твердоструктурных материалов, устройство для его осуществления и приспособления для крепления изделий в этом устройстве”, положительное решение Роспатента по заявке на изобретение 1999 г.
3. Бобрин В.И., Коньшин А.С. “Способ микрошлифования плоских поверхностей и устройств для его осуществления” Патент РФ № RU2035287 С1.
2. Сильченко О.Б. “Разработка метода и требований к оборудованию для бездефектного (пластичного) размерного
резания хрупких материалов” Диссертация на соискание 4. Панин В.Е. “Современные проблемы пластичности и
ученой степени, к.т.н., ЭНИМС, М. 1995 г. прочности твердых тел”, журнал “Известия высших учебных
заведений. Физика” № 1 1998 г., с.7-34
V7
\сёи:а1с1 1льга Борисовна сшпсааб оа^ё апеС'о шбс, а^ч’жЪио ёабааЛй «Оабпешёу
о6а1'шап6аа1'1'1'ё ¡аМакк'ё маЛаёт», ПпСчапеёе ГиТюпа^)аат1е анМйс б1'сааЛпС'оао.
Коньшин Анатолий Сергеевич — кандидш юхнических наук, президеш АОЗТ «Анкон».
'У
