CC BY
29
МЕТРОЛОГИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ METROLOGY AND QUALITY MANAGEMENT
УДК 621.757002-52
Г.А.АЛЕКСЕЕВ, д-р техн. наук, профессор, AlexGA06@yandex.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
G.A.ALEXEYEV, Dr. in eng. sc., professor, AlexGA06@yandex.ru National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО МОНОКРИСТАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
Рассматриваются особенности обеспечения точности изготовления алмазного монокристального инструмента различных форм, применяемого для образования прецизионного регулярного микрорельефа. Предлагается методика определения точностных требований к изготовлению инструмента, обеспечивающих необходимое качество микрорельефа.
Ключевые слова: алмазный монокристальный инструмент, микрорельеф, профилирование, микротвердость, индентор.
PROVIDING QUALITY OF DIAMOND MONOCRYSTAL TOOLS PRODUCTION
The article reviews the issues of providing production precision of monocrystal diamond tools of various forms, used for regular micro relief formation. Suggests detection methods of precision requirements for tools production, which provides required amount of micro relief. Key words: diamond monocrystal tools, micro relief, profiling, micro density, indentor
Применение алмазного монокристального инструмента при образовании прецизионного микрорельефа на различных материалах обусловлено высокими требованиями, предъявляемыми к точности и постоянству геометрических параметров штрихов, чистоте и зеркальности их граней, единообразию профиля, различимости элементов микрогеометрии. При образовании прецизионного регулярного микрорельефа (ПРМ) с различным профилем поперечного сечения используются бицилиндрические, бикониче-ские, пирамидальные алмазные резцы, резцы с передней гранью треугольного профиля, а
148
также резцы трапецеидального профиля с цилиндрическими и коническими поверхностями, биконические и бицилиндрические резцы с передней гранью и других форм.
При измерении микротвердости материалов используются алмазные монокристальные инденторы различных геометрических форм. При измерении твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) используется алмазный наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды (ГОСТ 9377-81), при измерении твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) применяется алмазный прямой круглый конус. При определении
микротвердости, кроме пирамиды Виккерса, применяется трехгранная пирамида Берко-вича, четырехгранная пирамида Кнупа, би-цилиндрические и биконические инденторы с одним, двумя и тремя лезвиями и др.
Специфика процессов обработки и эксплуатации алмазного инструмента, используемого для образовании ПРМ, связана с необходимостью применения нетрадиционных подходов при создании технологии изготовления, при разработке специального оборудования, выборе формы инструмента и ее точности, при создании методов контроля качества образования ПРМ.
Процесс образования ПРМ характеризуется номинальными размерами микронеровностей, находящимися вне пределов разрешающей способности оптических средств измерений, так как ПРМ в определенных случаях представляет поверхностную наноструктуру. Следует отметить также жесткие требования к точности выполнения геометрических параметров ПРМ, обусловленных спецификой назначения соответствующих изделий и требующих измерений линейных размеров с наноразмерной погрешностью. Так, например, размеры микрорельефа по высоте могут изменяться от 127 до 42,5 нм с увеличением плотности штрихов дифракционных решеток от 1200 до 3600 на 1 мм, а относительная погрешность должна находиться в пределах 1,10-2-1,10-5.
При механических способах образования ПРМ качество микрорельефа существенно зависит от точности изготовления, радиуса притупления лезвия, гладкости граней и износостойкости используемого алмазного монокристального инструмента. Недостаточная гладкость граней вызывает дефекты поверхности штриха. Увеличенный радиус притупления лезвия приводит к расширению дна штриха и вызывает снижение отражательной способности, недостаточная износостойкость - к недопустимому изменению угла наклона рабочей грани штриха вследствие местного износа рабочей поверхности резца и вызывает смещение максимума концентрации дифрагированного от решетки света. Можно выделить наиболее характерные особенности, которые влияют на точность изготовления алмазного моно-
кристального инструмента и его эксплуатационные характеристики:
• особенности технологии изготовления инструмента, обусловленные спецификой свойств монокристаллов алмаза - твердостью, износостойкостью, прочностью на сжатие, упругостью, а также различной твердостью в зависимости от типа кристалла и направления обработки;
• особые требования к процессам эксплуатации инструмента, обусловленные спецификой технологии изготовления изделий с прецизионным регулярным микрорельефом.
• особые требования к выбору формы, номинальных значений геометрических параметров рабочей части алмазного монокристального инструмента и к точности ее изготовления;
• специфика контроля качества изготовления инструмента, вызванная тем, что номинальные значения параметров рабочей части (притупление лезвия, сколы дефекты граней) и их допустимые отклонения могут находиться вне разрешающей способности оптических средств измерений;
• повышенные требования к износостойкости инструмента, используемого, например, для образования прецизионного регулярного микрорельефа, необходимые для обеспечения постоянства формы микрорельефа в течение длительного времени (до нескольких суток) работы делительной машины без вмешательства оператора;
• необходимость поддержания оптимального уровня динамических воздействий в процессе обработки монокристаллов алмаза с целью получения требуемых эксплуатационных характеристик;
• необходимость обеспечения и контроля оптимальной ориентации кристалла относительно направления обработки, обусловленные анизотропией свойств кристаллов алмаза.
Анализ этих особенностей позволяет выделить те основные характеристики каждого конкретного вида инструмента, которые влияют на качество образования конкретного вида ПРМ и найти их номинальные значения (выделить функциональные параметры). Для бицилиндрических и бико-нических резцов и инденторов такими пара-149
Санкт-Петербург. 2014
метрами являются радиусы и углы наклона рабочей и нерабочей поверхностей, для пирамидальных резцов - углы наклона ребер к плоскости заготовки. Затем, исходя из заданных требований к геометрическим параметрам ПРМ и его специальных характеристик (оптических, спектроскопических, параметров различимости и др.), на основе определения взаимосвязи найти пределы изменения характеристик инструмента, т.е. пределы изменения функциональных параметров (точности геометрических форм, износостойкости, шероховатости граней и т.д.). Например, для бицилиндрических и бико-нических резцов находим искривление проекции лезвия на плоскость заготовки в зависимости от номинальных значений углов и радиусов и от погрешностей их изготовле-ния.Исходя из ограничений, связанных с искажением профиля штрихов дифракционных решеток, полученных на основании спектроскопических исследований, определяя коэффициенты влияния погрешностей изготовления радиусов и углов наклона, находим допустимые отклонения параметров инструмента при его изготовлении и ориентации в процессе эксплуатации.
При измерении микротвердости исследования отпечатков алмазных инденторов при малых глубинах вдавливания показывают, что в этих условиях проявляются погрешности измерения микротвердости, связанные с наличием радиуса скругления вершин и неточностей формы. Например, наличие перемычки для пирамидальных инденторов, вызванной несводимостью четырех граней в точку. Относительная погрешность различимости при измерении микротвердости для бицилиндрических и биконических инденторов существенно зависит от размера отпечатка и увеличивается с уменьшением глубины вдавливания. Электронно-микроскопические исследования показывают, что радиус притупления лезвия бицилиндрических инденторов составляет 10-20 нм, а боковые поверхности имеют микронеровности с размерами менее 40-15 нм. Влияние погрешностей углов и радиусов, а также точности статического нагружения не зависит от размера отпечатка, а влияние точности определения размера
150
отпечатка существенно увеличивается с уменьшением глубины вдавливания. При уменьшении размеров отпечатка в большей степени проявляется погрешность различимости концов отпечатка. Кроме того, малым глубинам вдавливания соответствуют малые усилия вдавливания, при которых внешние воздействия и влияние скорости нагружения приводят к существенным погрешностям определения микротвердости.
Для инденторов трапецеидального профиля с углом между образующими а = 136° при радиусе боковых цилиндрических поверхностей Я = 2 мм, длине отпечатка d = 50 мкм, номинальном значении микротвердости Н = 1000 Н/мм2 и длине образующей цилиндрической поверхности а = 4 мм относительные погрешности микротвердости при первичных погрешностях радиусов ДЯ = 0,05 мм, Да = 30', Да =0,5 мкм соответственно равны ДНЯ = 4,5 Н/мм2, ДНа = 1,7 Н/мм2, ДНа = 100 Н/мм2. Таким образом, основной вклад в общую погрешность определения микротвердости дает неточность определения длины образующей передней цилиндрической поверхности.
Таким образом, на точность формообразования ПРМ влияют как номинальные значения параметров, характеризующие геометрическую форму рабочей части инструмента, так и погрешности их изготовления. Номинальные значения геометрических параметров инструмента определяются, исходя из условий образования ПРМ и условий обеспечения заданных геометрических параметров ПРМ. Отклонения геометрических параметров от заданных номинальных значений влияют непосредственно на точность формы ПРМ, так как вызывают искажение формы рабочей части инструмента в процессе изготовления инструмента.Для оценки влияния геометрических параметров рабочей части инструмента на точность формообразования ПРМ необходимо определить функции влияния каждого параметра инструмента на точность формообразования профиля микрорельефа. На основе анализа функций влияния выделяем параметры, которые в наибольшей степени влияют на точность формообразования ПРМ в качестве функциональных параметров.
Задаваясь необходимой точностью выполнения геометрических параметров ПРМ с учетом функций влияния, определяем допустимую точность выполнения функциональных параметров.
Для оценки влияния отклонения от номинальных значений параметров изготовления инструмента на точность формообразования ПРМ следует определить зависимость функциональных параметров от остальных геометрических параметров инструмента при наличии их отклонений от номинальных значений. Используя найденные зависимости, определяем функции
влияния первичных погрешностей изготовления на значения функциональных параметров, а исходя из допустимых отклонений функциональных параметров, определяем значения первичных погрешностей изготовления геометрической формы инструмента.
Использование такого подхода к определению точностных требований, связанных с изготовлением и эксплуатацией алмазного монокристального инструмента, позволяет разрабатывать новые и совершенствовать существующие виды инструмента и технологию их изготовления.
-151
Санкт-Петербург. 2014
