автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение качества поверхности полупроводникового кремния при лезвийной обработке с помощью дополнительного деформирования срезаемого слоя

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. № 62-

т Силу

ОБВИНЦЕВ Олег Александрович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ -ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРЕМНИЯ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ С ПОМОЩЬЮ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ

Специальность 05.03.01 - «Процессы механической и физико-технической обработки, станки к инструмент»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук •

Екатеринбург 1999

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете.

Научный руководитель • доктор технических наук, доцент Жуков Ю. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шаламов Виктор Георгиевич,

кандидат технических наук, доцент Власов Владимир Николаевич

Ведущее предприятие Уральский оптико-механический завод.

Защита состоится «<^>> 1999 г. в часов

в аудитории М-323 на заседавши диссертационного совета К 063 14.15 в Уральском государственном техническом университете по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19.

Автореферат разослан «

//■>■> -¿¿¿¡у 1999 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Жуков Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Различные полупроводниковые электронные изделия широко распространены в настоящее время. Из-за небольших размеров электронных изделий для повышения технологичности их производства используются методы групповой технологии, которые позволяют создавать на одной заготовке (пластине) одновременно множество одинаковых полупроводниковых структур. После завершения формирования структур заготовка должна быть разделена на отдельные кристаллы. К моменту разделения затраты на изготовления прибора составляют уже от 60 до 85% полной трудоёмкости. Это требует высокой надёжности разделения пластины и высокого качества получаемых поверхностей.

Разделение осуществляется различными, способами, основными из которых в промышленности являются резка алмазным диском, скрайбнрование алмазным резцом, скрайбнрование лучом лазера, химической травление. Практически все перечисленные способы реализуются в два этапа. Первым этапом является образование канавки на поверхности заготовки. Характеристики образовавшейся канавки (царапины, риски) и прилегающего к ней слоя материала при этом зависит от вида обработки. Собственно разделение пластины происходит на втором этапе - ломке пластины вдоль нанесённых рисок под действием внешней изгибающей нагрузки.

Для уменьшения дефектного слоя и получения поверхности высокого качества стандартный технологический процесс обработки полупроводниковых пластин включает последовательные операции лезвийной обработки, шлифования и полирования. В операция разделения пластины иа кристаллы этот многоступенчатый процесс использован быть не может. Возможны только альтернативные варианты нанесения риски, например, либо лезвийным, либо абразивным инструментом без дальнейшей обработки, повышающей её качество.

Процесс нанесения рисок на пластине алмазным резцом удобен с точки зрения технологичности и широко распространён, но даёт менее качественную поверхность по сравнению с другими способами формирования риски. Низкое качество поверхности может неблагоприятно влиять на работу приборов при различных воздействиях - температурных перепадах, ударных и вибрационных нагрузках.

Совершенствование технологий получения качественной ряски скраяби-рования должно обеспечить значительный экономический эффект и повысить качество и надёжность полупроводниковых изделий.

Цель работы. Повышение качества поверхности риски при лезвийной обработке полупроводникового кремния с помощью дополнительного деформирования срезаемого слоя.

Научная новизаа. Использование дополнительной деформации срезаемого слоя для повышения качества обработанной поверхности, разработка на базе физической модели процесса резания компьютерной модели и проведение компьютерного эксперимента с целью оптимизации параметров процесса.

Практическая ценность. Результаты физического эксперимента совпадают с результатами компьютерного эксперимента. Компьютерный эксперимент позволил выполнить минимальную оптимизацию параметров процесса резания. По результатам экспериментов разработано приспособление, реализующее предложенные управляющие воздействия на качество получаемой поверхности. Это позволяет увеличить долю выхода годных кристаллов на этапе разделения пластины и повысить надёжность их работы. Одновременно увеличивается стойкость инструмента в два раза (возможна работа инструмента в течение всего срока службы без переточки).

Результаты исследования приняты для внедрения на ПО «Октябрь».

Обсуждение работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международной и зональной конференциях в Москве и Екатеринбурге.

Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 9 статей и сообщений в межвузовских сборниках и центральной печати, одна в отчёте по НИР.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и приложения, содержит иллюстративный материал, таблицы и список литературы.

Предмет защиты. Автором разработаны компьютерные модели напряжённого состояния в зоне деформации для случая свободного и несвободного резания, а также компьютерная модель напряжённого состояния в зоне деформации при использовании дополнительного деформирования срезаемого слоя. Произведена минимальная оптимизация параметров*управляющих воздействий на основе компьютерного эксперимента. Разработана конструкция приспособления для реализации управляющего воздействия на качество получаемой поверхности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации рассматриваются вопросы лезвийной обработки материалов.

Был проведён обзор исследований деформации конструкционных материалов и определены типы деформации, возникающие при резании металлов. Хрупкое или пластичное состояние материала определяется способом его обработки, видом напряжённого состояния и температуры. Исследование стружки

позволяет определить напряжённое состояние материала в зоне резания и характер разрушения. Наибольшее внимание было уделено вопросу резаНия материалов, дающих стружку скалывания, то есть, разрушающихся хрупко.

Рассматривалась технология лезвийной обработки монокристаллического полупроводникового кремния, а именно операция нанесения риски скрайбиро-вания (Рис. I. а). Основным недостатком нанесения риски алмазным резцом является низкое качество поверхности риски - наличие на обработанной поверхности сколов и трещин. Кроме дефектов, выходящих на поверхность, в области материала, непосредственно прилегающей к стороне риски, образуется довольно широкий слой, состоящий из трещин, микротрещин и дислокаций. -Даже в случае отсутствия внешних проявлений такой слой может достигать значительных размеров, не удовлетворяющих требованиям качества. Дефектный слой в современном производстве достигает 270 мкм, что превышает размеры риски в 10 раз (Рис. !, б). В существующих технологических процессах избежать указанных дефектов не удаётся.

Подробно были исследованы виды и характерные особенности алмазных инструментов для нанесения рисок, их геометрия. Были изучены способы нанесения рисок (гранью и ребром алмазного резца) и проведено их сравнение. Данная диссертационная работа направлена на совершенствование способа нанесения риски ребром алмазного резца.

Вторая глава диссертации посвящена моделированию процесса скрай-бирования.

Известно, что разрушения твёрдых тел происходят в большинстве случаев по линиям действия максимальных касательных напряжений, расположение которых в образце обуславливает распространение магистральной трещины, отделяющей элемент стружки, и сопутствующих трещин, образующих дефектный слой.

Разрушение хрупких материалов происходит практически мгновенно, без пластической деформации. Различные способы фиксации собственно момента разрушения достаточно трудоёмки и дают мало информации о причинах и механизме разрушения. Количественные характеристики начала разрушения часто не являются практически важными. Поскольку процесс резания самоустанавливающийся, то особый интерес представляет картина распределения напряжений или деформаций в образце, соответствующих заданному уровню силы. За основу в данной работе были взяты работы Пригоровского Н. И. по определению значений напряжений в теле образца.

Для изучения процесса нанесения риски были разработаны математические, а затем и компьютерные модели для случаев свободного и несвободного резания. На более простой модели свободного резания были отработаны основные положения и приёмы, которые затем использовались в усложнённой модели несвободного резания.

а)

Рис. I. Риска скрайбирования а) - внешний вид, б)- дефектный слой вокруг риски

За основу в обоих случаях была принята схема с воздействием произвольно направленной сосредоточенной нагрузки на конец консоли в форме клина (Рис. 2).

Рис. 2. Схемы приложения сосредоточенной нагрузки к вершине клина в произвольном направлении

Распределение напряжений в этом случае нагружения является чисто радиальным. Для полярных координат.

г = ггй=0.

Значение главного напряжения может быть получено по формуле

СГг

2Р П

•бш 51

25х — эш 2г5'1 25х-$т.25\

(1)

(2)

где

Р-г -

внешняя сила, осуществляющая воздействие на образец; радиус-вектор от точки приложения силы Р до элементарного объёма образца;

длина рабочего участка режущего лезвия; угол между биссектрисой клина и его сторонами; угол между биссектрисой клина и направлением внешней силы; угол между биссектрисой клина и радиус-вектором текущего элементарного объёма образца. Максимальные касательные напряжения будут, соответственно, определяться по формуле:

I-

5,520-

_ ах - с 2 _ Р

Ттах - 2 ~ п

^ 2<5"г — бш 2<5| 2<5г -эш 28Х/ Воздействие резца на образец принималось в соответствии с Рис. 3.

Скорость резания

Силы на передней поверхности резца

Резец

Образец

Рис. 3. Схема воздействия резца на образец при свободном прямоугольном резании

Для моделирования воздействия инструмента был использован массив сосредоточенных сил различной величины. Взаимное расположение и величина сосредоточенных сил были выбраны с максимальным приближением к реальному закону распределения силы резания по передней поверхности инструмен- -та.

Для случая одновременного приложения нескольких сосредоточенных сил в различных точках поверхности образца напряжение в произвольной точке образца определяется путём алгебраического сложения составляющих напряжений, формируемых каждой из приложенных сил независимо от других.

¡=п

Ох = 2>х,-

(4)

«У

хуг

На основе приведённых формул была сначала разработана компьютерная программа моделирования напряжённого состояния в зоне резания для случая свободного резания. Программа позволяет определять значение максимальных касательных напряжений (ттах) в тобой точке образца и визуально оценивать напряжённое состояние в срезаемом слое в случае свободного резания по расположению линий равных напряжений ттах (изолиний).

Исходными данными для программы являются: сила резания и закономерность её распределения по передней поверхности инструмента и набор величин максимальных касательных напряжений для визуализации изолиний.

сг

У

Программа позволяет многократно изменять исходные данные в процессе работы для получения необходимой схемы нагружения или характера распределения поля максимальных касательных напряжений.

Всё пространство образца было покрыто сеткой опорных узлов, в которых и рассчитывались напряжения. После этого определялись узлы, напряжение в которых соответствовало одному из заданных значений. Именно эти узлы в дальнейшем выводились на картинку, образуя линии равных напряжений. Так как для визуализации узлов с различными напряжениями использовались различные цвета точек, результирующая картинка получалась легко читаемой.

Результатом работы программы являются графики линий равных максимальных касательных напряжений заданной дискретности (если эти напряжения существуют в отображаемом объёме образца) и вывод всех исходных данных (Рис. 4).

Линия центров

акружноствй

напряжения

Рис. 4. Пример картины расположения изолиний и линий действия ?тса для случая свободного резания

Генератором напряжений и деформаций является режущее лезвие. Зона, непосредственно прилегающей к нему, является зоной наибольшей деформации. Именно в ней наиболее высока вероятность зарождения магистральной трещины, отделяющей элемент стружки. Распространение любой трещины и прохождение её через определённую точку образца зависит от таких параметров процесса резания, как величина максимальных касательных напряжение и их направление в данном элементарном объёме образца. С одной стороны, трещина может распространяться только в случае, когда напряжение на пути её следования не уменьшается. С другой стороны, вероятность распространения трещины велика именно по линиям действия напряжений тт„ и характер их

расположения в образце является одним из определяющих факторов глубины дефектного слоя.

Теоретические траектории пиний действия максимальных касательных напряжений представляют собой совокупность пиний, составляющих угол в 45° к траекториям главных напряжений и выходящих из зоны вблизи режущего лезвия. Касательная к любой точке этой кривой показывает направление действия максимальных касательных напряжений в данной точке. Рассчёт траектории линии действия производится по формулелогарифмической спирали

р=А-ек°>, '(5)

где р - радиус-вектор от точки приложения силы до текущей точки траектории линии действия;

А - постоянная спирали, определяющая абсолютное значение радиус-вектора, фактически соответствует величине радиуса скругления режущего лезвия;

е - основание натурального логарифма;

к - постоянная, равная ^а, где а = 45° - угол, под которым кривая спирали пересекает лучи главных нормальных напряжений;

ш - угол поворота радиуса логарифмической спирали в радианах.

В случае выхода! трещины из зоны напряжений, превышающих необходимое для её роста значение, рост трещины тормозится. Из-за инерционности процесса роста трещина ещё некоторое время может продвигаться даже в зоне напряжений, недостаточных для роста в стационарных условиях, но затем останавливается. Такие трещины, получившие направление развития в тело образца, формируют дефектный слой.

Для случая несвободного резания'используется усложнённая схема, учитывающая влияние вспомогательного режущего лезвия.

Для главного режущего лезвия условия резания остаются такими же, как и в задаче свободного резания. Расчёт поля напряжений, формируемого воздействием главного режущего лезвия, производился по формуле (3) в соответствии со схемой нагрузки сосредоточенной силой на консоли в форме клина (Рис. 2).

Расстояние от вспомогательного лезвия до параллельной ему свободной поверхности образца было значительно больше, чем аналогичное расстояние для главного лезвия из-за соотношения длин рабочих участков лезвий (1:5). Из-за этого напряжения в образце, создаваемые воздействием вспомогательной режущей кромки инструмента, рассчитывались по схеме приложения сосредоточенной силы к краю полубесконечной пластины (часть бесконечной пластаны, отделённая от неё плоским поперечным сечением) в норМальйом к нему направлении (Рис. 5).

РсоБб

гтах=—-. (6)

1йг

Рис. 5. Радиальные напряжения в полубесконечной пластине

Поля напряжений от главного и от вспомогательного режущего лезвия рассчитывались независимо друг от друга. Суммарное, поле определялось сложением полей от двух лезвий.

Результатом работы программы являлась трёхмерная матрица узлов решётки образца с рассчитанными в них значениями напряжений. Для визуальной оценки характера распределения поля напряжений в образце на экран выводились графики линий равных заданной дискретности в одной из плоскостей двух наборов сечений образца (параллельно главной секущей плоскости или параллельно вспомогательной секущей плоскости).

Области действия напряжений от главного и вспомогательного режущего лезвия перекрывают друг друга, в результате чего в пространстве образца образуется общее поле напряжений. Было проведено компьютерное моделирование напряжённого состояния зоны деформации и получены картины линий равных т^ в различных сечениях образца, параллельных главной и вспомогательной секущим плоскостям. На основе полученных графиков изолиний напряжений Тпцх и графиков теоретических линий действий напряжений ттах была определена форма одной из возможных поверхностей скола. Эта поверхность образуется, если в процессе роста магистральная трещина, отделяющая элемент стружки, замыкается на себя и на обработанную поверхность (Рис. б).

Анализ формы поверхности скола показывает, что' на ней имеется особый участок. Этот участок расположен на стыке полей напряжений, формируемых воздействием главного и вспомогательного режущего лезвия.

Рис. 6. Схема поверхности скола

Резец, используемый в модели несвободного резания имеет следующие углы: у = 0°, X = 0°, ф = 90" и срг = 0°. В этом случае угол схода стружки, определяемый положением переходного участка поля напряжений в компьютерной модели, вполне соответствует теоретическому, определяемому по формуле (Рис. 7).

tgpJ- (7)

где р - угол схода стружки;

t - длина срезаемого слоя;

s - ширина срезаемого слоя.

Третья глава диссертации посвящена разработке путей и способов управления размером дефектной зоны вдоль сторон риски при её нанесении.

В формировании риски задействованы различные элементы резца, которые по-разному участвуют в процессе резания - радиус скругления режущих лезвий и радиус скругления вершины инструмента.

Резец для нанесения риски имеет одно глазное, два вспомогательных режущих лезвия и сдвоенную переднюю грань. Угол X имеет величину в 80-88°. Угол у в главной секущей плоскости резца положительный и составляет около 40°. Угол Yi в обеих вспомогательных секущих плоскостях имеет отрицательную величину.

Главное режущее лезвие выполняет большую часть работы по деформированию и разрушению срезаемого слоя и удаляет более 90% объёма материала срезаемого слоя.

Угол схода стружки

Рис. 7. Топограмма поверхности скола

Со временем происходит затупление режущих лезвий, выражающееся в увеличении их радиуса скругления. При этом изменяется распределение силы резания, действующей на срезаемый слой и направление линий действия ттах.

Поверхность резания, формируемая главным режущим лезвием, существует непродолжительный промежуток времени, а окончательная поверхность стороны риски формируется вспомогательными лезвиями и прилегающими к ним участками передней поверхности инструмента, поэтому износ главного лезвия практически не должен сказываться на качестве сторон риски. Экспериментально установлено, что изменение радиуса скругления главного режущего лезвия от 1,5 до 2,5 мкм не влияло на величину дефектного слоя.

Влияние радиуса скругления вспомогательного лезвия на качество поверхности риски гораздо заметнее. Установлено, что при радиусе скругления вспомогательного режущего лезвия до 1,5 мкм дефектный слой не образуется. Появление дефектного слоя зафиксировано при радиусе скругления вспомогательного лезвия более 2,0 мкм. Заметный рост дефектного слоя, отмечен при радиусе скругления вспомогательного лезвия более 2,5 мкм.

Традиционной является точка зрения, согласно которой надёжность разделения пластины определяется глубиной риски, уменьшающей (ослабляющей) сечение пластины.

Пропорциональное увеличение глубины риски до 20-25 мкм в связи с увеличением толщины полупроводниковых пластин с 200-300 мкм до 0,8-1,2 мм приводит к сильному возрастанию нагрузки на резец. Результатом этого является резкое уменьшение стойкости инструмента, увеличение размеров нарушенного (дефектного) слоя вдоль сторон риски до 150 мкм на сторону и появление недопустимых дефектов на обработанной поверхности (сколов и

вырывов). На этапе разделения пластины на элементы заметно снижается процент выхода годных к дальнейшей обработке кристаллов.

Важным фактором надёжности разделения полупроводниковой пластины является величина радиуса скруптения при вершине риски, уменьшение которого способствует увеличению напряжений в вершине риски и более лёгкому росту трещины. Небольшая по сравнению с толщиной пластины глубина риски не позволяет ей значительно ослабить сечение пластины, поэтому риска, в основном, играет роль концентратора напряжений в своей вершине.

Получение радиуса скругления риски менее 1 мкм возможно только лезвийной обработкой пластины алмазным инструментом. Радиус скругления при вершине риски является более управляемым параметром, чем её глубина,, и достигается заточкой режущего лезвия. При получении радиуса скругления 0,1-0,5 мкм, глубина риски может быть уменьшена до 7-10 мкм, причём сохраняется надёжность разделения пластин, толщиной до 1,2 мм. Такая менее глубокая но более острая риска требует полного отсутствия в нарушенном слое трещин и микротрещин, как конкурирующих с риской концентраторов напряжений, по которым возможно разрушение пластины.

Для уменьшения размеров дефектного слоя при сохранении неизменной геометрии инструмента и взаимного расположения инструмента и образца требуется дополнительное воздействие на зону деформации. Это воздействие должно перераспределить напряжения в образце таким образом, чтобы развитие трещины вглубь образца стало менее вероятным, нежели прохождение трещины от режущего, лезвия до свободной поверхности образца. Воздействие может быть реализовано дополнительной деформацией поверхностного слоя полупроводниковой пластины.

Уменьшение вероятности образования трещин и микротрещин в предполагаемом дефектном слое можно получить уменьшением напряжений и деформаций за поверхностью резания или более поздним их появлением по сравнению с прохождением основной (магистральной) трещины.

Суть возможных вариантов решения задачи заключается в создании дополнительных сжимающих напряжений в срезаемом слое с заданным законом изменения и в заданных зонах образца.

Предлагаемое решение заключается во введении предварительной дополнительной деформации среза непосредственно перед инструментом сосредоточенной силой, приложенной нормально обрабатываемой поверхности пластины и составляющей часть силы прижима инструмента к обрабатываемой пластине. Приспособление жёстко связано с резцом. При резании взаимное расположение приспособления и инструмента остаётся неизменным (Рис. 8).

Сила прижима

Г

Резец \

Дополнительная сосредоточенная

Скорость резания

Образец

Рис. 8. Схема приложения дополнительной предварительной нагрузки

Предполагается, что при использовании такого приспособления в пластине будет создаваться дополнительное поле напряжений, имеющее максимум у поверхности пластины в точке приложения дополнительной нагрузки и уменьшающееся по направлению вглубь пластины. Одновременное воздействие дополнительной нагрузки и инструмента должно приводить к такому изменению распределения нагфяжений в срезаемом слое, при котором распространение трещины от режущего лезвия инструмента к свободной поверхности пластины будет более вероятным, чем распространение трещины вглубь образца. При воздействии дополнительной нагрузки в образце должно измениться расположение зоны повышенных напряжений.

Для проверки изменения состояния поля напряжений в образце в случае применения дополнительной деформации срезаемого слоя было проведено несколько компьютерных экспериментов, устанавливающих степень адекватности компьютерных моделей и теории.

. В первом эксперименте рассчитывался размер дефектного слоя при различных вариантах распределения силы прижима между резцом и приспособлением. Отмечено, что все три случая распределения силы прижима между резцом и приспособлением(90:10, 70:30 и 50:50) дают лучший результат по отношению к стандартному варианту без дополнительной нагрузки в наиболее реальном диапазоне координат приложения дополнительной нагрузки по оси Z (от 20 до 60 мкм). Диапазон полученных размеров дефектного слоя составляет от 62,5 до 92,5 мкм для первого, от 47,5 до 90 мкм для второго и от 32,5 до 85 мкм для третьего случая. Случай для соотношения 70:30 оказался наиболее приемлемым и по размеру дефектного слоя, и по техническим возможностям реализации.

Во втором эксперименте определялась распределение напряжений в образце вдоль вспомогательной плоскости резания, параллельной стороне риски. Выявлено, что при координатах приложения дополнительной нагрузки Ъ = 0 и

X = 60 мкм зона повышенных напряжений имеет максимальные размеры. Также указанным координатам соответствует и наибольший градиент напряжений поля. Перечисленные параметры способствуют более лёгкому росту трещины.

В третьем эксперименте определялось распределение напряжений в образце в направлении, перпендикулярном вспомогательной плоскости резания. Также фиксировались форма и характер расположения зоны повышенных напряжений, влияющей на развитие траектории трещины. Расположение центра зоны выше следа поверхности резания характерно для случаев приложения дополнительной нагрузки в точках оси X с координатами 60, 70 и 80 мкм. По мере увеличения координаты X положение центра зоны повышенных напряжений смещается за след плоскости резания. Изменение координаты Z точки приложения дополнительной нагрузки (удаление точки приложения от передней поверхности инструмента) также приводит к смещению центра зоны за линию следа поверхности резания.

Все эксперименты включали большое число опытов с разными координатами приложения дополнительной нагрузки.

Анализ результатов компьютерных экспериментов позволил определить наилучший вариант распределение силы прижима между резцом и приспособлением и провести минимальную оптимизацию координат приложения дополнительной нагрузки. Оптимальным был признан вариант с распределением силы прижима между резцом и приспособлением в соотношении 70:30. Наиболее благоприятное влияние дополнительной нагрузки на размер дефектного слоя, форму и положение зоны повышенных напряжений в образце и градиент поля напряжений было зафиксировано при координатах точки приложения нагрузки X = 60 мкм, Z = 20 мкм.

На основании полученных данных было разработано два варианта приспособления для реализации управляющего воздействия с помощью дополнительной локальной деформации срезаемого слоя (Рис. 9).

Четвёртая глава диссертации описывает экспериментальное исследование разработанного метода.

Для проведения эксперимента было разработано лабораторное приспособление на базе резца в виде четырёхгранной пирамиды. Степень затупления режущих лезвий и вершины резца приводила к устойчивому браку в промышленном технологическом процессе.

Качество поверхности риски, наличие и состояние дефектного слоя оценивалось с использованием оптической микроскопии видимой области спектра, оптической микроскопии в косых лучах тёмного поля, инфракрасной микроскопии.

В первой серии опытов исследовались результаты изменения распределения силы прижима между резцом и приспособлением.

а)

б)

Рис. 9.Приспособления для реализации дополнительной деформации срезаемого ,слоя: а) - первый вариант, б) - второй вариант

Нанесение риски стандартным способом (без использования дополнительной нагрузки) приводило к появлению дефектов на обрабатываемой поверхности пластины, наблюдаемых в оптический микроскоп (Рис. 10, а). В инфракрасном диапазоне наблюдался обширный дефектный слой вдоль сторон риски. В дальнейших сериях риска наносилась с использованием лабораторного приспособления с распределением силы прижима между резцом и приспособлением в отношениях 82,5:17,5, 75,5:24,5, 70:30. Соответственно изменению распределения силы прижима уменьшались дефекты на поверхности пластины и размеры дефектного слоя. Для случая 70:30 дефекты на поверхности отсутствовали, в инфракрасном диапазоне дефектный слой вдоль сторон риски также не наблюдался.

Во второй серии исследовались риски, сформированные с усилием прижима соответственно 0,5 Н, 0,7 Н, 1,0 Н, 1,2 Н, 1,5 Н при случае распределения силы прижима между резцом и приспособлением 70:30. Первые два значения нагрузки обеспечили идеальную поверхность рисок и полное отсутствие дефектного слоя. Следующие два значения нагрузки характеризовались увеличением размеров дефектного слоя без выхода дефектов на поверхность, а последний вариант привёл к случаю брака с большими дефектами на обрабатываемой поверхности пластины.

б)

Рис. 10. Внешний вид риски: а) - риска, нанесённая стандартным способом, б) —риска, нанесённая с дополнительной деформацией

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Создана компьютерная модель свободного резания для материалов, разрушающихся в отсутствии пластической деформации срезаемого слоя. Модель позволила определить параметры напряжённого состояния материала вблизи режущего лезвия инструмента.

2. Построена компьютерная модель несвободного резания, учитывающая влияние главного и вспомогательного лезвия инструмента на формирование напряжённого состояния в срезаемом слое материала.

3. Разработано управляющее воздействие на процесс лезвийной обработки для повышения качества поверхности для случая несвободного реза-ния:дополнительная деформация зоны стружкообразования внешней сосредоточенной нагрузкой

4. Выполнено компьютерное моделирование для случая несвободного резания с применением управляющего воздействия на процесс резания. В результате моделирования определены оптимальные параметры управляющего воздействия.

5. Сконструированы приспособления для реализации управляющих воздействий.

6. Проведена экспериментальная проверка полученных с помошыо компьютерного моделирования оптимальных параметров управляющих воздействий. Эксперимент подтверждает выдвинутые предположения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Ю. Н. Жуков, О. А. Обвинцев. Критерий качества риски скрайбирования./ / Конструирование и технология изготовления машин. / Реферативный сборник трудов механико-машиностроительного факультета. - Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 1995.-с. 126-127.

2. Жуков Ю. Н., Обвинцев О. А. Моделирование процесса скрайбирования с предварительной деформацией среза. /Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Сборник научных трудов. Екатеринбург: УТТУ, 1997. -с. 88-91.

3. Жуков Ю. Н., Обвинцев О. А. Моделирование средствами вычислительной техники напряжённого состояния в зоне резания материала. - Екатеринбург, 1997.

4. Обвинцев О. А., Жуков Ю. Н. Компьютерная модель зоны деформации при лезвийном несвободном резании. - Екатеринбург, 1998.

5. Обвинцев О. А. Компьютерное моделирование в научной деятельности. VIII Международная конференция-выставка. Тезисы докладов. М.: МИФИ, 1998.

6. Обвинцев О. А., Жуков Ю. Н. Приспособление для формирования бездефектной риски скрайбирования. - Екатеринбург, 1999.

7. Обвинцев О. А. Компьютерное моделирование процесса несвободного резания с дополнительной деформацией зоны стружкообразования сосредоточенной нагрузкой. - Екатеринбург, 1999.