CC BY
31
© О.М. Гридин,2002
УДК 622.371
О.М. Гридин
ШЛИФОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ В РЕЖИМЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОВ С ЗАДАННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЧИСТОТОЙ
Развитие электроники в области субмикронных размеров элементов привело к значительному ужесточению требований к параметрам поверхности подложек из кремния и арсенида Галия. Существующая технология, помимо высокой стоимости используемых материалов (алмазных порошков), большой материалоемкости и временными затратами, не обеспечивает выполнение заданных требований к качеству обработки поверхности подложек. Вместе с тем известно, что алмазная подложка полупроводниковых схем, обеспечивая их прекрасную изоляцию, отводит теплоту в несколько раз быстрее, тем самым, повышая
эффективность работы
ответственных узлов электронных схеВ. России создана технология бездефектного размерно-регулируемого критически бездефектного микрорезания микро- и наноэлектроннных материалов ( в том числе ориентированных только в твердом направлении натуральных алмазов) в упругой обрабатывающей системе суперпре-цизионного станка с ЧПУ. Технология обеспечивает размерную точность (0,1 мкм) и оптические характеристики чистоты (Rz = 0,032 мкм), а также полное исключение дефектов от процесса микрорезания на поверхностном и подповерхностном слоях в результате обработки изделий.
Созданный научно-техни-ческий задел представляет собой мировой приоритет России в области технологии размерно-регулируемого бездефектного микрошлифования в режиме, при котором преобладающим механизмом удаления материала является не хрупкое разрушение, а пластичное течение процесса с получением качества обработанной поверхности с такими оптиче-
скими характеристиками, которые до настоящего времени достигались только ручными операциями полирования или притирки.
Разработанный способ реализует принципиально новую модель физической мезомеханики дискретного и пластичного периодического образования множества единичных пластически деформированных стружек, с линейными размерами каждой из них мезомасштабного уровня только в результате накопленной усталости от возвратноповоротных мод деформации при внешнем упорядоченном динамическом воздействии на обрабатываемую поверхность только импульсных микроконцентраторов касательных напряжений.
В результате проведенных исследований учеными МГГУ А.С. Коньшиным, О.Б. Сильченко, Т.Б. Тепловой установлено, что управляемость процессом микрорезания таких материалов с одной стороны обусловлена возможностью осуществления прямого управления параметрами периодически изменяющегося поля внешних импульсных воздействий (со стороны режущих зерен производящей инструментальной поверхности) на обрабатываемую поверхность кристалла микроконцентраторов напряжений в виде определенной последовательности отдельных событий, состоящей в указании «где»-«когда»-«какой интенсивности» каждый такой микроконцентратор воздействует на обрабатываемую поверхность.
С другой стороны управляемость таким процессом микрорезания определена возможностью на основе оперативной информации об упругих деформациях в динамически нагруженной обрабатывающей системе практически реализовать
принципиально новую модель технологической диагностики самоорганизующегося процесса накопления усталости преимущественно к возвратно-поворотным модам деформации в период формирования на площади «пятна контакта» (макромасштабного уровня) однослойной унитарной ячеистой (квазипо-ли-кристаллической) субструктуры в виде движущихся в релаксационном режиме по схеме «сдвиг + материальный поворот» множества трехмерных мезообъемов, являющихся в указанный период синхронного накопления усталости носителями пластичного течения в квазиполикристаллической однослойной субструктуре и преобразующихся по окончании этого периода в одновременно срезаемое со всей указанной площади множество единичных пластически деформированных «стружек» без потери сплошности основного монокристалла, с формированием диссипативной структуры приповерхностного слоя на обработанной поверхности, и при отсутствии нижележащих нарушенных слоев.
Разработанный способ подтвержден экспериментальной отработкой технологии критического процесса бездефектного размернорегулируемого микрошлифования, ориентированных только в «твердом» направлении натуральных алмазов и алмазоподобных микроэлектронных материалов.
Осуществление разработанного способа позволяет находить такие области режимов интенсивности съема припуска, определять и реализовывать в этих областях такой порядок дозированного динамического воздействия каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности на обрабатываемую поверхность, которые обеспечивают устойчивую периодичность процесса самоорганизующегося образования, развития и удаления пластически деформированных слоев ячеистой структуры мезомас-штабного уровня в каждом таком слое путем постепенного в течение времени каждого такого периода накопления усталости только от возвратно-поворотных мод пластической деформации на границах каждой единичной ячейки в каждом
указанном слое с ячеистой структуры и окончанием каждого указанного периода соответствующим мгновенным (импульсным) удалением с обрабатываемой поверхности каждого указанного пластически деформированного слоя площадью макромасштабного уровня в виде множества единичных пластически деформированных стружек.
В результате этого при обработке исключается хрупкое разрушение обрабатываемой поверхности и возникновение на ней рисок, трещин, сколов и тому подобных дефектов, что позволяет получать высокое качество поверхностей обрабатываемого изделия без дополнительных ручных операций.
Кроме того, дифференцированный учет при осуществлении разработанного способа отдельно только динамической составляющей упругой деформации обрабатывающей системы позволяет обеспечить заданную высоту микронеровностей (Яг) на обработанной поверхности готового изделия, а отдельный учет только статической составляющей упругой деформации позволяет обрабатывать высокоточные изделия и детали сложной формы в режиме пластического микрошлифования с высокой точностью получения заданных размеров. При этом появляется возможность отследить динамику поведения упругой обрабатывающей системы для обеспечения стабильного образования пластически деформированной единичной стружки с учетом фактического состояния режущей способности вершин режущих зерен производящей инструментальной поверхности, что исключает возможность образования вышеуказанных дефектов на обрабатываемой по-
верхности в виде хрупкого разрушения вследствие какого-либо случайного локального превышения предела упругости и соответствующего нарушения упругих свойств обрабатывающей системы.
Таким образом, разработанный способ впервые позволяет стабильно обеспечить сверхточную и сверхвысококачественную обработку сложнопрофильных наукоемких изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов), и тем самым позволяет решить основную задачу создания соответствующего устройства для бездефектного микрошлифования таких изделий в размерно-регулируемом режиме без хрупкого разрушения и других дефектов на окончательно обработанной поверхности с получением высокого качества и оптических характеристик поверхностей изделий с гарантированной суперпре-цизионной точностью размеров заданной формы.
При этом достигается:
- совмещение операций шлифования и микрошлифования при полном устранении микротрещин и других дефектов с получением оптических классов чистоты обработанных поверхностей;
- высокое качество и размерная стабильность обработки оптических поверхностей на изделиях сложной формы с минимизацией весовых потерь независимо от уровня квалификации оператора;
- снижение доли поверхностей, подвергшихся хрупкому разрушению при микрошлифовании до 3%;
- повышение интенсивности обработки по сравнению с полированием и притиркой.
Значение данной работы состоит в развитии научно-технического потенциала и мирового приоритета России в области технологии бездефектного размерно-регулируемого микрошлифования
твердоструктурных и хрупких материалов и монокристаллов в принципиально новом научном направлении с целью расширения упомянутого приоритета России на область гибкого автома-
тизированного машинного производства высокотехнологичных и наукоемких изделий микро- и наноэлектроники, медицины и ювелирных вставок из минерального и алмазного сырья на основе компью-тернтеыххнологий и семейства прецизионных станочных модулей с интеллектуальными системами ЧПУ. Созданная в результате проведенной работы технология является комплексной, позволившей впервые в мировой практике механической обработки натуральных алмазов осуществить размерно-
регулируемое и бездефектное микрошлифование даже в том случае, если вектор скорости резания совпадает с «твердым» направлением к истиранию кристаллической решетки алмаза. Это впервые дало возможность со стабильно воспроизводимыми результатами и независимо от влияния субъективных факторов (уровня квалификации оператора) обеспечить суперпрецизионную точность и оптические характеристики чистоты на сложно-профильных поверхностях изделий из натуральных алмазов при отсутствии дефектов, привнесенных технологическим процессом микрорезания.
1. Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Брайан Джон Сноу Способ микрошлифования твердоструктурных материалов и устройство для его реализации. Патент РФ №2165837 от 27.04.2001.
2. 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» № 11 с. 31-33
3. Панин ВЕУ/Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - N1. - С. 3-8.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Сильченко О.Б.. Теплова Т.Б., Морозов В.И. Тестовые методы диагностирования параметров пластичного микрошлифования кристаллов. Материалы конференции «V Юбилейная Школа Геомеханики», Польша, Устрань, 16-19 ноября 2001 г.
5. Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Анализ путей повышения эффективности обработки алмазов.: Горный информ. -аналит. бюллетень 2000г. N9. - М.: МГГУ, с. 184-187.
6. Теплова Т.Б., Сильченко О.Б.. Коньшин А.С. Технологические аспекты диагностики бездефектной обработки кристаллов.: Горный информ. -аналит. бюллетень 2000г. N11. - М.: МГГУ, с. 201.
7. Теплова Т.Б., Сильченко О.Б. Коньшин А.С. Технологическая диагностика размерно регулируемого критически бездефектного микрорезания натуральных алмазов на станках с ЧПУ. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» 6-8 июня 2001г., Иваново, с.222.
8. Коньшин А.С. Управление процессом шлифования для повышения производительности и точности при одновременной многоинструментальной обработке. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд . техн . наук. ЭНИМС, - М, 1987.
9. Сильченко О.Б., Коньшин А.С., Морозов В.И. Новое направление в огранке алмазов. - М.: Горный журнал. 1999. N5.
10. Сильченко О.Б. Теория и методы размерно- регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных миниралов резанием. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. док. . техн . наук. АООТ ЭНИМС, - М, 2000.
11.Теплова Т.Б. Самонастраивающееся управление со стабилизацией выходных параметров обработки на основе диагностирования параметров пластичного резания в мезообъемах.: Горный информ.-аналит. бюллетень 2002, №5. - М.: Изд-во МГГУ.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------
Гридин Олег Михайлович — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
