Разработка научных основ создания технологии прецизионной обработки твердых хрупких материалов (27.04.2009)

Автор: Теплова Татьяна Борисовна

линейная ось Z, мм

круговая ось А, град.

круговая ось В, град.

неогранич.

Диапазон рабочих подач, мм/мин

0,06...

Диапазон частоты вращения шпинделей, об/мин

Количество мест в сменной кассете, штук

Число одновременно обрабатываемых изделий, штук

Шероховатость обработанной поверхности Rz, мкм

0.032...

Диаметр алмазного инструмента, мм

Суммарная подводимая мощность, кВт

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, ? – 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.

????????$???????

??????$????? ????$???

"риодического 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.

На 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 Ra=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:

Для конца периода охлаждения Fo = 0,01.

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).

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):

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

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.

Четвертая глава посвящена разработке системы критериев, позволяющих анализировать процесс квазипластического удаления поверхностного слоя твердых материалов при механическом воздействии для формирования нанометрового рельефа поверхности и содержит инженерную методику оценки параметров процесса технологической обработки, обеспечивающую выбор рациональных режимов получения поверхностей нанометрового рельефа с учетом механических и теплофизических свойств материала.

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.

Критерий хрупкого термического разрушения характеризует устойчивость минерала к хрупкому термическому разрушению.

Возникающие в процессе обработки минерала термические напряжения ?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:

– коэффициент линейного теплового расширения при 20?С.

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:


загрузка...