Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Соловьев Владимир Владимирович
Повышение эффективности режимов прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира
Специальность 05.02.07. Технология и оборудование механической и физикотехнической обработки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата наук
Работа выполнена в Московском государственном горном университете
Научный консультант: доктор технических наук Теплова Татьяна Борисовна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бишутин Сергей Геннадьевич, Брянский государственный технический университет кандидат технических наук Добровольский Герман Игоревич, главный инженер ОАО НИИ Изотерм
Ведущая организация: Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ОАО ЭНИМС)
Защита диссертации состоится л29 мая 2012г. в 10 час. 00 мин.
На заседании диссертационного совета Д 212.021.01 при Брянском государственном техническом университете по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, в учебном корпусе ___ ауд.____
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Брянский государственный технический университет Автореферат разослан л___ ________2012г
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент А.В. Хандожко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
ейкосапфир благодаря своим физико-механическим и химическим свойствам находит все большее применение для изделий машиностроения, приборостроения, микро-наноэлектроники, медицины и других технологических изделий в области нанотехнологий. Продукция из лейкосапфира приходит на смену изделиям из кварца, керамики, стекла. Рынок изделий из лейкосапфира ежегодно растет на 15-20%, а рост рынка полированных подложек превышает 25%. Такая тенденция прогнозируется на 5-7 лет.
Обработка заготовок из лейкосапфира имеет особенности, связанные с его физическими свойствами - твердостью, анизотропией, наличием включений и другими. В настоящее время традиционным способом обработки заготовок из лейкосапфира является механическое шлифование свободным и связанным абразивом. В результате такой обработки получается поверхность с шероховатостью Ra около 0,2 мкм. Для уменьшения шероховатости и дефектов, связанных с обработкой, заготовка полируется и подвергается травлению в агрессивных средах.
Перспективным способом получения высококачественной поверхности заготовок из лейкосапфира с нанометроой шероховатостью поверхности является шлифование заготовок в режиме квазипластичности.
Квазипластичность - проявление пластичных свойств поверхностным слоем твердых хрупких материалов при обработке.
Технология квазипластичной обработки твердых материалов основана на обеспечении механического воздействия на обрабатываемую поверхность (ОП) материала при глубине шлифования, составляющей доли мкм. При этом поверхностный слой (ПС) хрупких твердых материалов проявляет пластичные свойства и преобладающим механизмом становится не хрупкое разрушение, а квазипластичное удаление припуска с формированием поверхности нанометровой шероховатости и с минимальными дефектами (не более 50 нм), внесенными процессом обработки. Квазипластичное удаление припуска происходит при данных глубинах резания под воздействием контактного взаимодействия зерен шлифовального круга (ШК) с ОП, создающего периодическое переменное механическое поле.
Способ шлифования в режиме квазипластичности является перспективным для автоматизации и серийного изготовления деталей из лейкосапфира с высококачественной поверхностью, востребованных в области нанотехнологий в машино- и приборостроении, микроэлектронике, оптике, энергетике, медицине и многих других отраслях промышленности.
Существенное влияние на процесс квазипластичной обработки оказывают тепловые факторы. Отсутствие исследований влияния тепловых процессов на обработку заготовок из лейкосапфира, учитывающих их физико-механические свойства, приводит к существенным погрешностям при назначении режимов обработки и их изменении в процессе обработки. Это в свою очередь приводит к браку деталей и не позволяет повысить производительность процесса обработки.
Исходя из вышеизложенного актуальной задачей является усовершенствование технологического процесса прецизионной обработки и оборудования для серийного производства деталей из лейкосапфира с нанометровой шероховатостью.
Цель работы - повышение эффективности технологического процесса прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира с получением нанометровой шероховатости поверхности и отсутствием микротрещин.
Методика исследований.
Теоретические исследования базируются на основах технологии машиностроения, теории технической диагностики, теории автоматического управления, теории точности металлорежущих станков, физики твердого тела, физической мезомеханики; теории дислокации; основных положениях термодинамики. Экспериментальные исследования проводились на станочном модуле с числовым программным управлением (ЧПУ) с использованием методов визуализации температурных полей термографом ИРТИС -2000 и точных методов контроля нанометровой шероховатости оптическим интерферометром белого света Zygo (New Vew 5000).
Научные положения, выносимые на защиту.
1.Разработанная модель процесса квазипластичного удаления припуска при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира, предполагающая расход основной энергии шлифования в снимаемом припуске и низкий коэффициент нестационарного теплообмена между снимаемым припуском и поверхностью заготовки.
2.Установленные теоретические и экспериментальные зависимости температуры поверхности заготовок из лейкосапфира от технологических условий обработки при прецизионном шлифовании.
3. Предложенный термический критерий выбора режима обработки заготовок из лейкосапфира, характеризующий энергетическое состояние поверхности.
Введение этого критерия в систему существующих критериев квазипластичного шлифования позволяет более точно выбрать режимы обработки.
4. Обоснованные режимы квазипластичной обработки заготовок из лейкосапфира и параметры станочного модуля АН15ф4 (глубина резания, время нахождения заготовок под ШК и их воздушного охлаждения, допустимый интервал температур) для получения нанометровой шероховатости ОП.
Научная новизна работы 1. Впервые предложена модель процесса квазипластичного удаления припуска при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира, предполагающая расход основной энергии шлифования в снимаемом припуске и низкий коэффициент нестационарного теплообмена между снимаемым припуском и поверхностью.
2. Впервые предложен термический критерий выбора режима обработки заготовок из лейкосапфира, характеризующий энергетическое состояние поверхности.
3. Уточнена область допустимых значений силовых и скоростных технологических параметров квазипластичной обработки заготовок из лейкосапфира.
4. Впервые установлена комплексная зависимость, отражающая взаимосвязь отношения тангенсальной и нормальной составляющих силы резания, глубины резания и температуры нагрева поверхности заготовкок из лейкосапфира при квазипластичной обработке.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1.Разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов обработки заготовок из лейкосапфира, позволяющие получать поверхности нанометровой шероховатости и исключающие появление микотрещин.
2.Составлены алгоритмы для управления в автоматическом режиме процессом обработки плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира с получением нанометрового рельефа.
3.Разработана методика контроля шероховатости поверхности заготовок из лейкосапфира в процессе обработки.
4. Экспериментально уточнены параметры (начальная глубина резания, скорость вращения ШК, скорость продольной подачи стола станочного модуля, соотношение времени обработки и времени пассивного воздушного охлаждения), алгоритмы назначения начальных режимов резания и зависимости их изменения в процессе обработки при шлифовании заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности с учетом влияния тепловых процессов, сопровождающих процесс обработки, и уточнены технические требования к оборудованию (серийного выпуска) для прецизионной поверхностной обработки твердых хрупких материалов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- применением фундаментальных научно обоснованных подходов оценки предельных параметров напряженно - деформируемого состояния, используемых для решения задач хрупкого разрушения, включая использование критериев прочности и пластичности анизотропных твердых тел, теории дислокации и основных положений термодинамики;
- описанием реального процесса обработки и соответствием предложенного математического описания положениям термодинамики (разделов тепломассопереноса, термического хрупкого разрушения), физики твердого тела, физической мезомеханики;
- представительным объемом экспериментальных исследований на образцах лейкосапфира;
- соответствием (с погрешностью не более 5%) расчетных и измеренных температур обрабатываемых заготовок из лейкосапфира;
- использованием современных аттестованных контрольно-измерительных приборов и оборудования, а также аттестованных методик измерения;
- высоким качеством поверхности (с шероховатостью до 2 нм), полученным при обработке заготовок из лейкосапфира, в соответствии с принятыми рекомендациями по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в виде:
- алгоритма управления процессом прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира, используемого для станочного модуля с ЧПУ на предприятии Анкон-Е.М.;
- рекомендаций по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности, применение которых на предприятии Анкон-Е.М. позволило получить стабильно воспроизводимые результаты поверхностной обработки заготовок из лейкосапфира с получением нанометрового рельефа поверхности (Ra = 2 - 10 нм), и уточнения технических требований к оборудованию для серийной прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира;
- части лекционного курса дисциплины Технология гранильного производства, используемой в учебном процессе.
Результаты исследования могут быть применены: в машиностроении и приборостроении - для обработки лейкосапфировых приборных смотровых окон и иллюминаторов, окон сканеров; в микроэлектронике - для изготовления подложек; в медицине - для изготовления точных приборов и инструментов из твердых монокристаллов, и в других отраслях промышленности.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались:
на научных симпозиумах Неделя горняка, Москва, МГГУ, 2005, 2010 - 2012гг.;
Международном симпозиуме Образование через науку, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г.;
Научно-технической конференции Аэрокосмические технологии, ФГУП НПО машиностроения, Реутов, 2005 г.;
Научно-технической конференции Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения, Киев, 2005г.;
Международном симпозиуме Sympozjon Modelirowanie w mechanice, Wisla, 2010 г.;
VI международный симпозиум Механика материалов и конструкций Польша, Авустов, 2011 г.;
Научных семинарах кафедры ТХОМ МГГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ. из них 5 - в журналах из перечня ВАК РФ, рекомендованных для опубликования результатов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Настоящая работа состоит из введения, --- глав, заключения, приложений, содержит 165 страниц, 20 таблиц и рисунков, список использованных источников из 117 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определена цель диссертации, изложены основные научные и практические результаты, их новизна и практическая значимость.
В первой главе приведен анализ состояния вопроса поверхностной обработки плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира: сделан обзор применяющихся способов поверхностной обработки, проведен анализ перспективных физических моделей и способов поверхностной обработки материалов и рассмотрена возможность их применения для совершенствования процесса прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира с получением нанометровой шероховатости.
Большой спрос на изделия из лейкосапфира и тенденция к миниатюризации высокотехнологичных изделий делают актуальной задачу прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира с формированием поверхности нанометровой шероховатости и минимальными дефектами, внесенными процессом обработки. При традиционной технологии шлифования свободным и связанным абразивом необходимые параметры заготовок получают путем сложного многоэтапного процесса обработки в чистых комнатах с применением на заключительных этапах химикомеханической полировки и травления в агрессивных средах. Сложность механической обработки лейкосапфира обусловлена его высокой твердостью (9 по шкале Мооса), анизотропией и другими физическими свойствами.
Перспективным способом механической поверхностной обработки заготовок из лейкосапфира является шлифование в режиме квазипластичности, которое обеспечивается малым усилием воздействия инструмента при минимальных подачах, жесткостью конструкции упругой обрабатывающей системы (УОС) и относительной изоляцией от внешних возмущений. В результате заготовки из хрупких минералов можно механически обрабатывать в регулируемом квазипластичном режиме с получением обработанной поверхности нанометрового рельефа. Впервые процесс обработки в режиме квазипластичности был исследован Т.Г. Бифано и Т.А. Доу в восьмидесятых годах двадцатого века. В дальнейшем на основе работ академика Панина В.И., д.т.н. Сильченко О.Б. и к.т.н. Коньшиным А.С созданы теория и методы размерно-регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием. Под руководством к.т.н. Коньшина А.С. на основе фундаментальных работ д.т.н., проф. Кудинова В.А., д.т.н., проф. Ратмирова В.А., д.т.н., проф. Левина А.И., к.т.н. Бобрина В.И. в ЭНИМСе был создан станочный модуль АН15ф4 с числовым программным управлением (ЧПУ).
По классификации, составленной д.т.н. Тепловой Т.Б., режим квазипластичной обработки находится между упругим деформированием материала и его хрупким разрушением. Квазипластичную обработку можно осуществить при определенном подборе параметров оборудования и режимов обработки. Полученные д.т.н. Тепловой Т.Б. критерии хрупкого термического разрушения при квазипластичной обработке дают общую оценку процесса обработки, но не позволяют детально рассмотреть влияние тепловых процессов на обработку заготовок из лейкосапфира, учитывая их свойства и анизотропию.
Отсутствие детальных исследований приводит к существенным погрешностям при назначении режимов обработки и их изменении. Это приводит к браку заготовок и не позволяет повысить производительность процесса обработки.
На основе установления новых закономерностей процесса шлифования заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности с учетом тепловых процессов, сопровождающих процесс обработки, и теплофизических свойств лейкосапфира появляется возможность совершенствования технологического процесса прецизионной обработки и оборудования.
Исходя из проведенного анализа сформулирована цель работы, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:
1.Определение влияния тепловых процессов, сопровождающих поверхностную обработку в режиме квазипластичности, на изменение шероховатости поверхностей заготовок из лейкосапфира.
2. Выявление технологических факторов для управления тепловыми процессами, сопровождающими поверхностную обработку заготовки в режиме квазипластичности.
3. Выбор и обоснование рациональных режимов поверхностной обработки лейкосапфира с учетом свойств обрабатываемого материала и теплового воздействия, сопровождающего процесс квазипластичной обработки, и последующей разработкой рекомендаций по назначению режимов обработки для станочного модуля АН15ф4 с ЧПУ.
4. Уточнение технических требований к оборудованию (серийного выпуска) для прецизионной обработки твердых хрупких минералов.
Во второй главе описываются общая стратегия исследований, методики проведения теоретических и экспериментальных исследований, средства измерений, экспериментальная установка и приборы, используемые в исследованиях. Стратегия исследований направлена на достижение поставленной цели и решения вышеуказанных задач. Особенностью теоретических исследований являются разработка модели шлифования заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности с рассмотрением направления тепловых потоков в заготовке и обрабатывающем инструменте и математической модели процесса, на основании которых разработан новый критерий прецизионной обработки, дополняющий и уточняющий существующую систему тепловых критериев.
Проведение теоретических исследований в настоящей работе направлено на разработку методик определения взаимосвязи тепловых факторов, сопровождающих процесс обработки заготовки, с технологическими условиями обработки и взаимосвязи отношения тангенсальной и нормальной составляющих силы резания с шероховатостью заготовки. Для оперативного контроля шероховатости заготовки во время обработки предлагается постоянный контроль отношения тангенсальной и нормальной составляющих силы резания. При введении в систему ЧПУ станочного модуля эталонной зависимости шероховатости ОП от данного соотношения возможны в процессе обработки оперативный контроль шероховатости ОП и достижение заданных стабильно повторяющихся выходных параметров по шероховатости.
Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, в состав которой входил станочный модуль АН-15ф4 с ЧПУ (рис.1).
Параметры станочного модуля приведены в табл.1. Основные направления движения частей УОС станочного модуля показаны на рис.3.
Рис. 1. Станочный модуль АН15ф4 с ЧПУ Обработка плоских поверхностей образцов лейкосапфира на станочном модуле АН15ф4 осуществляется тремя шлифовальными кругами.
Первый круг изготовлен на керамической связке со 150%-ной концентрацией синтетического алмазного микропорошка фракции 20/14.
Второй круг изготовлен на керамической связке со 150%-ной концентрацией синтетического алмазного микропорошка фракции 8/5. Маркировка кругов 12А2-45 (АЧК) АСМ8/5 150% КПГ 250х20х5х25 (мм). Третий круг изготовлен на связке из костной муки со 150%-ной концентрацией синтетического алмазного микропорошка фракции 3/2. Маркировка круга 12А2-45 (АЧК) АСМ3/2 150% ВФ1 250х20х5х25 (мм) ГОСТ 16172-80. Обработка производилась торцом круга. Правка круга осуществлялась алмазным карандашом. Для исследования тепловых процессов применялся термограф ИРТИС-2000. Исследование полученной шероховатости проводилось на оптическом профилометре.
Таблица Параметры станочного модуля АН15фПараметр Величина Число управляемых осей Число позиций для установки режущего инструмента и контрольно-измерительных средств (револьверная головка) Число шпинделей Дискретность задания и отработки перемещений 0.- оси X, Y, мкм - - ось Z, мкм - 0,- оси А, В, град. 0.00Максимальная величина перемещений 10- линейная ось X, мм 3- линейная ось Y, мм - линейная ось Z, мм - круговая ось А, град.
неогранич.
- круговая ось В, град.
Диапазон рабочих подач, мм/мин 0,06...
45Диапазон частоты вращения шпинделей, об/мин 3000-60Количество мест в сменной кассете, штук Число одновременно обрабатываемых изделий, штук Шероховатость обработанной поверхности Rz, мкм 0.032...0.Диаметр алмазного инструмента, мм 2Суммарная подводимая мощность, кВт Для решения поставленных задач планировалось проведение следующих экспериментальных исследований:
1. Определение зависимости тепловых процессов, сопровождающих процесс обработки, от технологических условий: усилия прижима; времени нахождения образца под шлифовальным кругом; времени охлаждения образца вне шлифовального круга.
2. Определение взаимосвязи качества получаемой поверхности и характеристик тепловых процессов, сопровождающих поверхностную обработку в режиме квазипластичности.
Третья глава посвящена разработке прецизионной модели шлифования в режиме квазипластичности заготовок из лейкосапфира с учетом их теплофизических свойств и оценке состояния системы линструментобрабатываемый материал, а также дополнительного критерия квазиплпластичного шлифования.
Формирование физико-математической модели основывалось на оценке предельных параметров напряженно-деформируемого состояния, используемых для решения задач хрупкого разрушения, включая использование критериев прочности и пластичности анизотропных твердых тел, элементов теории дислокации, основных положений термодинамики и физической мезомеханики. Термин УмезоскопическийФ в физической мезомеханике отражает смысл УпромежуточныйФ между твердым телом как сплошной средой и его кристаллической решеткой. При рассмотрении объекта исследования малой величины (примерно 0,5 -0,05мкм) допускается применение как элементов классических уравнений напряженнодеформируемых состояний механики сплошной среды, так и элементов теории дислокаций.
Механизм взаимодействия алмазных зерен шлифовального круга (ШК) с обрабатываемой поверхностью (ОП) лейкосапфира, обладающего микронеровностиями, состоит в следующем. Во время упругого взаимодействия выступов, согласно релаксационной модели мезомеханики, любая точка в деформируемом твердом теле испытывает сдвиг. В точке соприкосновения выступов ШК и ОП заготовки происходит локальная потеря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки. Происходит движение дефектов в заготовке, в результате которого первоначальный концентратор напряжений релаксирует и распределение напряжений в заготовке становится более однородным. Сдвиг на микроуровне сопровождается поворотными деформациями на мезоскопическом масштабном уровне. Релаксация одних напряжений в процессе возвратно-поворотных колебаний сопровождается генерацией других внутренних напряжений. В результате действия усталостных напряжений снимаются мельчайшие частицы припуска (мезообъемы) с образованием поверхности нанометрового рельефа.
Численные оценки показывают, что время контакта абразивного зерна инструмента размером порядка 10 мкм с единичным выступом (микронеровностью) поверхности заготовки составляет при скорости резания 40 - 50 м/с величину порядка 20 мкс. При этом тепловой контакт квазипластичного припуска заготовки с основным е объемом в значительной степени нарушен. Поэтому кондуктивный теплообмен между ними незначителен. Теплообмен излучением также невелик, так как для лейкосапфира, например, полоса пропускания излучения находится в пределах 0,2 - 5 мкм (на уровне 80 %), что свидетельствует о том, что тепловое излучение нагретой поверхности мало воздействует на нижележащие слои. При скорости продольной упругой волны в лейкосапфире 104 м/с глубина распространения ее за время соударения составит 2 мм, причем диссипация энергии этой упругой волны происходит на уже имеющихся в кристалле дефектах.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что основная часть энергии, затраченной на шлифование заготовки в режиме квазипластичности, расходуется в снимаемом припуске, что приводит к его значительному перегреву. Фактически удаляемый припуск можно представить как микронный слой другой, подвижной, температурно и механически модифицированной фазы, в условиях нестационарного ограниченного теплообмена с основной массой заготовки и с обрабатывающим инструментом. На рис. 2 приведена модель распространения тепловых потоков при шлифовании заготовки в режиме квазипластичности. Такой вывод подтверждается численными решениями соответствующей математической модели. Следовательно, критерий хрупкого термического разрушения, ранее применяемый к объему всего образца, можно применять только к поверхности, и критическая температура означает возможность распространения дефектов вглубь заготовки из лейкосапфира.
Затраты энергии на шлифование: E = W = Wl/v, где - время контакта образца с инструментом, с; l - размер заготовки по горизонтали, м; W - изменение мощности привода обрабатывающего инструмента в период обработки, Вт (устанавливается по изменению величины тока и напряжения: W = U0I0 - U1I1).
Эта энергия тратится на разрушение припуска, нагрев слоя и кинетическую энергию удаляемых частиц. Пренебрегая кинетической энергией, которая на 2 порядка меньше тепловой, получим E1 = 1с1(Т1 - Т0)S + 6S/ - 1(T1 - Tоп)Sl/v ;
Q1 = 1с1(Т1 - Т0)S, где 1 - плотность материала заготовки, кг/м3; с1 - удельная теплоемкость материала заготовки, Дж/ кг, К; Т0 - начальная температура заготовки, К; Т1 - текущая температура припуска, К; S - площадь поверхности заготовки, м2; - удельная поверхностная энергия материала заготовки, Дж/м2; - глубина резания, м; v Цскорость резания м/с; Tоп - температура обрабатываемой поверхности заготовки, К.
Шлифовальный круг v Е QQКвазипластичный слой v Q2 ЕQзаготовка QQQQдержавка Qа) QQQб) Рис. 2 Схема тепловых потоков при шлифовании заготовки а) в период обработки б) в период охлаждения Обозначения:
E - энергия, введенная в систему;
E1 - энергия, выведенная из системы с удаленным припуском;
Q0 - тепло, отведенное в шлифовальный круг в период обработки;
Q1 - тепло, накопленное в припуске;
Q2 - тепло, отведенное теплопроводностью в заготовку в период обработки;
Q3 - тепло, отведенное излучением от заготовки в период обработки;
Q4 - тепло, поступившее излучением в заготовку в период обработки;
Q5 - тепло, поступившее излучением в заготовку в период обработки;
Q6 - тепло, накопленное в заготовке в период обработки;
Q7 - тепло, отведенное теплопроводностью от припуска в заготовку в период обработки;
Q8 - тепло, отведенное от заготовки в окружающую среду в период обработки;
Q9 - тепло, отведенное от поверхности заготовки в период охлаждения;
Q10 - тепло, отведенное теплопроводностью от державки в заготовку в период охлаждения;
0 - коэффициент теплообмена между припуском и шлифовальным кругом в период обработки;
1 - коэффициент теплообмена между припуском и заготовкой в период обработки;
2 - коэффициент теплообмена между державкой и атмосферой в период обработки;
3 - коэффициент теплообмена между поверхностью заготовки и атмосферой в период охлаждения;
4 - коэффициент теплообмена между державкой и атмосферой в период охлаждения.
Часть энергии идет на разрушение и нагрев обрабатывающего инструмента. Эта величина зависит от многих факторов - типа связующего, крупности зерен и т.п. Поэтому доля общей энергии определяется эмпирически при микроскопическом исследовании уловленных частиц (по соотношению числа частиц абразива и обрабатываемого материала заготовки). Примем E1 = Е., где - коэффициент полезного использования энергии обрабатывающего инструмента. В первом приближении = 0,5. За время обработки часть тепловой энергии уходит вместе со снимаемым припуском:
Q0 = 0(T1 - Tи)Sl/v ;
Q2 = 1(T1 - Tоп)Sl/v, где Tи - температура поверхности инструмента, К; Tоп - температура ОП, К.
Критерий КТ, определяющий влияние снимаемого припуска на ОП, можно определить как отношение энергии припуска к потерям энергии за один проход. В свою очередь энергия припуска складывается из его тепловой энергии и поверхностной энергии всех удаляемых частиц.
Тогда выражение для данного критерия примет вид:
с1 Т1 - Т0 6 / KT, (T1 - T )l / v 1 пп где l - размер заготовки по горизонтали, м; 1 - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; с1 - удельная теплоемкость материала припуска, Дж/ кг. К; Т0 - начальная температура заготовки, К; Цглубина резания, м; Т1 - текущая температура припуска, К; S - площадь обрабатываемой поверхности заготовки, м2; - удельная поверхностная энергия материала заготовки, Дж/м2; l - продольный размер заготовки вдоль линии резания, м; v Цскорость резания, м/с;
Tпп - температура поверхности заготовки, К; - коэффициент теплообмена между припуском и поверхностью заготовки.
Дополняя известную систему критериев, полученный критерий позволит более точно задавать режимы обработки и уменьшить брак, связанный с тепловыми процессами, сопровождающими процесс обработки.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса шлифования в режиме квазипластичности, проведенных на основе использования аппаратов визуализации температурных полей, точных методов контроля нанометрового рельефа поверхности.
В процессе квазипластичной обработки заготовок из искусственно выращенного монокристалла лейкосапфира производилось измерение температуры портативным компьютерным термографом ИРТИС-2000 (рис.4). В ходе экспериментальных исследований изменялась скорость прохода стола станочного модуля, врезная подача.
ШК Образец Рис. 4. Термограф ИРТИС-20Рис.3 Основные направления движения частей УОС станочного модуля АН15фВо время эксперимента проводилась термографическая съемка при различных скоростях продольной подачи стола станочного модуля. Были проведены эксперименты, в которых увеличивалась глубина резания и в режиме выхаживания проводилась термографическая съемка. Эксперимент проводился при следующих значениях глубины резания: 0,9 мкм; 1,8 мкм; 2,мкм; 3,6 мкм; 4,5 мкм; 5,4 мкм. По экспериментальным данным получено распределение температуры 100.
на поверхностях заготовки Т = 15,14 +1,4. из лейкосапфира в процессе 90.
14,03. обработки в режиме 14,03. 80.
квазипластичности (рис.5).
Для получения 70.
поверхности высокого 60.
качества при шлифовании в 50.
режиме квазипластичности необходимо поддерживать 40.
постоянными такие усилия 30.
прижима, при которых 20.
снимаемый припуск 0. 1. 2 3 4. 5. 6.
разогревается, проявляя Величина глубины резания мкм Рис.5 Зависимость температуры поверхности от глубины резания Температура поверхн. Т, С пластичные свойства, но, руководствуясь приведенными в главе 3 критериями хрупкого термического разрушения, не допускается переход в область хрупкого разрушения. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований квазипластичной обработки на станочном модуле АН15ф4 с ЧПУ получены заготовки из лейкосапфира с шероховатостью поверхности 2-10 нм.
В табл.2 приведены режимы обработки, рекомендуемые для прецизионного шлифования заготовок из лейкосапфира.
По результатам исследований построена комплексная зависимость, отражающая взаимосвязь отношения тангенсальной и нормальной силы резания kр,глубины резания и температуры нагрева поверхности заготовки из лейкосапфира Т при квазипластичной обработке, приведенная на рис. 6. Данная зависимость имеет вид: Т (оС) = 15,14 + 280,6.. kр.
Таблица 2.
Режимы обработки заготовок из лейкосапфира на станочном модуле АН15фПараметры оборудования Лейкосапфир Шлифовальный круг (зернистость) 3/Скорость продольной подачи стола 4,08 м/мин Время нахождения в зоне обработки 0,4 с Время нахождения вне зоны обработки 9 с Программа обработки 00002, 000Начальная глубина резания 0,05 мкм Рис. 6. Взаимосвязь температуры поверхности, глубины резания и отношения тангенсальной и нормальной составляющих силы резания при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира Пользуясь приведенной зависимостью при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира, при соответствующем контроле параметров обработки можно выбирать режимы обработки таким образом, чтобы температура поверхности не превысила допустимую и процесс обработки не перешел из квазипластичной области в область хрупкого разрушения, а также получать высококачественную ОП с заданными нанометровыми выходными параметрами по шероховатости.
Пятая глава посвящена исследованию возможности автоматизации процесса поверхностной обработки в режиме квазипластичности для серийного производства заготовок из лейкосапфира и перспективам развития прецизионной поверхностной обработки изделий.
Проведенный анализ средств контроля позволил предложить наиболее перспективные для автоматизации прецизионного процесса поверхностной обработки методы и средства контроля. Способ обработки заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности является перспективным для автоматизации процесса обработки, поскольку имеет возможности осуществления диагностики процесса различными аппаратными средствами, дополнительного контроля качества обрабатываемых изделий и групповой обработки изделий из твердых материалов. По выбранным управляющим параметрам составлены алгоритмы управления процессом квазипластичной обработки. На рис. 7 приведен один из них, предусматривающий включение охлаждающей установки.
На формирование структуры российского рынка монокристаллов из лейкосапфира оказало влияние прежде всего то, что продукция из него в большей степени является продукцией двойного назначения. Промышленные и военные сегменты основных потребительских рынков (точное машиностроение, приборостроение, оптоэлектроника, микроэлектроника, энергетика и другие отрасли промышленности) достаточно плотно переплетаются. Развивающиеся нанотехнологии делают актуальной задачу разработки прецизионной механической обработки заготовок из лейкосапфира.
Экономический эффект от применения технологии квазипластичного шлифования достигается за счет снижения себестоимости продукции путем снижения амортизационных отчислений (отсутствуют стадии химического травления, финишного полирования) и уменьшения брака (дефекты, привнесенные технологическим процессом обработки, минимальны или отсутствуют) на 5-10%. При квазипластичном шлифовании отсутствует разница в трудоемкости обработки заготовок различной ориентации.
Финишная обработка полученных заготовок до необходимой шероховатости осуществляется в основном зарубежными фирмами. Стоимость заготовок, отправляемых на финишную обработку (при прочих равных условиях соблюдения технических требований) напрямую зависит от шероховатости ОП. Использование предложенной технологии позволит сократить количество технологических операций, позволит сократить брак, снизить себестоимость заготовок, а также увеличить продажную цену заготовок после алмазного шлифования за счет снижения шероховатости поверхности заготовок.
НАЧАЛО Ввод параметров образца Размерная настройка Начало обработки Счетчик проходов N=N+Измерение частоты колебания fn, T, определение Tср, kтр нет kтр kтр.пред.
Уменьшение Fz да нет f выкл. да Вкл. охл. уст. нет T ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе решена научно-техническая задача, имеющая существенное значение для технологии прецизионной механической обработки и заключающаяся в совершенствовании технологического процесса прецизионной обработки и оборудования на основе научно обоснованного выбора рациональных режимов квазипластичного шлифования плоских поверхностей заготовок из лейкосапфира с получением нанометровой шероховатости поверхности и отсутствием микротрещин. 1. Предложена модель процесса квазипластичного удаления припуска при прецизионной обработке заготовок из лейкосапфира, предполагающая расход основной энергии шлифования в снимаемом припуске и низкий коэффициент нестационарного теплообмена между снимаемым припуском и поверхностью заготовки. 2. Установленные теоретические и экспериментальные зависимости температуры поверхности заготовок из лейкосапфира от усилия прижима обрабатывающего инструмента при прецизионном шлифовании при введении в систему ЧПУ станочного модуля позволят усовершенствовать процесс обработки и увеличить производительность процесса шлифования. 3. Предложен термический критерий выбора режима обработки заготовок из лейкосапфира, характеризующий энергетическое состояние поверхности. Дополнение этим критерием системы существующих критериев квазипластичного шлифования позволило уточнить область допустимых значений силовых параметров обработки (5-10 Н/см2). 4. На этапе прецизионного алмазного шлифования обоснован рациональный диапазон технологических параметров для получения нанометровой шероховатости поверхности заготовок из лейкосапфира. При этом наилучшая производительность обработки в режиме квазипластичности на станочном модуле АН15ф4 достигается при режимах обработки с максимальным значением глубины резания 0,03 мкм. 5. Разработанная методика контроля шероховатости заготовок из лейкосапфира позволяет получать поверхности заготовок заданной шероховатости и контролировать шероховатость в процессе обработки. 6. Установлена комплексная зависимость, отражающая взаимосвязь отношения тангенсальной и нормальной составляющих силы резания, глубины резания и температуры нагрева поверхности заготовки из лейкосапфира при квазипластичной обработке, пользуясь которой можно выбирать режимы обработки таким образом, чтобы температура поверхности не превысила допустимую и процесс обработки не перешел из квазипластичной области в область хрупкого разрушения. 7. Составлены алгоритмы для управления в автоматическом режиме процессом обработки заготовок из лейкосапфира в режиме квазипластичности с получением нанометрового рельефа поверхности для станочного модуля АН15ф4 с ЧПУ с учетом влияния тепловых процессов, сопровождающих процесс обработки. 8. По результатам исследований внесены корректировки в методику настройки оборудования, поправки в методические рекомендации выбора начальных режимов обработки и уточнены технические требования к оборудованию (серийного выпуска) для прецизионной поверхностной обработки твердых хрупких материалов. 9. Разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов обработки, применение которых на предприятии Анкон Е.-М. позволило получить поверхности заготовок из лейкосапфира нанометровой шероховатости (Ra=2 нм). По теме диссертации опубликованы: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: 1. Теплова Т. Б., Коньшин А.С., Соловьев В.В. Особенности микрошлифования кристаллов лейкосапфира на станочном модуле с ЧПУ. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - №3. - С. 52-56. 2. Теплова Т.Б., Коньшин А.С., Соловьев В.В., Ашкинази Е.Е. О выборе рациональных режимов процесса микрошлифования монокристалла лейкосапфира. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - №9. - С. 76-83. 3. Теплова Т.Б., Гридин О.М., Соловьев В.В., Ашкинази Е.Е., Ральченко В.Г. Моделирование процесса квазипластичной поверхностной обработки твердых хрупких материалов электронной техники. Нано-и микросистемная техника. - 2010.- № 11.- С.20-23. 4. Соловьев В.В. Модель прецизионной обработки твердых хрупких кристаллических материалов с получением нанометрового рельефа поверхности. - Нано-и микросистемная техника. - 2010. - № 12.- С10-14. 5. Соловьев В.В. Модель прецизионной обработки твердых хрупких кристаллических материалов с получением нанометрового рельефа поверхности. - СТИН. - 2011. - №2. - С.37. В других изданиях: 6. Ашкинази Е.Е., Коньшин А.С, Теплова Т. Б., Соловьев В.В. и др. Получение лейкосапфировых подложек с критически контролируемыми параметрами шероховатости нанометровой величины/ Сборник трудов Международного симпозиума Образование через науку, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 17-мая 2005г. 7. Ральченко В.Г., Ашкинази Е.Е., Коньшин А.С., Теплова Т. Б., Соловьев В.В., Плотников С.А. Микрошлифование алмазных пластин, выращенных в СВЧ плазме до наноразмерных величин микронеровностей/ Сборник трудов научнотехнической конференции Аэрокосмические технологии, Реутов, ФГУП НПО машиностроения, 25 мая 2005г. 8. Коньшин А. С., Теплова Т.Б., Соловьев В.В. Прецизионная обработка алмазов и сверхтвердых кристаллических материалов /Сборник статей XIII Международной конференции "Технология художественной обработки материалов". - М.: МГГУ.-2010.-С.170-180. 9. Теплова Т.Б., Гридин О.М., Амосов В.И., Бирюков Е.Н., Соловьв В.В., Морозов А.Е. Перспективы применения лейкосапфира в промышленности и актуальность его поверхностной обработки /Сборник статей XIII Международной конференции "Технология художественной обработки материалов". - М.: МГГУ. - 2010. - С. 141Ц149. 10. Гридин О.М., Теплова Т.Б., Могирева Е.С., Соловьев В.В. Критерии прецизионной обработки хрупких кристаллических материалов /Материалы VI международного симпозиума Механика материалов и конструкций. - Польша. - г. Авустов, 30.05 - 02.06. 2011г. 11. Гридин О.М., Теплова Т.Б., Соловьев В.В. Механическая квазипластичная обработка рабочей поверхности заготовок из лейкосапфира. Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2012. - №2. - С. 25-28. 12. Гридин О.М., Теплова Т.Б., Соловьев В.В. Прецизионная обработка плоских поверхностей деталей из лейкосапфира. Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2012. - №3. - С. 32-37.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям