Разработка научных основ создания технологии прецизионной обработки твердых хрупких минералов

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Кроме традиционных сфер применения в машиностроении, приборостроении, твердые материалы, особенно минералы в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение в производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий. При применении твердых хрупких кристаллических материалов для изделий микро-наноэлектроники, медицины и других технологических изделий в области нанотехнологий актуальной проблемой является их поверхностная обработка с формированием поверхности нанометрового рельефа. Сложность механической обработки твердых хрупких минералов (алмаз, лейкосапфир) обусловлена их высокой твердостью 10, 9 по шкале Мооса), спайностью, анизотропией и другими физическими свойствами.

Традиционными способами поверхностной обработки лейкосапфира являются шлифование свободным и связанным абразивом и полирование. Однако при такой обработке, шероховатость обработанной поверхности составляет 200 –300 нм и получается высокий процент брака изделий, связанного с дефектами обработки (трещины, сколы, микротрещины), которые приводят к разрушению изделия. Разрушение происходит под действием предельных напряжений, вследствие развития трещин. В настоящее время для оценки предельных параметров напряженно-деформируемого состояния, вызывающих хрупкое разрушение и пластическое течение твердых тел, используют различные подходы, основанные на использовании критериев механики разрушения, механики рассеянных повреждений, прочности и пластичности.

Критерии прочности устанавливают момент исчерпания несущей способности твердого тела в некоторой точке или во всем объеме и содержат прочностные параметры твердых тел, определяемые экспериментально в лабораторных и натурных условиях. В основном критерии обосновываются классическими теориями прочности и механикой разрушения и рассматривают условия зарождения и распространения трещины. Для хрупких горных пород и кристаллов предельное состояние наступает при достижении ими предела прочности, после которого при дальнейшем приложении напряжения, происходит рост трещин.

В данной работе ставятся задачи разработки основ теории и научной базы процесса квазипластичной поверхностной обработки твердых хрупких кристаллических минералов (алмаза, лейкосапфира), разработки методологии формирования нанометрового рельефа поверхности и активного контроля процесса квазипластичной обработки на основе выделения и оценки информативных характеристик процессов, сопровождающих квазипластичную поверхностную обработку твердых хрупких материалов и другие задачи исследования, изложенные выше. На основе определения новых закономерностей процесса квазипластического удаления ПС материала с учетом его физико-механических и теплофизических свойств появляется возможность разработки научно обоснованной методики выбора рациональных режимов механической обработки поверхностей твердых хрупких минералов.

На этой базе основан новый подход к шлифованию минералов, как к удалению поверхностного слоя обрабатываемого материала без разрушения его основного объема, с учетом основных закономерностей разрушения горных пород и минералов.

Вторая глава посвящена разработке модели квазипластичного удаления ПС твердых хрупких кристаллических материалов с формированием нанометрового рельефа поверхности. Рассмотрена модель квазипластичного удаления ПС твердых материалов с учетом теплофизических свойств, упругих свойств обрабатывающей системы и оценки состояния системы «инструмент-обрабатываемый материал». Научно-методические подходы формирования физико-математической модели основывались на корректности оценки 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. Физическая мезомеханика исследует вопросы, находящиеся на стыке физики твердого тела и механики деформируемого твердого тела. Применяющийся в физической мезомеханике термин “масштабные уровни деформации” предполагает четкую классификацию размеров в иерархии масштабов: “микро”, “мезо” и “макро”. Термин “мезоскопический” в физической мезомеханике отражает смысл “промежуточный” между твердым телом как сплошной средой и его конкретной кристаллической решеткой. При рассмотрении объекта исследования малой величины (примерно 0,5 -0,05 нм) допускается применение как элементов классических уравнений напряженно-деформируемых состояний механики сплошной среды, так и элементов теории дислокаций. Физическая мезомеханика рассматривает ПС в нагруженных материалах как самостоятельный мезоскопический структурный уровень деформации, который имеет более высокую концентрацию дефектов и пониженный предел сдвиговой устойчивости, по сравнению с основным объемом материала.

Рассмотрим суть механизма взаимодействия алмазных зерен ШК с ОП твердого хрупкого материала, обладающего микронеровностиями, при поверхностной обработке материала. Во время упругого взаимодействия выступов, согласно релаксационной модели мезомеханики, любая точка в деформируемом твердом теле испытывает сдвиг. В точке соприкосновения выступов ШК и ОП кристаллического минерала происходит локальная потеря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки. Происходит движение дефектов в кристалле, в результате которого первоначальный концентратор напряжений релаксирует, и распределение напряжений в кристалле становится более однородным. Исходный высокопрочный кристалл в ходе квазипластической деформации наполняется дефектами структуры. Кристалл снижает свою прочность, но сохраняет сплошность. Сдвиг на микроуровне сопровождается поворотными деформациями на мезоскопическом масштабном уровне. На мезоуровне носителями квазипластического течения являются структурные элементы – мезообъемы. Формирование движущихся в релаксационном режиме мезообъемов происходит в основном в ПС обрабатываемого минерала, имеющем большую дефектность, в направлении максимальных касательных напряжений. Релаксация одних напряжений в процессе возвратно-поворотных колебаний сопровождается генерацией других внутренних напряжений. Режим квазипластичного удаления ПС хрупких минералов можно обеспечить при специальном подборе таких параметров, как усилие прижима и скорости движения инструмента параллельно поверхности кристалла, подвергаемой механическому воздействию.

При снижении контактных напряжений величина энергии воздействия может быть недостаточна для проявления пластичных свойств хрупких кристаллов, обусловленных движением дислокаций, если напряжения меньше предела Пайерлса (τ_п ), соответствующего началу движения дислокаций. Режим квазипластичного удаления ПС должен лежать в диапазоне энергий, превышающих энергию воздействия, соответствующую пределу Пайерлса, и быть меньше величины энергии, соответствующей хрупкому разрушению (определяемой, например, Ржевским В. В., Новиком Г.Я.). С учетом вышеизложенного сформирована классификация энергетического воздействия, позволяющая распределять эффекты, возникающие в ПС твердого минерала при механическом воздействии (табл. 1).

Таблица 1

Классификация энергетических уровней состояния поверхностного слоя

минералов при механическом воздействии

Состояние поверхностного слоя твердого минерала при механическом воздействии	Диапазон удельной величины энергии воздействия, W, Дж·м -3
При механической обработке хрупкое разрушение
Режим «квазипластичности»
Упругое деформирование материала

Например, для лейкосапфира =800 Мпа; Е = 46^.10¹⁰ Па. Величину предела Пайерлса определяем из известного соотношения (описанного, например, Т.Судзуки, Х. Ёсинага, С.Такеути): = 3,6^.10^-6 ∙ = 1,65 Мпа.

Оценим диапазон энергии воздействия для режима квазипластичного удаления ПС для лейкосапфира. Максимально допустимая энергия воздействия, обеспечивающая отсутствие хрупкого разрушения, составит 6,96^.10⁵ Дж∙м^-3. Минимальная энергия воздействия, характеризующая начало пластических процессов, обусловленных движением дислокаций, составит 2,98 Дж^.м ^–3.

Широкий интервал энергетического диапазона квазипластичного удаления ПС твердых минералов затрудняет задачу выбора оптимального режима механического воздействия. Для решения задачи рассмотрим процесс механического взаимодействия инструмента с поверхностью минерала. Взаимодействие имеет комплексный характер, включающий разнородные воздействия зерен шлифовального инструмента в нормальном и тангенциальном направлениях. Эти воздействия тесно взаимосвязаны, но для анализа в первом приближении удобно рассмотреть их по отдельности.

При создании модели взаимодействия инструмента с поверхностью твердого минерала при формообразовании нанометрового рельефа поверхности по нормали к ней процесс рассматривался как квазистатический. Данное допущение может быть принято на основе оценки времени воздействия инструмента и величин характерных времен волновых процессов, отличающихся более чем на 3 порядка. При анализе механизма взаимодействия приняты следующие допущения. Инструмент является абсолютно жестким телом с горизонтальной поверхностью. Данное допущение может быть принято на основании того, что инструментом являются алмазные зерна, размер которых (мкм) на порядок и более превышает размер шероховатости (нм). Задача решается в “плоском” приближении. В результате воздействия инструмента на микронеровности поверхности происходит их упругое деформирование. Воздействие инструмента можно заменить распределенной нагрузкой, действующей на каждую микронеровность (рис. 1).

Наиболее опасная точка А возникновения трещины в ПС находится в начале координат, что соответствует значению: , а .

Обработка твердых хрупких материалов в режиме квазипластичности будет происходить при соблюдении условия:

, (1)

где Р_кр- критические контактные напряжения, Р – текущее значение контактных напряжений в процессе обработки. На практике работа в области контактных напряжений, близких к величине , является затруднительной из-за невозможности создания одинаковой величины контактных напряжений по поверхности кристалла (т. к. микронеровности неоднородны по высоте). Величина средних контактных напряжений должна быть не меньше, чем на порядок, ниже критических.

Можно утверждать, что рациональный режим изменения усилия прижима в процессе обработки должен носить характер возрастания во времени на стадии выравнивания неоднородности шероховатости с последующим снижением в процессе обработки на стадии уменьшении величины шероховатости для обеспечения снижения величины удаляемых микрообъемов. Подробные расчеты приведены в диссертации.

С целью получения поверхности нанометрового рельефа было рассмотрено послойное квазипластичное удаление поверхностного слоя под действием усталостных напряжений возвратно-поворотных мод деформации. Процесс рассматривался как квазистатический. Задача решена в плоском приближении. Пусть  - подача ШК по вертикали, м. Если , где –высота выступа образца (шероховатость ), м, то столкновения выступов ОП образца с зернами ШК будут происходить в слое толщиной (рис 2).

Н
₂
а начальном этапе размер алмазных зерен ШК соизмерим с размером микронеровностей обрабатываемого материала (20 мкм). На заключительных этапах шлифования размер зерен ШК значительно превышает оставшиеся микронеровности, составляющие 2-10 нм. Примем средний диаметр части выступов ОП и части зерен ШК, попавших в этот слой  . Согласно предложенной модели при выбранном шаге подачи , м, за цикл снимается слой , но нижняя часть (впадины) шероховатости перемещаются на 2, до тех пор, пока подача не станет порядка высоты выступов (шероховатости ). На это необходимо циклов, , где - целая часть выражения. С этого момента усилие прижима инструмента (вертикальная подача инструмента) должно уменьшаться. При уменьшении подачи по закону , уменьшение усилия прижима будет продолжаться до тех пор, пока подача инструмента не сравняется с технически достижимой подачей ШК по вертикали . Общее число шагов, исчерпывающих технические возможности шлифовального станка, равно:

. (2)

Исходя из заданной шероховатости и минимально возможной врезной подачи станка можно вычислить число снимаемых слоев, время, необходимое на доведения заготовки до заданной шероховатости, и выбрать рациональный режим обработки.

Оценка минимального размера шероховатости, возможного получить на используемом оборудовании, исходит из технически достижимой подачи ШК по вертикали _min. Высота получаемого выступа шероховатости h_в   _min /2 +_тепл/2. Дальнейшего снижения шероховатости при квазипластичном удалении ПС можно добиться при нулевой подаче инструмента, создавая усилия прижима за счет теплового расширения образца. Оценочное значение минимальной шероховатости R_z:  , (3); , (4)

где – средний коэффициент линейного расширения материала образца, К^-1; - толщина образца, м; –разница между интегральной средней температурой ОП, К, и температурой окружающей среды, К.

Наиболее существенное влияние на процесс удалении ПС минерала в режиме квазипластичности оказывает тепловой фактор. При жестком закреплении образца повышение температуры будет приводить к необходимости снижения начального усилия прижима, что обусловлено тепловым расширением образца и увеличением подвижности дефектов в энергетической области квазипластичного удаления ПС (табл.1).

Схематично система «инструмент - обрабатываемый материал» представлена на рис. 3. Введенная энергия в системе «инструмент- обрабатываемый материал» расходуется на работу силы трения. В процессе обработки образца происходит периодический нагрев в зоне обработки и пассивное воздушное охлаждение образца при выходе из зоны обработки. При увеличении поступления теплового потока в результате работы силы трения происходит нагрев образца и распространение теплового потока вдоль оси образца. Под действием теплового потока с той же периодичностью вследствие теплового расширения возрастает усилие прижима кристалла к ШК. Чтобы не допустить скола минерала, необходимо рассчитать предельно допустимое усилие прижима и установить зависимость его изменения в процессе обработки от величины поступающего теплового потока. Для расчетов необходимо знать зависимость коэффициента теплового линейного расширения от температуры и для каждого обрабатываемого минерала определять критическую температуру, при которой тепловой поток в образце достигнет критического значения.

Точный аналитический расчет распределения температуры в образце, необходимый для расчета масштабов его теплового расширения, затруднен, вследствие неточности в определении тепловых параметров на границах образца в процессе обработки. Технически проще измерять температуры «горячей» и «холодной» поверхностей, а не тепловые потоки. В качестве первого приближения распределение температуры можно определить, решая известное дифференциальное уравнение теплопроводности для неограниченной пластины с периодическими граничными условиями первого рода. Сделав замену переменных и рассматривая изменения температуры поверхности в безразмерных координатах, получим уравнение и граничные условия в безразмерном виде:

(5)

При ξ =0 1 при 0 < Fo < Fo₁; 0 при Fo₁ < Fo < Fo₀.

При ξ = 1  = 0

где Fo -текущее значение критерия Фурье; а - температуропроводность; τ -текущее время; h -толщина образца; t₁- длительность периода нагрева; t₀ – время от начала одного периода нагрева до начала другого периода нагрева; (t₀ - t₁) - длительность периода охлаждения; Fо₁, Fо₀ - соответствующие значения критерия Фурье; ξ-безразмерная координата; θ-безразмерная температура; х –текущая координата; Т₀ - начальная температура среды; Т₁ - температура поверхности нагрева при х=h.

Применяя описанное Карслоу Г., Егер Д. квазистационарное асимптотическое решение данного уравнения при n , получим:

В период обработки (0<τ<t₁)

В период охлаждения (), , .

Исходные данные: - для лейкосапфира:

- для алмаза: =4,85^.10^-4 м²/с, = 0,002 м, =0,5 с, =5c, =550, =60, =600 .

Р
τ

0,8

0,6

0,4

0,2

0
ис. 5.Зависимость безразмерной температуры образца от координаты.