Разработка научных основ создания технологии прецизионной обработки твердых хрупких минералов

Таблица 2

Параметры станка

В станке осуществляется динамическое импульсное воздействие зерен вращающегося инструмента на ОП кристалла, которое является результатом сложения двух векторов: вектора сжимающего напряжения, определяемого потенциальной энергией сжатия, и вектора касательного напряжения, определяемого кинетической энергией. Основные направления движения частей УОС станочного модуля АН12ф4 показаны на рис.6.

Процесс квазипластичной обработки носит автоколебательный характер и прослеживается из анализа осциллограмм. По результатам эксперимента было проанализировано 377 осциллограмм, полученных при поверхностной обработке твердых материалов (лейкосапфира и поликристаллического и натурального алмаза) в режиме квазипластичности. Осциллограммы, полученные в процессе квазипластичной обработки, после выделения полезного сигнала из шумов (алгоритм осциллографического контроля приведен в диссертации) представляют собой известную из теории колебаний классическую картину биения нескольких частот (рис.7).

,

где А амплитуда, ω – частота, t –текущее время.

Достаточная по коэффициенту корреляции (0,8) аппроксимация осциллограмм, снятых при проведении экспериментальных исследований процесса квазипластичной обработки, может быть достигнута при использовании даже нескольких первых членов приведенной выше суммы гармонических колебаний.

Для монокристалла белого лейкосапфира аппроксимирующая функция периодического колебательного процесса имеет вид:

Для монокристалла желтого лейкосапфира:

Анализ этих выражений свидетельствует, что результирующая картина колебаний может быть представлена в первом приближении как результат взаимодействия низкочастотных колебаний с частотой около 50 Гц (частота биений шлифовального круга, вращающегося со скоростью 50 оборотов в секунду) и двух достаточно близких по частоте мод автоколебаний килогерцового диапазона. Предположительно данные частоты могут характеризовать автоколебания микроагрегатов поверхностного слоя при разрушении кристаллической решетки материала в «твердом» и «мягком» направлениях, обусловленных расположением атомов в различных кристаллографических направлениях. Таблицы значений амплитудно- частотных характеристик, полученных при поверхностной обработке кристаллов, и осциллограммы приведены в приложении к диссертации. Статистический анализ осциллограмм на основе выявления часто повторяющихся частот колебаний выявил, что в процессе поверхностной квазипластичной обработки монокристаллов алмаза и лейкосапфира генерируются автоколебания акустического диапазона, имеющие преимущественно две частоты, предположительно соответствующие частотам колебаний участков ПС «твердого» и «мягкого» кристаллографических направлений. При квазипластичной обработке поверхности поликристаллического алмаза выявлены три частоты, предположительно соответствующие трем различным кристаллографическим направлениям зерен алмаза. С учетом приведенных во второй главе диссертации теоретических исследований было сделано предположение о том, что анизотропия кристаллического минерала приводит при внешнем воздействии к неоднородности и нарушениям когерентности, т.е. согласованности нескольких колебаний во времени, участков ПС, которая осуществляется различными релаксационными механизмами, позволяющими снижать упругую и неупругую составляющие энергии внешнего воздействия за счет выбора внутренними структурами взаиморасположения когерентных и некогерентных участков. Анализ осциллограмм колебаний, генерируемых при обработке поверхностей кристаллов алмаза и лейкосапфира, позволил установить взаимосвязь упругих свойств кристалла и собственных частот (рис.8). Установлено автором, что частоты акустического сигнала, генерируемого образцом при обработке, не зависят от размеров образца, а связаны со свойствами обрабатываемого материала. Контроль частоты колебаний, генерируемых заготовкой при поверхностной обработке в режиме квазипластичности, может служить вспомогательным средством контроля качества ОП.

Н
Модуль Юнга, Мпа
а начальных этапах поверхностной обработки происходит выравнивание шероховатости, сила давления инструмента на заготовку распределяется на большее количество выступов, и удельное усилие прижима уменьшается, поэтому врезную подачу на начальном этапе обработки можно увеличить. При выравнивании шероховатости и ведении процесса обработки в полном контакте инструмента с поверхностью обрабатываемой заготовки врезная подача должна уменьшаться либо задаваться постоянной для обрабатываемого материала в зависимости от свойств материала (коэффициента упругости, коэффициента Пуассона, коэффициента теплопроводности), условий отвода тепла, типа станка, жесткости системы «инструмент-заготовка» при постоянном осциллографическом контроле.

При постоянном усилии прижима частота сигналов, генерируемых подповерхностным слоем материала при его шлифовании, характеризует качество поверхности. Результаты экспериментальных исследований поверхностной обработки твердых минералов в режиме квазипластичности подтвердили вышеприведенные утверждения. Ненарушенная поверхность лейкосапфира с шероховатостью R_a=1,95нм получена при увеличении частоты акустического сигнала (рис.10) и уменьшении амплитуды сигнала. При обработке образца поликристаллического алмаза перед появлением трещины в образце наблюдалось падение частоты сигнала и одновременно рост амплитуды сигнала (рис. 9). В диссертации приведены результаты осциллографического контроля экспериментальной поверхностной обработки остальных образцов. Взаимосвязь данных осциллографического контроля и результатов обработки поверхности аналогична приведенным выше.

Для расчета коэффициента термоупругости и оценки получения минимально возможной шероховатости была получена экспериментальная зависимость теплового расширения образца лейкосапфира и коэффициента теплового расширения от температуры при непрерывном нагреве.

Были проведены экспериментальные исследования температурного поля образца леейкосапфира в процессе обработки с использованием термографа «ИРТИС-2000» (рис.11). Результаты экспериментальных исследований показали, что наибольшему нагреву в процессе квазипластичной обработки подвергается средняя часть ПС образца. Распределение температуры цилиндрического образца лейкосапфира по радиусу (рис.12) соответствует теоретическому распределению:

где Fo - критерий Фурье; - температуропроводность; - безразмерная координата; -безразмерная температура; – радиус образца, м; – текущий радиус, м; , – функции Бесселя нулевого и первого порядка с коэффициентами .

Для конца периода охлаждения Fo = 0,01.


-0.5 0 0.5

Знание распределения температуры образца по радиусу позволяет оценить изменение формы поверхности образца вследствие неравномерного теплового расширения.

В проведенных исследованиях получены экспериментальные зависимости температуры отдельных участков образца при обработке от изменения врезной подачи и скорости прохода стола станочного модуля (примеры термограмм приведены на рис. 13).


Номер измерения

Номер измерения

Экспериментально определенные зависимости температуры ОП минерала от скорости продольного прохода стола станочного модуля, определяющей время контакта ОП с инструментом, показали незначительное влияние этого параметра на температурное поле образца. Анализ экспериментальных термограмм процесса квазипластичной обработки образца лейкосапфира при разных врезных подачах показал, что ПС разогревается значительно сильнее остальной массы образца. При режиме квазипластичной обработки основной поток тепла распространяется в ПС обрабатываемого минерала и уносится при удалении мельчайших частиц ПС. Проведенные экспериментальные исследования на образцах алмаза и лейкосапфира показали, что одним из условий обработки поверхности в режиме квазипластичности без перехода в состояние хрупкого разрушения являются соотношения длительности периодов обработки и пассивного воздушного охлаждения (от 0,3с до 10с - для лейкосапфира, от 0,5с до 5с -для алмаза). Традиционное применение СОЖ при квазипластичном удалении поверхностного слоя не дало положительных результатов.

Для установления зависимости комплексного электрического сопро­тивления лейкосапфира от температуры были проведены допол­нительные исследования. Известно, что зависимость сопротивления от температуры для диэлектриков изменяется по экспоненциальному закону. Экспериментально установленная зависимость импеданса (комплексного сопротивления) образца лейкосапфира от температуры (рис. 14) соответствует теоретической зависимости удельной электропроводности диэлектриков. Подобные измерения могут служить средством для оперативного измерения средней интегральной температуры образца непосредственно в процессе обработки с помощью вычисления импеданса (комплексного сопротивления):

, (10)

где Z₀ – импеданс при 20˚С, Ом; Z- импеданс при температуре обработки, Ом; b - коэффициент пропорциональности, К.

В свою очередь знание средней температуры образца в совокупности с известной зависимостью коэффициента линейного теплового расширения и толщиной образца позволяют определить изменение его размеров в процессе обработки и соответствующим образом скорректировать величину врезной подачи обрабатывающего инструмента.

Воздействие физических полей (акустического, электромагнитного) при обработке в режиме квазипластичности повышает производительность процесса обработки поскольку увеличивает подвижность дислокаций. Полностью расчеты температурных и силовых параметров процесса поверхностной обработки минералов в режиме квазипластичности приведены в диссертации.

При рассмотрении тепловых процессов, сопровождающих обработку в режиме квазипластичности, автором разработаны критериальные зависимости, определяющие условия, при которых процесс обработки не будет переходить из области квазипластичности в область хрупкого разрушения.

Возникающие в процессе обработки минерала термические напряжения σ_Т под действием нормальной составляющей силы прижима, определяемой врезной подачей, не должны превосходить предел прочности минерала сжатие. Используя формулу, описанную Гончаровым С.А., дополнительно учитывая зависимость коэффициента теплового расширения материала от температуры, получаем:

где - коэффициент линейного теплового расширения материала образца, К^-1;- коэффициент Пуассона, – модуль Юнга, Па, , – температура образца, К, – температура среды, К, – коэффициент линейного теплового расширения при 20˚С.

В первом приближении .

В результате критерий хрупкого термического разрушения для монокристаллов можно выразить как:

Для поликристаллов термическое разрушение происходит прежде всего за счет разницы между коэффициентами теплового расширения соседних микрокристаллов ₁ и ₂. Тогда критерий термического разрушения поликристаллов:

где и , и – модули Юнга и коэффициенты температурной зависимости коэффициента линейного теплового расширения соседних микрокристаллов.

Следующим критерием, характеризующим тепловое воздействие на обрабатываемый минерал при поверхностной обработке в режиме квазипластичности, является критерий сохранения формы (рис. 15).

В процессе обработки распределение тепла по обрабатываемому минералу происходит неравномерно. Благодаря внешнему охлаждению при обработке основному нагреву подвергается центральная часть ПС, непосредственно находящаяся в зоне обработки. Усилие прижима и величина съема будут максимальными в центре образца. Толщина центральной части образца при охлаждении до исходной температуры уменьшается на величину , м: , где – величина подачи инструмента, м; - начальная толщина образца, м; - разница между средней интегральной температурой образца в процессе обработки и температурой окружающей среды, К.

Основное условие получения ОП заданной неплоскостности будет иметь вид:

. (14)

При соответственном подборе режимов обработки, руководствуясь приведенными выше критериями хрупкого термического разрушения, можно обрабатывать минерал так, чтобы устранить негативное влияние теплового расширения минерала при поверхностной обработке.

При рассмотрении критерия хрупкого термического разрушения для выбора рациональных режимов квазипластичной обработки можно выделить ряд факторов, присущих обрабатываемому минералу, имеющих табличное значение, которые могут определяться до процесса обработки.

При обозначении из формулы (14) (15)

условие получения бездефектной поверхности при квазипластичной обработке можно представить в виде: АΔТ +ВΔТ ²= σ_{процесса} ≤ τ_сд (18), где τ_сд – предел прочности на сдвиг.

Критерий хрупкого термического разрушения для монокристаллов:

Для разных материалов составлен классификатор температурных областей применения режимов обработки, при которых не будет происходить разрушение материалов. В табл. 3 приведены значения постоянных факторов для лейкосапфира, алмаза и кварца. Подобным образом рассчитаны значения коэффициентов для других материалов.

Таблица 3

Аналогичные преобразования делаются для критерия термического хрупкого разрушения поликристаллических минералов (15):

Из приведенных выражений можно определить допустимые области изменения температуры при обработке в режиме квазипластичности для различных минералов.

Объективность научно обоснованных рекомендаций, разработанных в данной главе, подтверждена результатами опытно-промышленной апробации. Аналитические исследования образцов до и после экспериментов проводились на оптическом интерферометре белого света Zygo (New Vew 5000) в ЦЕНИ ИОФ им. A.M. Прохорова РАН, разрешение в плоскости объекта 0,45 мкм по оси Y - 1 A. Результаты выбора технологических режимов обработки твердых минералов приведены в табл. 4. Как видно из таблицы, наилучшие результаты шероховатости 2,5 нм на участке поверхности поликристаллического алмаза и 1,95 нм на участке поверхности лейкосапфира получены в процессе обработки шлифовальными кругами с разной крупностью зерна на финишной обработке при определенных режимах процесса квазипластичной обработки. Проведенные экспериментальные исследования косвенно подтвердили модель квазипластичной поверхностной обработки. При квазипластичной обработке формирование нанометрового рельефа поверхности возможно при различной крупности зерна ШК, так как доля хрупкого разрушения при правильно подобранных режимах обработки минимальна (рекомендации по выбору режимов обработки приведены в приложении к диссертации).

По результатам проведенных экспериментов было установлено, что качество поверхности обрабатываемого материала 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 (R_a = 2,5 нм для поликристаллического алмаза, R_a =1,9 нм для лейкосапфира).

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический регламент, который обеспечивает обработку в режиме квазипластичности с пассивным воздушным охлаждением плоских поверхностей лейкосапфира с ориентацией для солнечных батарей, удовлетворяющих требованиям ISO 9000 для последующего эпитаксиального наращивания гетероструктур на такие поверхности. При обработке исходной заготовки (диаметр 52,6мм, толщина 0,375 ± 0,007мм) суммарное машинное время при обработке каждой поверхности на шлифовальном станочном модуле АН15ф4 складывается из машинного времени трех технологических переходов, при максимальной величине припуска125мкм. При этом: на первом технологическом переходе удаляется максимальный припуск 53,6 мкм за 322 с, на втором технологическом переходе удаляется максимальный припуск 66,4 мкм за 399 с, на третьем технологическом переходе удаляется максимальный припуск 5мкм за 249с.

Фотографии обработанных поверхностей алмаза и лейкосапфира приведены на рис.16.

В таблице приведены результаты обработки экспериментальных партий по каждому материалу при выборе режимов обработки. В диссертации приведены технологические параметры настройки оборудования и режимов обработки каждой опытной партии.

Для получения заданных выходных параметров в процессе обработки необходимо осуществлять текущий постоянный контроль процессов деформаций УОС. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее существенное влияние на процесс поверхностной обработки в режиме квазипластичности оказывают контактные напряжения, характеризуемые усилиями прижима обрабатывающего инструмента и зависящие от температуры в зоне контакта и анизотропии материала. Процесс квазипластичной обработки сопровождается автоколебаниями системы «инструмент-обрабатываемый материал», которые можно использовать для активного контроля процесса обработки.

Постоянный контроль текущей амплитуда сигнала позволяет контролировать усилие прижима. Частота сигнала позволяет контролировать шероховатость ОП, т.к. согласно принятой теоретической модели характеризует величину снимаемых частиц ПС (мезообъемов). При поверхностной обработке анизотропных твердых материалов собственные частоты колебаний частиц ПС зависят от кристаллографических направлений ОП. Диапазон генерируемых частот, наиболее характерных для обрабатываемого материала, позволяет оценить упругие свойства материала в направлении поверхностной обработки («твердое» или «мягкое» направление).

поверхность

поверхность

Частотный контроль акустического сигнала производится путем анализа осциллограмм за вычетом собственных колебаний системы, выходящих за пределы собственных колебаний элементов ПС. Для идентификации автоколебаний, относящихся к воздействию на мезообъемы ПС, необходимо учесть технические «шумы», не относящиеся к процессу микрошлифования. Для осуществления процесса обработки в режиме квазипластичности после достижения полного контакта заготовки с ШК контактные напряжения поддерживаются постоянными в пределах (0,1-10)·10⁵ МПа в зависимости от свойств, условий отвода тепла, типа станка, жесткости системы «инструмент-заготовка». Акустический сигнал, генерируемый в процессе квазипластичной обработки поверхности минералов, может использоваться не только для контроля качества ОП, но и для управления процессом обработки. При изменении кристаллографического направления ОП управление врезной подачей может производиться в соответствии с изменением частоты акустического сигнала, генерируемого заготовкой при поверхностной обработке. Как только в процессе обработки происходит падение частоты акустического сигнала, генерируемого заготовкой, необходимо осуществлять управляющее воздействие по снижению усилия прижима. Увеличение частоты акустического сигнала, генерируемого в процессе шлифования обрабатываемым материалом, после дополнительной тарировки по величине заданной шероховатости в соответствии с техническими возможностями оборудования, может служить сигналом к окончанию процесса шлифования при достижении заданной шероховатости обрабатываемой поверхности. Осциллографический контроль процесса обработки позволяет осуществлять контроль тепловых параметров. Увеличение врезной подачи, увеличивает силу трения и, как следствие, вызывает повышение температуры в зоне резания, отражается в осциллограммах процесса. Путем измерения импеданса системы (11) стр. 28, являющегося функцией температуры, можно контролировать тепловые процессы, сопровождающие шлифование твердых кристаллических материалов.

Осциллографический контроль процесса обработки, а также совмещение его с тестовыми методами, дают возможность косвенного контроля тепловых параметров. Тестовые методы увязывают статическую (характеризующую выходные размерные параметры) и динамическую (характеризующие шероховатость ОП) составляющие упругой деформации в УОС путем проведения вычислений соответствующих параметров.

В основу диагностирования обработки твердых хрупких материалов электронной техники были положены зависимости процесса микрошлифования металлов, изложенные в работах А.С. Чубукова, в которых основным параметром для диагностирования процесса микрошлифования рассматривается время переходных процессов резания в УОС. Время переходных процессов резания Т_п характеризует время перехода из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние и является параметром, характеризующим факторы воздействия на УОС: площадь контакта режущего инструмента изделия, изменение режущей способности ШК, свойства обрабатывающего и обрабатываемого материалов, жесткость УОС. Время переходных процессов Т_п характеризует поведение УОС как в статике, так и в динамике. Идентифицируя Т_п в любой момент можно контролировать фактические выходные параметры обработки (размер и шероховатость) в реальном масштабе времени.

Модель диагностирования параметров размерно-регулируемого микрошлифования включает в себя анализ уравнений: (18), являющегося решением уравнения шлифования, описанного в работах Михелькевича В.Н., (19), определяющего статическую составляющую упругой деформации в установившемся режиме обработки (д.т.н. Сильченко О.Б.), (20), выполненного автором диссертации, определяющее фактическую динамическую составляющую упругих деформаций в УОС.

где - упругая деформация, накапливаемая в УОС, мкм; - упругая деформация, накапливаемая в УОС, мкм; -знаменатель затухания врезной подачи по закону геометрической прогрессии; - количество проходов; – время одного прохода, с; - время переходных процессов, c.

Систему уравнений непрерывно в реальном времени анализируют численными методами в устройстве ЧПУ (на базе персонального компьютера) шлифовального станка путем соответствующей переработки информации об упругих деформациях в УОС, поступающей с пьезоэлектрических датчиков. На основании анализа информации постоянно, в реальном масштабе времени обработки, диагностируют основные технологические параметры поверхностной обработки автономно на каждом отдельном изделии как при индивидуальной, так и при групповой обработке. Анализ температурного и частотного параметров, связанных между собой, позволяет принимать адаптивные действия по смене режимов обработки, препятствующие хрупкому разрушению обрабатываемого минерала. Принимая температурный и частотный параметры в качестве управляющих параметров для автоматизации процесса квазипластичной поверхностной обработки, автором разработана концептуальная модель процесса механической обработки поверхности твердых минералов в режиме квазипластичности (рис.17).

Блок-схема процедуры контроля собственных колебаний образца при обработке, составленная автором, представлена на рис. 18. В диссертации представлена блок-схема алгоритма автоматизированного выбора рациональных режимов размерного шлифования изделий из твердых материалов.

Способ обработки твердых материалов 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. Способ может быть применен для серийного производства изделий микро-наноэлектроники, медицины и других технологических изделий в области нанотехнологий.

Экономический эффект достигается за счет получения на этапе алмазного шлифования поверхности обрабатываемых твердых материалов шероховатости нанометрового уровня при минимуме дефектов, привнесенных технологическим процессом обработки по сравнению с существующим шлифованием лейкосапфировых пластин свободным и связанным абразивом.

Например, достигнутый в настоящее время в России технический уровень алмазного шлифования сапфировых подложек обеспечивает получение уровня шероховатости 100 -200нм. Финишная обработка полученных полуфабрикатов твердых хрупких материалов до необходимой шероховатости осуществляется в основном зарубежными фирмами. Стоимость полуфабрикатов, отправляемых на финишную обработку напрямую зависит от шероховатости ОП. Использование предложенной технологии позволит сократить количество технологических операций, а в некоторых случаях – исключить операцию полировки, что позволит не только сократить брак и снизить себестоимость заготовок, но и увеличить продажную цену заготовок после алмазного шлифования. Сравнительная стоимость лейкосапфировых пластин на различных этапах обработки по базовой и предлагаемой технологиям, полученная на основании исследования конъюктуры рынка, приведена на рис. 19.

Поскольку традиционное применение СОЖ при квазипластичном удалении поверхностного слоя не дало положительных результатов, для повышения производительности поверхностной обработки твердых хрупких минералов перспективно применение устройств принудительного воздушного охлаждения, охлаждения жидким азотом.

Кроме того, проведенные автором исследования позволяют высказать предположение о рассмотрении квазипластичности твердых хрупких минералов, как отдельного фазового состояния, возникающего в момент обработки при определенных условиях.