Разработка научных основ создания технологии прецизионной обработки твердых хрупких минералов

В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной научной проблемы обработки поверхностного слоя твердых хрупких материалов для создания нанометрового рельефа поверхности - физико-техническое обоснование параметров квазипластичного удаления поверхностного слоя твердых хрупких кристаллических материалов при их механической обработке для создания нанометрового рельефа поверхности, имеющее важное значение для использования этих материалов при изготовлении высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий в машино- и приборостроении, микроэлектронике, медицине, светотехнике, ювелирной и других отраслях промышленности, а именно:

1. Разработаны теоретические положения, описывающие закономерности процесса квазипластичной обработки с пассивным воздушным охлаждением поверхностной твердых хрупких кристаллических материалов (алмаза, лейкосапфира).

2. Разработана методология формирования нанометрового рельефа поверхности и активного контроля процесса квазипластичной обработки на основе выделения и оценки информативных характеристик процессов, сопровождающих квазипластичное удаление поверхностного слоя, т.е. поверхностную обработку твердых хрупких кристаллических материалов (алмаза, лейкосапфира).

3. 
   Предложена классификация состояния поверхностного слоя минерала при механическом воздействии по величине удельной энергии при обработке в режиме квазипластичного удаления поверхностного слоя осуществляется при величине удельной энергии в интервале от предела потенциала Пайерлса (для лейкосапфира 3Дж*м^-3), соответствующего началу движения дислокаций, до хрупкого разрушения (для лейкосапфира 605 кДж* м^-3).
   

5. Разработана модель квазипластичного удаления поверхностного слоя твердых хрупких минералов при их обработке на основе определения напряженно-деформированного состояния точек поверхностного слоя под действием распределенной нагрузки в интервале допустимых контактных напряжений, для получения нанометрового рельефа поверхности, составляющем доли процента от величины предела прочности минерала на растяжение.

6. Сформулировано, что при квазипластичном удалении поверхностного слоя твердого материала для получения заданного качества поверхности при расчете контактных напряжений необходимо учитывать влияние теплового расширения, которое определяется влиянием интегральной средней температуры по объему образца и практически не зависит от более высокой температуры поверхностного слоя. Проведенные экспериментальные исследования на образцах алмаза и лейкосапфира показали, что одним из условий проведения обработки поверхности в режиме квазипластичности без перехода в состояние хрупкого разрушения является соотношение длительности периодов обработки и пассивного воздушного охлаждения (от 0,5с до 10с - для лейкосапфира, от 0,3с до 5с - для алмаза)

7. На основании проведенных экспериментальных исследований, проведенных на предприятии «Анкон-Е.М.», установлено, что спектры акустических сигналов, генерируемых системой «инструмент-обрабатываемый материал» в процессе квазипластичного удаления поверхностного слоя, находятся в килогерцовом диапазоне и являются совокупностью колебаний, специфичных для каждого исследуемого материала. При поверхностной обработке в режиме квазипластичного удаления поверхностного слоя алмаза и лейкосапфира установлена прямо пропорциональная зависимость частот генерируемого акустического сигнала от модуля упругости (Юнга) для различных кристаллографических направлений, которая не связана с размерами образца и может быть использована при диагностике неоднородностей упругих свойств поверхностного слоя в процессе механического воздействия и связанного с ними необходимого изменения усилия прижима инструмента.

8. Разработан рациональный диапазон технологических параметров для получения нанометровой шероховатости поверхности твердых хрупких кристаллических материалов при квазипластичном удалении поверхностного слоя на этапе алмазного шлифования, определяющийся критерием хрупкого термического разрушения для обрабатываемого минерала и пределом прочности на сдвиг.

9. Разработана концептуальная модель квазипластичной поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических материалов на основе предложенного комплекса критериев (прочностных, теплофизических и упруго-механических), которая представляет возможность автоматизации процесса поверхностной обработки в режиме квазипластичности для серийного производства изделий с нанометровым рельефом поверхности, с использованием в качестве управляющего параметра процесса обработки акустического сигнала, генерируемого системой «инструмент – обрабатываемый материал».

10. На основании проведенных экспериментальных исследований, проведенных на предприятии «Анкон-Е.М.», было установлено, что для получения высококачественной поверхности нанометрового рельефа на этапе алмазного шлифования твердых хрупких кристаллических материалов (алмаз, лейкосапфир) в режиме квазипластичного удаления поверхностного слоя, необходимо уменьшать усилие прижима при уменьшении собственной частоты сигнала, генерируемого системой «инструмент – обрабатываемый материал» .

11. На основании проведенных автором настоящей работы экспериментальных исследований на предприятии «Анкон-Е.М.» было установлено, что качество поверхности обрабатываемого материала определяется величиной контактных напряжений на микронеровностях, определяется величиной контактных напряжений на микронеровностях (характеризуемых врезными подачами, максимальное значение которых 0,05 мкм для алмаза; 0,03 мкм для лейкосапфира) в области стабильных частот (0,6 кГц для лейкосапфира, 3,5 кГц для алмаза), генерируемых системой «инструмент – обрабатываемый материал» в процессе квазипластичного удаления поверхностного слоя, обеспечивает наилучшую производительность обработки материала в режиме квазипластичности от 50нм/ход до 1нм/ход в зависимости от заданных выходных параметров с получением поверхности нанометрового рельефа.

12. Составлены алгоритмы для управления в автоматическом режиме процессом поверхностной обработки твердых материалов с получением поверхности заданного качества, которые были реализованы на предприятии «Анкон-Е.М.» при обработке поликристаллического алмаза и лейкосапфира на станочном модуле АН15ф4 с числовым программным управлением.

13. Предложены технические решения, позволяющие непосредственно в процессе квазипластичной обработки оценивать динамику изменения шероховатости поверхности образца по соотношению тангенциальных и нормальных усилий прижима на образец со стороны обрабатывающего инструмента и по изменению параметров собственных колебаний постоянной частоты системы «инструмент – обрабатываемый материал». Предложены перспективные методы повышения производительности процесса квазипластичного удаления поверхностного слоя твердых хрупких материалов с применением воздействий магнитного, электрического и акустического полей, а также их сочетания. Предложенные решения находятся в стадии оформления заявки на патент.

14. По результатам экспериментальных исследований внесены корректировки в методику настройки оборудования, при обеспечении выбора параметров настройки приводов, траектории обработки, при назначении режимов обработки для получения нанометрового рельефа поверхности при квазипластичном удалении поверхностного слоя для станочного модуля АН15ф4 с ЧПУ.

15. Научные результаты, полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований, положены в основу рекомендаций по выбору рациональных режимов механической обработки плоских поверхностей моно - и поликристаллических алмазов и лейкосапфира в режиме квазипластичности, применение которых в производственном процессе на предприятии «Анкон-Е.М.» позволило получить плоские поверхности поликристаллических алмазов с шероховатостью R_a=18 нм, R_a=2,5 нм, и плоские поверхности монокристаллов лейкосапфира с шероховатостью R_a=1,9 нм (опытная партия в количестве 28 штук).

1. 
   Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Анализ путей повышения эффективности обработки алмазов. – ГИАБ. - 2000. - №9.- С. 184-187.
   
2. 
   Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Технологические аспекты диагностики бездефектной обработки кристаллов. - ГИАБ. – 2000. - №11. - С.218-220.
   
3. 
   Теплова Т.Б., Коньшин А.С., Сильченко О.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., Сильченко О.Б., Морозов В.И. Тестовые методы диагностирования параметров квазипластичного шлифования кристаллов / Мат-лы конф. «V Юбилейная Школа Геомеханики». - Польша, Устрань, 16-19 ноября 2001г.
   
5. 
   Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Диагностирование параметров пластичного микрошлифования в мезообъемах/ Мат-лы X Международного симпозиума «GEOTECHNIKA – GEOTECHNICS» Польша, Устрань, 15-18 октября 2002г. - С 127-135.
   
6. 
   Коньшин А.С., Теплова Т. Б., Соловьев В.В. Особенности микрошлифования кристаллов лейкосапфира на станочном модуле с числовым программным управлением. – ГИАБ. – 2005. - №3. - С. 52-56.
   
7. 
   Теплова Т.Б., Коньшин А.С., Соловьев В.В., Ашкинази Е.Е. О выборе рациональных режимов процесса микрошлифования монокристалла лейкосапфира. - ГИАБ. – 2005. - №9. - С. 76-83.
   
8. 
   Теплова Т.Б., Гридин О.М., Петронюк Ю.С., Левин В.М. О перспективах применения ультразвуковой микроскопии для оценки качества кристаллов после микрошлифования на станочном модуле с ЧПУ. – ГИАБ. – 2005. - №11. - С. 124-129.
   
9. 
   Коньшин А.С., Теплова Т.Б., Переселенкова Е.И., Проектирование технологического процесса огранки ювелирной вставки из алмаза со сферической гранью на станочном модуле с ЧПУ. – ГИАБ. – 2005. - №5. - С. 258-262.
   
10. 
    Теплова Т. Б., Могирева Е.С., Переселенкова Е.И. Методы принятия решений создания алгоритма автоматического выбора рациональных режимов шлифования для размерно-регулируемой обработки твердых материалов/ XLIV Sympozjonu ptmts Modelirowanie w mechanice ,Wisla, 2005.- С. 443-450.
    
11. 
    Теплова Т. Б., Коньшин А.С., Гридин О.М. Осциллографический метод контроля процесса микрошлифования на станочном модуле с ЧПУ. – ГИАБ. – 2005. - №10. - С. 84-88.
    
12. 
    Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Могирева Е.С. Разработка модели и алгоритма автоматического выбора рациональных режимов шлифования для размерно-регулируемой обработки твердых минералов/ XLIV Sympozjonu ptmts Modelirowanie w mechanice, Wisla, 2005. – С. 407-412.
    
13. 
    Ашкинази Е.Е., Коньшин А.С, Теплова Т. Б. и др. Получение лейкосапфировых подложек с критически контролируемыми параметрами шероховатости нанометровой величины/ Международный симпозиум «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 17-19 мая 2005г.
    
14. 
    Теплова Т. Б., Могирева Е.С. Разработка алгоритма осциллографического контроля качества поверхности при размерно-регулируемом шлифовании / International Scientific Conference; 55^th anniversary of founding the Faculty of Mechanical Engineering of VSB Technical University of Ostrava, Czech Republic, September 7-9, 2005г.
    
15. 
    Обработка поликристаллических CVD алмазов в упругой обрабатывающей системе, Е.Е.Ашкинази, В.Г.Ральченко, А.С.Коньшин, Т. Б. Теплова и др. / Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технологии его изготовления и применения / Сборник научных трудов.- Киев, ИСМ им.В.Н.Бакуля, выпуск 8, 2005г.- С.216-220.
    
16. 
    Теплова Т. Б., Самерханова А.С. Тенденции развития применения твёрдых высокопрочных минералов в микроэлектронике, медицине и ювелирных изделиях. - ГИАБ. – 2006. - №10. - С. 338-346.
    
17. 
    Гридин О.М., Теплова Т. Б., Самерханова А. С. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления лейкосапфира от температуры. – ГИАБ.- 2007. - №4. С. 365-370.
    
18. 
    Теплова Т.Б., Самерханова А.С. Обзор методов контроля дефектности твердых материалов. - ГИАБ. - 2007. - №5. – С. 365 – 369.
    
19. 
    Теплова Т.Б. Коньшин А.С., Гридин О.М., Плотников С.А. Влияние теплового расширения на качество плоских поверхностей монокристалла лейкосапфира. – ГИАБ. - 2006-№11, С. 345-350.
    
20. 
    Теплова Т.Б. Самонастраивающееся управление со стабилизацией выходных параметров обработки на основе диагностирования параметров пластичного резания в мезообъемах. – ГИАБ. – 2002. - №5. – С. 157-161.
    
21. 
    Теплова Т. Б. Шлифование поверхностей в режиме пластической деформации как способ получения твердых минералов с заданной шероховатостью / Мат -лы ХI Международного симпозиума «GEOTECHNIKA – GEOTECHNICS » Польша, Устрань, 19-22 октября 2004г. - С 86-93.
    
22. 
    Теплова Т. Б. Перспективы технологии размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов. - ГИАБ. – 2005. - №1. - С. 90-94.
    
23. 
    Теплова Т.Б. Энергетические особенности процесса микрошлифования твёрдых кристаллов. - М. – ГИАБ. – 2006. -№12. - С. 326-333.
    
24. 
    Теплова Т.Б. Учет акустических и температурных параметров при определении управляющих параметров микрошлифования твёрдых материалов. – ГИАБ. – 2007. -№1. С. 103-104.
    
25. 
    Теплова Т.Б. Функциональная управляющая модель процесса механической обработки поверхностей твёрдых материалов, обеспечивающая получение шероховатости нанометрового уровня. – ГИАБ. – 2007. -№1. - С. 357-359.
    
26. 
    Теплова Т.Б. Теоретическая интерпретация процесса размерно-регулируемого микрошлифования твёрдых материалов. – ГИАБ. – 2007. -№2. – С. 363 - 370.
    
27. 
    Теплова Т.Б. Учет упругих постоянных упругой обрабатывающей системы при микрошлифовании твёрдых материалов. – ГИАБ. – 2007. - №3. – С. 351 -354.
    
28. 
    Теплова Т.Б. Физические процессы при механической обработке твердых минералов на ультразвуковых частотах. - Горный журнал. – 2007. - №1. – С.45-47.
    
29. 
    Теплова Т.Б. Тепловые процессы при механической обработке твердых минералов. - Горный журнал. – 2007. - №12. – С. 42-45.
    
30. 
    Теплова Т.Б. Анализ энергетических и силовых параметров усталостного разрушения поверхностного слоя твердых минералов при механическом воздействии. – ГИАБ. – 2007. - №7. – С.91 - 98.
    
31. 
    Теплова Т.Б. Частотные характеристики минералов при поверхностном разрушении под воздействием периодического механического поля. – ГИАБ. – 2007. - №4. – С 370 -373.
    
32. 
    Теплова Т.Б. Критерии квазипластичного режима при направленном поверхностном разрушении твердых материалов. – ГИАБ. – 2007. - № 4. С. 241 – 243.
    
33. 
    Теплова Т.Б. Особенности взаимодействия инструмента и твердых материалов при направленном разрушении поверхностного слоя. – ГИАБ. – 2007. - № 4, - С.180 -181.
    
34. 
    Tatiana B. Teplova," The modelling of thermal processes at the mechanical
    grinding of hard materials", Materialy konferencyjne, XLVI Sympozjon PTMTS
    "Modelowanie w mechanice", Politechnika Slaska, Katedra Mechaniki
    Teoretycznej i Stosowanej, Gliwice 2007, s. 31-35.
    
35. 
    Теплова Т.Б. Исследование возможности обработки хрупких твердых кристаллических материалов электронной техники в режиме квазипластичности для совершенствования качества обрабатываемой поверхности. - Нано-и микросистемная техника. -2008.- №2. –С. 45-47
    
36. 
    Теплова Т.Б. Физико-технологические принципы получения нанометрового рельефа поверхности при обработке твердых хрупких материалов электронной техники. – Нано-и микросистемная техника. – 2008. -№7. –С. 33-37.
    
37. 
    Теплова Т.Б. Контроль качества обрабатываемой поверхности в процессе квазипластичной обработки твердых хрупких минералов. – Контроль. Диагностика. 2008. –№9. – С 25 –27.
    

39. Теплова Т.Б. Физико-технологические принципы получения нанометрового рельефа поверхности при обработке твердых хрупких материалов электронной техники.- СТИН.- 2009. -№5. –С34 –40.

40. Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Технологическая диагностика размерно - регулируемого критически бездефектного микрорезания натуральных алмазов на станках с ЧПУ / Тез. Международной науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии».- Иваново. - 2001. - С.222.

41. Обработка алмазных пластин, выращенных в СВЧ плазме до наноразмерных величин микронеровностей Ашкинази Е.Е., Ральченко В.Г., Коньшин А.С., Теплова Т. Б. и др. Научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии» Реутов ФГУП «НПО машиностроения»25 мая 2005г.- С. 127

42. Теплова Т. Б., Физическая модель процесса размерного квазипластического обработки твердых минералов / Тез. Международной науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии».- Иваново.- 2005.- С.158.