Разработка алгоритма контроля качества поверхности при размерно-регулируемом микрошлифовании Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Т.Б. Теплова, А.М. Могирев

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ РАЗМЕРНО-РЕГУЛИРУЕМОМ МИКРОШЛИФОВАНИИ

!>сё большее применение алмазы и другие алмазоподобные твердые материалы находят в промышленности.

При применении кристаллов твердых материалов большое значение имеет точность размерных параметров и качество поверхностного и подповерхностного слоев. Отклонения размеров приводят к отклонениям технических характеристик и к потере работоспособности приборов.

В настоящее время обработка алмазов ведется за счет механического, химического, температурного и комбинированного воздействий. На последней стадии обработки алмаза - огранке алмаза в бриллиант, включающей в себя шлифование и полирование, основным и наиболее эффективным методом воздействия на алмаз является механический.

При существующих способах шлифования алмазов с помощью специального приспособления огранщик прижимает кристалл к вращающемуся ограночному диску, шаржированному алмазным порошком. При этом он руководствуется только своими органами чувств, с субъективным диагностированием процесса огранки (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 (рис. 1).

Неуклонное совершенствование микроэлектронных приборов сократило минимальные размеры элементов до субмикронных величин, а плотность их упаковки на подложке на несколько порядков. Очевидно, что такое резкое уменьшение размеров элементов и увеличение плотности их компоновки диктует необходимость изготовления изделий большими партиями со стабильными выходными параметрами.

Рис. 1. Образцы поликристаллического алмаза до обработки

В связи с этим необходимо осуществить автоматизацию процесса микрошлифования поверхностей изделий из твердых хрупких материалов.

В настоящее время под руководством к.т.н. Коньшина А.С. создан многокоординатный станочный модуль с числовым программным управлением (ЧПУ) на основе использования компьютерного управления технологией бездефектного размерно - регулируемого шлифования (рис. 2). При этом преобладающим механизмом становится не хрупкое разрушение, а квазипластическое течение. При таком шлифовании в режиме квазипластичности (шлифования в мезообъемах) хрупких материалов получается поверхность примерно с такими же характеристиками, как после полирования или притирки, что позволяет получить высокотехнологичные изделия. В зависимости от цели применения обработанного алмаза могут быть использованы различные технологические приемы и режимы шлифования.

Технология реализует уникальный способ микрорезания связанными алмазными режущими зёрнами на станочных модулях с ЧПУ. Технология обеспечивает размерную точность (0.1 мкм) и оптические характеристики чистоты (Я^ = 0.032 мкм), а также полное исключение дефектов от процесса микрорезания на поверхностном и подповерхностном слоях, в результате обработки изделий из анизотропных твёрдоструктурных минералов, натуральных алмазов, или из других микроэлектронных материалов.

Рис. 2

Основными преимуществами станка являются самонастраивающееся компьютерное управление режимами резаний (рис. 3), бездефектное микрорезание в любом направлении и независимость результатов обработки от влияния уровня квалификации обслуживающего персонала (оператора, технолога-программиста).

Обеспечивает автоматизированное производство:

• лейкосапфировых пластин (годовой производительностью 15-103 штук) с размерами (диаметр х высота, мм) до 76.2х0.45 с точностью геометрической формы в пределах 0.1 мкм и оптическими характеристиками чистоты Я^<1нм;

• бриллиантов (мелкими, средними или крупными сериями) за счёт осуществления одновременной групповой обработки алмазного сырья.

В.Е. Паниным установлено, что физическая основа модели квазипластической деформации в мезообъемах состоит в том, что в результате внешнего воздействия периодических касательных напряжений в кристалле возникают сильные статические смещения атомов из узлов кристаллической решетки.

Рис. З

Рис.4. Образцы поликристаллического алмаза после обработки

Согласно этой модели в каждой точке деформируемого объема ансамбль дефектов эстафетно сдвигается только по одной системе плоскостей скольжения, близко соответствующей направлению максимальных касательных напряжений.

На основе принципов физической мезомеханики д.т.н. Силь-ченко О.Б. и к.т.н. Коньшиным А.С. создана технология процесса размерно-регулируемого микрошлифования анизотропных материалов с отсутствием дефектов, привнесенных технологическим процессом обработки (2) (рис. 3 и 4).

Автоматизация такой критической технологии возможна только на основе постоянного контроля параметров квазипластичного шлифования.

В результате исследований механизма разрушения поверхностного слоя при шлифовании на основе физической мезомеханики стало возможным реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, более детально анализировать и учитывать основные физические процессы квазипластичного микрошлифования алмазов, моделировать бездефектность протекания этих процессов.

Известные методы выбора режимов обработки основаны на эмпирических зависимостях. Эти зависимости получены из соответствующих экспериментальных исследований в конкретных условиях обработки, в которых параметры и характеристики упругой обрабатывающей системы, режущего инструмента и обрабатываемого материала являются величинами постоянными, не зависящи-

ми от фактического состояния этих параметров в процессе резания. При огранке алмаза в бриллиант параметры процесса микрошлифования в значительной степени зависят от фактических анизотропных характеристик поверхности, подвергаемой обработке в каждый момент времени. По этой причине исключается возможность использования предварительно полученных приближенных эмпирических зависимостей между параметрами резания для выбора рациональных режимов обработки, т.к. эти зависимости не отражают фактического состояния этих параметров. Использование таких эмпирических зависимостей при микрошлифовании алмаза может привести к возникновению дефектов в связи с выходом процесса обработки из области пластичного резания в область хрупкого разрушения.

Существующие попытки математически увязать статические и динамические параметры процессов деформаций, идущих на разных масштабных уровнях, носят грубое приближение, которое не может быть использовано для управления режимами прецизионной размерно-регулируемой бездефектной обработки. Отсутствие приборов активного контроля не позволяет непосредственно комплексно измерить выходные параметры такой обработки.

Для диагностирования этого процесса применяются тестовые методы идентификации параметров, которые позволяют в реальном масштабе времени идентифицировать как статические (характеризующие выходные размерные параметры), так и динамические (характеризующие шероховатость обрабатываемой поверхности) параметры процесса пластической деформации в мезообъемах обрабатываемой поверхности кристалла, и, тем самым, контролировать фактические параметры процесса шлифования. Эти тестовые методы увязывают статическую и динамическую составляющие упругой деформации в обрабатывающей системе путем проведения вычислений соответствующих параметров и позволяют удерживать поведение управляющей обрабатываемой системы в режиме «предельного цикла».

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 станка взаимосвязи выходных параметров системы резания, как ответной ре-

акции управления её входными параметрами. При этом в качестве регулирующего воздействия используется интенсивность удаления припуска по определенному алгоритму, обеспечивающему получение заданных выходных параметров.

В ходе экспериментальных исследований были получены осциллограммы (рис. 5 и рис. 6). Анализ осциллограмм показывает необходимость устранения зарегистрированных колебаний технических «шумов» не относящихся к процессу микрошлифования (рис. 7).

К.т.н. Т.Б. Тепловой разработана математическая модель диагностирования процесса микрошлифования увязывающая в реальном масштабе времени входные и выходные параметры этого процесса при установившемся режиме съема припуска (3). 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.

Появление периодически равномерной величины динамической составляющей упругих деформаций в обрабатывающей системе в режиме близком к «предельному циклу», показывает, что движение каждой (конкретной) упругой обрабатывающей системы в динамике под действием периодической импульсной нагрузки подчинено закону, который приближенно может быть описан нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка Ван-дер-Поля.

Статическую составляющую упругой деформации в обрабатывающей системе определяют путем непрерывной фиксации в каждом проходе в каждой точке касания каждой вершины заданного режущего зерна ПИП с каждой заданной локальной точкой на обрабатываемой поверхности величины статической составляющей силы резания по нормали к плоскости формообразования. Непрерывно определяют зависимости изменения суммы указанных составляющих от прохода к проходу. Непрерывно сравнивают эту зависимость с расчетным законом изменения интенсивности съема припуска от прохода к проходу. Непрерывно находят интервал времени до начала соответствия этих законов, который пропорционален величине статической составляющей упругой деформации УОС.

Рис. 6. Осциллограммы, полученные при микрошлифовании натурального алмаза

Рис. 7

На протяжении всего этапа съема основной части припуска осуществляют контроль за шероховатостью ОП путем сравнения фактической высоты микронеровностей на обработанной поверхности с заданной высотой. При этом устанавливают корреляционную связь между результатами сравнения и обобщенной интегральной характеристикой УОС, определяемой вычислениями фактической величины постоянной времени переходных процессов шлифования. Этот параметр непрерывно (в реальном масштабе времени съема основной части припуска) идентифицируют и, при необходимости, регулируют соответствующим изменением одного или нескольких параметров интенсивности съема припуска для стабилизации постоянной времени на уровне, обеспечивающим заданные выходные параметры обработки, как по размерной точно -сти, так и по величине микронеровностей на обработанной поверхности готового изделия.

Рис. 8

Задача моей научной работы заключается в разработке алгоритма и программного обеспечения осциллографического контроля за шероховатостью обрабатываемой поверхности приведен на рис. 8.

Рис. 9. Качество поверхностей

а б с

Рис. 10

Основными процедурами которого являются расчет и исключение из данных осциллографического контроля вычисленных частот шумов:

1. Электромагнитные наводки от работающих приборов.

2. Колебания от биения шлифовального круга.

3. Вторичные отражения звуковых волн в кристалле.

4. Акты элементарных соударений зерен шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью.

Алгоритм реализован с использованием Microsoft Visual C++ 6.0. Входными данными являются осциллограммы в цифровом виде. В результате мы можем получить обработанную осциллограмму с выделенными собственными частотами обработки в цифровом или графическом представлении.

При постоянном осциллографическом контроле текущих параметров процесса микрошлифования обеспечивается получение оперативной, достоверной и достаточной информации для управления процессом получения заданной шероховатости поверхности. Качество поверхностей алмаза, полученные в результате обработки, приведены на рис.9.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 при отсутствии так называемого «алмазного фона», который не удается удалить при шлифовании алмазов в мягком направлении. Проведенные испытания показали целесообразность обработки поверхности лейкосапфира на станочном модуле АН15ф4 и применение разработанного программного обеспечения. Фотографии монокристалла лейкосапфира с частично отполированной поверхностью приведены на рис.10, а, б.

Практическая реализация указанной технологии позволяет решить проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов. Это делает возможным применение алмазов, обработанных в твердом направлении, в качестве подложек для сверхбольших интегральных микросхем в микроэлектронике (рис. 10, с) и позволяет получить высокотехнологичные изделия для машиностроения, медицины, а также ювелирные изделия.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Панин В.Е. В кн.: Физика хрупкого разрушения. Ч. 1. - Киев: изд-во ИМП АН УССР, 1976.

2. Сильченко О.Б. «Теория и методы размерно-регулируемой и бездефектной обработки твёрдоструктурных минералов резанием». Авт.-реф. диссертации на соискателя учёной степени док.тех.наук НИИ «Научный Центр» (Москва) и МГГУ-2000.

3. Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Теплова Т.Б. Обработка твердоструктурных минералов резанием на шлифовальных станочных модулях с ЧПУ с применением новой технологии /Горные машины и автоматика. 2001. № 11. - С. 31-33

4. Теплова Т.Б. Перспективы технологии размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов. М;

5. Теплова Т.Б. «Обоснование рациональных режимов шлифования алмазов при их огранке». Авт.-реф. диссертации на соискателя учёной степени кандидата технических наук, МГГУ (Москва) - 2002. ЕШ

— Коротко об авторах ----------------------------------

Теплова Т.Б. - кандидат технических наук,

Могирев А.М. - студент гр. АС-2-04,

Московский государственный горный университет.