автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение производительности и качества обработки кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами

Нииравач рхиоппсп

□03455054 ЛИПАТОВА АННА БОРИСОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПЛАСТИН АЛМАЗНЫМИ КРУГАМИ

Специальное п.: 05.03.01 -Тсмюлшни и оборудование мечаппчеекоп н фншко-технической оПрабопси

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

ф

Москва 2008

003455054

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический

университет «СТАНКИН»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.В.Балыков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.А. Рогов

кандидат технических наук, доцент Е.И.Ивкин

В еду шее предприятие: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ» (г. Москва)

Защита состоится < 2008 г., в & часов на заседании

Диссертационного Совета Д212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, ГСП, Москва, Вадковский пер., д.За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН».

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан _» 2008г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат технических наук

М.А.Волосова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В машиностроении, приборостроении и радиоэлектронике, в оптической, часовой и ювелирной промышленностях, в строительстве и быту широкое применение находят конструкционные хрупкие неметаллические материалы - кварц, стекло, керамика, ферриты, ситаллы, драгоценные и полудрагоценные камни, граниты и мрамор. Эти материалы отличаются высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, повышенной хрупкостью и, как следствие, сложностью обработки. Особое место в ряду прецизионных деталей из хрупких неметаллических материалов занимают кристаллографически ориентированные элементы (пластины), изготавливаемые из монокристаллов.

Для производства пьезоэлектрических резонаторов и фильтров, полупроводниковых приборов, твердотельных лазеров, изделий оптоэлектроники и ряда других компонентов электронной техники используют пластины из монокристаллов кварца, танталата и ниобата лития, кремния, германия, сапфира и др. Существенной особенностью их изготовления является точная ориентация кристаллических элементов (пластин) относительно кристаллографических осей. Прогресс в области разработки устройств для частотной стабилизации требует развития серийного производства высокочастотных, высокостабильных и высокодобротных кварцевых резонаторов.

Основным элементом кварцевого резонатора является кварцевая пластина. Пластины в зависимости от электрических параметров резонаторов отличаются по форме, виду колебаний, углу среза и точности ориентации относительно кристаллографических осей, геометрической точности и качеству обработанной поверхности.

Операции механической обработки кварцевых пластин имеют решающее значение, так как определяют уровень и стабильность электрических параметров кварцевых резонаторов. Существующий уровень технологии механической обработки пластин, основанный на старых методах оптической технологии, характеризуется широким использованием почти на всех операциях, кроме алмазной резки, суспензий из электрокорунда белого или карбида кремния зеленого и применением ручного труда. Даже сегодня, одна из самых трудоёмких операций: исправление угла среза кристаллографически ориентированных пластин, выполняется в ряде случаев вручную.

Одним из наиболее эффективных методов механизации и автоматизации исправления угла среза партии пластин, с точным ориентированием их базовой стороны на специальном приспособлении, является обработка пластин на плоскошлифовальных станках алмазными кругами.

В теоретических исследованиях шлифования хрупких неметаллических материалов алмазными кругами не раскрыты особенности и условия реализации процесса, а имеющиеся немногочисленные экспериментальные исследования не определяют его общие закономерности.

Поэтому повышение эффективности операции алмазного шлифования на основе раскрытия сущности механизма диспергирования (разрушения)

поверхности детали и изнашивания алмазного инструмента, установления связи между характеристиками кругов и технологическими условиями обработки с одной стороны и производительностью процесса, качеством детали и износостойкостью инструмента с другой, является актуальной задачей. Получение математической модели алмазного шлифования, выбор рациональных характеристик алмазного инструмента, разработка специальной технологической оснастки и оптимизация процесса позволят повысить эффективность обработки кристаллографически ориентированных пластин из хрупких неметалличесих материалов.

Цель работы. Повышение производительности и качества обработки поверхности кристаллографически ориентированных пластин из хрупких неметаллических материалов на основе алмазного шлифования.

• Методы исследований. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, обеспечивается корректным применением методов моделирования и результатами экспериментальных исследований с применением статистических методов их обработки, применением основных положений технологии машиностроения, теории случайных функций, теории упругости и механики хрупкого разрушения.

Научная новизна работы заключается в: о выявленных условиях диспергирования поверхности хрупких неметаллических материалов при алмазном плоском шлифовании в зависимости от силы резания процесса;

о математической модели процесса алмазного шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов, устанавливающей взаимосвязи сил резания и производительности обработки от режимов алмазного плоского шлифования при ограничениях по силе резания Ру\ о регрессионных моделях, описывающих зависимость высоты микронеровностей и глубины нарушенного слоя кварцевых пластин от вида обработки и зернистости алмазно-абразивных инструментов; о регрессионных моделях зависимости коэффициента режущей способности кругов и шероховатости обрабатываемой поверхности от относительной эффективной контактной поверхности профилей исследуемых кругов; о получении моделей рельефа режущей поверхности кругов и шероховатости

обрабатываемой ими поверхности; о алгоритме выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов обработки при стабильном ходе процесса

• диспергирования неметаллических материалов.

Практическая значимость и реализация работы заключается в: о получении в условиях плоского шлифования алмазными кругами меньшей шероховатости обрабатываемой поверхности и глубины нарушенного слоя деталей из хрупких неметаллических материалов, по сравнению со шлифованием суспензиями на основе карбида кремния той же зернистости; о разработке методики выбора оптимальных режимов алмазного шлифования при обеспечении требуемого качества поверхности деталей из хрупких неметаллических материалов;

о разработке рекомендаций по характеристикам алмазных кругов, режимам обработки, технологических наладкам алмазного шлифования, повышающих точность, стабильность и производительность исправления угла среза и устранения клина кристаллографически ориентированных пластин; о автоматизации процесса настройки партии кристаллографически ориентированных пластин для исправления их угла среза методом плоского алмазного шлифования на устройстве с ЧПУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 6-ой международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», (г.Брянск, 2008г.), на XI-ой международной научно-практической конференции МГУПИ «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономике», (г.Москва, 2008г.), на XI-ой научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», «Математическое моделирование и информатика», (г.Москва, 2008г.). Диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования», МГТУ «СТАНКИН» (г.Москва, 12 ноября 2008г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 7 публикациях, в том числе 2 публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (121 наименование) и приложения. Основная часть работы изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 39 таблиц.

Содержание работы

В первой главе приводится краткий обзор основных неметаллических конструкционных материалов, механики их разрушения, рассмотрены основные закономерности процессов механической обработки хрупких твёрдых неметаллических материалов, включая методы исправления угла среза кристаллографически ориентированных пластин, и методики выбора оптимальных режимов алмазного шлифования.

Конструкционные неметаллические материалы - монокристаллы кварца, танталата и ниобата лития, кремния, германия, сапфира находят все более широкое применение для производства пьезоэлектрических резонаторов и фильтров, полупроводниковых приборов, твердотельных лазеров, изделий оптоэлектроники и ряда других компонентов электронной техники. Существенной особенностью их изготовления является точная ориентация кристаллических элементов (пластин) относительно кристаллографических осей.

Известно, что при механической обработке хрупких неметаллических материалов преобладает процесс хрупкого разрушения, в основе которого лежит механизм трещинообразования. Изучению механики разрушения неметаллических материалов посвящены исследования А.Гриффитса, Ф.Боудена, Д.Тейбора, Д.Ирвина, Д.Моджиса, А.Еванса, Б.Лоуна, Г.М.Бертенева, Е.М.Морозова,

В.М.Пострикова, Н.В.Морозова. Теория Гриффитса-Ирвина является в настоящее время основной для описания процессов хрупкого разрушения материалов.

Наиболее массовым является производство кварцевых резонаторов и фильтров. Прогресс в области разработки устройств для частотной стабилизации требует развития серийного производства высокостабильных и высокодобротных кварцевых резонаторов. Поэтому проблема повышения эффективности обработки кристаллографически ориентированных пластин была рассмотрена на примере исследования пьезоэлементов из кварца.

Вопросам изучения и разработки технологии механической обработки кв'арцевых пластин пьезорезонаторов посвятили свой труд многие ученые: А.В.Шубников, Н.Н.Качалов, П.Г.Поздняков, М.И.Ярославский, В.Б.Боровский. А.Г.Смагин, С.Н.Кибирев, А.С.Мошковский, М.Н.Коган, У.Кеди, У.Мезон, Р.А.Хайзинг и другие.

Анализ исследований и существующей серийной технологии по механической обработке кристаллографически ориентированных пластин показал следующее.

Наиболее ответственные операции технологического процесса (доводка угла среза, устранение клина) выполняется с применением ручного труда. Широкое применение шлифовально-доводочных станков приводит к повышенному расходу суспензий, трудности исправления и сохранения точности ориентации пластин, необходимости частой правки притиров для восстановления их геометрической формы.

Сформированный при абразивной обработке поверхностный слой имеет технологические нарушения. Его структура отличается от структуры исходного материала и, в отличие от пластичных материалов, представляет собой совокупность микротрещин и шероховатостей, образованных в результате выкола отдельных участков поверхности. Имеющиеся исследования по шлифованию кварцевых пластин устанавливают в основном только зависимости шероховатости поверхности пластин и глубины нарушенного слоя от вида и зернистости применяемого абразива, и не содержат данных по оптимизации технологического процесса с целью снижения трудоемкости обработки и повышению производительности труда. Исследования по шлифованию кварцевых пластин алмазными кругами, особенно, на операциях исправления угла среза, не дают однозначного ответа об эффективности их применения и выбора режимов шлифования.

В связи с вышеизложенным, в работе намечено решить следующие задачи:

1. Провести сравнительные исследования качества поверхности кварцевых пластин при шлифовании кругами и абразивно-алмазными суспензиями.

2. Получить зависимости между основными параметрами процесса и факторами характеристик инструмента и режимов обработки, определить возможность и эффективность алмазного шлифования кварцевых пластин алмазными кругами.

3. Исследовать рельеф режущей поверхности алмазных кругов и определить его параметры, влияющие на параметры процесса шлифования.

4. Получить модели алмазного шлифования кварцевых пластин и провести параметрическую оптимизацию процесса.

5. Разработать алгоритм выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов обработки.

Вторая глава посвящена моделированию процесса плоского алмазного шлифования с целью формирования критерия оптимальности и установления связей между выходными переменными параметрами, входными и управляющими факторами.

Большой вклад в создание теоретических основ шлифования связанным абразивом внесли ученые: Е.Н.Маслов, Л.А.Глейзер, А.Ю.Албагачиев, В.Г.Митрофанов, Д.Г.Евсеев, В.К.Старков, А.В.Балыков, Г.И.Саютин, В.М.Пачевский, С.Н.Корчак, В.Н.Старов, В.А.Гречишников, С.А.Попов, Л.П.Калафатова, А.Л.Ардамацкий.

Рассмотрим основные показатели процесса алмазного шлифования, и факторы, влияющие на технологический процесс. Для определения структуры и взаимосвязей показателей и факторов процесса, ограничений основных параметров и диапазонов варьирования факторов, управляющих переменных будем рассматривать технологическую систему алмазного шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов как управляемый ориентированный объект (рис.1), обладающий входами и выходами.

Рис.1. Технологическая система алмазного плоского шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов.

Выделим входные переменные процесса алмазного шлифования, характеризующие технологическую систему перед обработкой.

Входные параметры (факторы):

И— параметры алмазного круга - структурные параметры;

Д — параметры обрабатываемой детали;

Р — режимы обработки - управляющие параметры;

Т - технологические параметры процесса шлифования. Допущение: технологические условия обработки, состав СОЖ, способ её подачи остаются постоянными.

Выходные параметры процесса:

П - объёмная производительность процесса шлифования,мм3/мин (целевая функция);

Рх. - сила резания , Н;

<2 - удельный расход алмаза, мг/мм3;

? - температура в зоне резания, °С;

/ - стойкость круга между правками; мм3

/]г - эффективная контактная режущая поверхность, %;

К — коэффициент режущей способности алмазных кругов, мм3/мин-Н.

Выходные параметры детали: И - глубина нарушенного слоя, мкм; Я. - высота неровностей профиля, мкм; Л„ - волнистость поверхности, мкм; У - точность исправляемых пластин по углу среза, мин.

Механизм алмазного шлифования был рассмотрен, как система взаимосвязанных физических процессов, одновременно протекающих в алмазном инструменте, материале детали и пространстве пары "круг-деталь", при силовом взаимодействии вращающегося алмазного круга с обрабатываемой деталью.

Процесс микрорезания единичным алмазным зерном (рис. 2) имеет циклический характер, который повторяется с частотой, определяемой несколькими факторами: размером алмазного зерна, физико-механическими свойствами материала, скоростью резания и величиной подачи. Скалывание (диспергирование) поверхности наступает при достижении напряжений в зоне резания, больших предела прочности хрупкого разрушения материала.

Рис. 2. Схема, поясняющая работу единичного зерна

Исследованиями, проведенными на специальном стенде со стабилизацией осевой силы резания, подтверждено, что основным действующим фактором, обеспечивающим диспергирование поверхности деталей из хрупких неметаллических материалов при алмазном шлифовании является радиальная сила резания Р1. При создании модели процесса алмазного шлифования используем следующие положение.

Величины напряжений резания, создаваемые единичным алмазным зерном в обрабатываемом материале, должны быть больше его предела прочности при

хрупком разрушении. Это соотношение с учетом сил резания и площадей контакта может быть записано в следующем виде.

а >сг >а -F Р >Р (1)

д р д к р к 1 „ v р > V1 /

где <тр - предел прочности хрупкого разрушения материала; ад - напряжения,

создаваемые на материале и зерне; Pt - действующая сила резания; Pt

критическая сила резания, соответствующая порогу разрушения материала; FK -площадь эффективной контактной режущей поверхности круга.

В связи с невозможностью варьирования выбранной целевой функции на структурах и параметрах одновременно моделирование по выбору оптимальных характеристик алмазных кругов и режимов обработки проводиться в два этапа. На первом этапе находятся параметрические модели влияния вида обработки и характеристик инструмента на параметры качества поверхности пластин из хрупких неметаллических материалов. На втором этапе проводится параметрическая оптимизация и выбор режимов обработки методом перебора для выбранной характеристики (структуры алмазного круга).

В третьей главе приведены результаты исследований качества поверхности ориентированных пластин при шлифовании алмазными кругами и алмазно-абразивными суспензиями.

Известно, что процессы шлифования с применением абразивных суспензий имеют несколько большую производительность по сравнению с процессами шлифования алмазными кругами той же зернистости. Было выдвинуто предположение о возможности получения в условиях плоского шлифования алмазными кругами меньшей глубины нарушенного слоя кварцевых пластин по сравнению со шлифованием суспензиями на основе КЗ и ЭБ той же зернистости. Позитивные результаты позволили бы применять более высокопроизводительные крупнозернистые круги без снижения качества обработки.

Опыты проводили на плоскошлифовальных станках мод. ЗГ71М кругом типа АПП200х 10x75x5 из природных и синтетических алмазов (АС6, АС20, А), различной зернистости на связках (Kl, CK, М5, М1 и Б1). Обработку полученных данных осуществляли с использованием методов математической статистики. Исследовались образцы кварцевых пластин из природного и синтетического кварца срезовyxl/+35°,yxl/52° с точностью ориентации ±5'.

Запись и измерение шероховатости по параметрам R:, R„ и волнистости RK производили на профилографах-профилометрах блочной конструкции мод. 201 завода «Калибр» и «Talysurf-IIl» фирмы «Taylor Hobson».

Глубину нарушенного слоя h, равного сумме высоты микронеровностей R. и величины трещиноватого слоя, определяли в трех сечениях по отношению к изучаемой поверхности: в косом сечении - методом клина, в перпендикулярном -контактным методом, в параллельном - классическим методом последовательного полирования и травления. Такая методика позволила изучить характер механических нарушений в микрообъеме, а также с достаточной степенью точности определить абсолютные значения глубины нарушенного слоя.

Рабочие измерения номинальных размеров кварцевых пластин производили оптиметром ИКВ с точностью ±0,5 мкм, контрольные измерения выполняли на ультраоптиметре ИКП-2 с точностью ±0,04+1/200 мкм, где Ь - число используемых делений шкалы.

Изучение и микрофотографирование исследуемых поверхностей кварца выполняли на микроскопе МБИ-6. Субмикрорельеф поверхности исследовали на электронном микроскопе мод. GJEM-6A.

В работе показано, что в основе хрупкого разрушения кварца связанным абразивом лежит образование микротрещин, являющихся концентраторами напряжений (рис.3).

а увеличение 550* б

Рис.3. Микрофотографии профиля поверхности кварцевых пластин, обработанных алмазным кругом 63/50-К1-100% (а) и суспензией КЗ 63/50 (б).

Электронномикроскопические исследования субмикрорельефа (рис.4), поверхностей, обработанных абразивными суспензиями и алмазными кругами, показали, что в первом случае преобладает хаотичное микроскалывание, а во втором - локальное хрупкое микрорезание (диспергирование).

а увеличение 12000х б

Рис. 4. Субмикрорельеф поверхности кварцевых пластин, шлифованных суспензией АМ20 (а) и алмазным кругом АС20-63/50-К1-100% (б).

В результате исследований получены уравнения регрессии зависимости высоты микронеровностей кварцевых пластин от зернистости алмазных кругов и алмазно-абразивных суспензий. Эти зависимости имеют вид:

Я~=а-с1+Ь (2)

где а и Ь — числовые коэффициенты уравнения регрессии; размер зерна, мкм.

Значения коэффициентов приведены в табл. 1

____Таблица 1

Вид обработки Характеристика инструмента а Ь

Шлифование суспензиями ЭБ 0,074 0,31

КЗ 0,081 0,38

А 0,097 0,29

Шлифование алмазными кругами АС20-К1-100% 0,017 0,30

АС6-Б1-50% 0,015 -0,17

Определено, что глубина нарушенного слоя кварцевых пластин определяется зернистостью алмазного круга, видом связки и сортом алмазного зерна. Доминирует зернистость алмазно-абразивных инструментов.

Получены экспериментальные зависимости глубины нарушенного слоя кварцевых пластин от зернистости:

для кругов АС6-Б1-50% - h=0,2\d+&,l мкм; (3)

для кругов АС20-К1-100% - А=0,36Л+2 мкм. (4)

Экспериментально получена зависимость глубины нарушенного слоя кварцевых пластин от высоты микронеровностей поверхностей, шлифованных алмазными кругами разных характеристик на рабочих режимах:

А=20,8-Л-+6,6 (5)

На рис.3 приведены микрофотографии профиля кварцевых пластин, шлифованных кругом из алмазов АС20 зернистостью 63/50 на керамической связке и суспензией на основе карбида кремния зелёного зернистостью №4(63/50). При шлифовании кварцевых пластин суспензиями на основе карбида кремния зелёного №¡4 (63/50) глубина нарушенного слоя составляет -59 мкм, при шлифовании алмазным кругом АС20-63/50-К1-100% - 29 мкм и шероховатость поверхности соответственно R,=14,2 мкм и R:=l,l мкм.

Таким образом, шероховатость поверхности и нарушенный слой кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами, в среднем в 5-8 раз и в 2 раза меньше соответственно, чем шероховатость и нарушенный слой, полученный на пластинах, шлифованных суспензиями из алмаза или карбида кремния той же зернистости.

В результате исследований, подтверждено выдвинутое положение о возможности получения в условиях плоского шлифования алмазными кругами меньшей глубины нарушенного слоя по сравнению со шлифованием суспензиями на основе карбида кремния зелёного или электрокорунда белого той же зернистости. Это можно объяснить тем, что при шлифовании связанным

абразивом в поверхностных слоях кварца создаются напряжения меньшие по величине напряжений диспергирования, создаваемых при шлифовании свободным абразивом.

Шероховатость поверхности и глубина нарушенного слоя кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами в исследуемом диапазоне, не зависит от режимов обработки. При форсировании поперечной подачи увеличивается глубина нарушенного слоя за счет вклада поперечной волнистости поверхности, возникающей вследствие изменения профиля алмазных кругов. При шлифовании алмазными кругами следует ограничиваться величиной поперечной подачи равной 0,6 - 0,8 мм/ход.

При шлифовании кварцевых пластин пастами и суспензиями на основе стандартных алмазных микропорошков на обработанных поверхностях образуются глубокие царапины и наблюдается увеличение общей величины нарушенного слоя по сравнению со шлифованием суспензиями из карбида кремния и электрокорунда. Применение шлифования кварца суспензиями на основе стандартных алмазных микропорошков нецелесообразно.

Четвёртая глава посвящена оценке работоспособности и выбору рациональных характеристик алмазных кругов в процессе шлифования кварцевых пластин на основе изучения рельефа их режущей поверхности. Рельеф рабочей поверхности круга зависит от прочности, формы, размера и количества алмазных зерен и связки.

В качестве основного метода изучения рельефа поверхности круга был применен метод профилографирования абразивной поверхности.

! _— Профиль алмазного круга + после правки

Изношенный профиль Алмазного кшга

Осцилограммы радиальной и тангенциальной составляющих силы резания

С—1

х„(В)

Базовый ( /Уровень

____д.1«

Шероховатость шлифовальной " Г*"

поверхности —-¡IX в* ь—

Рис. 5. Исследование процесса шлифования методом профилографирования.

Профилографирование шероховатости поверхностей проводилось в направлении, перпендикулярном вектору скорости резания при следующих увеличениях:

- для алмазного круга - вертикальное 1000х, горизонтальное 40х; -для поверхности кварца - вертикальное 10000х, горизонтальное 100х.

Для кругов формы АПП профиль режущей поверхности записывался в 4-х осевых сечениях на профилографе-профилометре мод. 201. Базирование алмазного круга осуществлялось на специальном приспособлении, состоящем из основания, высокоточных центров и делительного диска.

Одновременно фиксировались: радиальная составляющая силы резания Ру Н, фактический объем и весовой съем обрабатываемого материала IV мм3 и С„ мг, расход алмаза Оа мг.

На первом этапе для определения влияния характеристик рельефа режущей поверхности алмазного круга на шероховатость поверхности пластин, режущую способность и удельный расход алмаза, оценку рельефа режущей поверхности проводили по следующим параметрам:

- относительной эффективной контактной поверхности профиля и ее изменения от высоты профиля:

2А

ц, =^—100% (6)

о

где - сумма отрезков, получаемых при пересечении профиля секущей,

параллельной нулевому уровню в мм; Ь - длина профилограммы в мм.

- средневероятному расстоянию между зернами:

ъ-ме

,(мм) (7)

где Ме - масштаб трассы профилографирования; 2п — число зерен на длине профилограммы;

- среднему размеру зерна в поперечнике на определенном уровне:

Ъ.-К

-,(мм) (8)

При получении этих параметров шлифование осуществляли напроход. Однако метод оценки рельефа режущей поверхности алмазного круга и шероховатости шлифованной поверхности по приведенным выше параметрам не даёт возможности оценить частотные характеристики профилей, а также затрудняет переход к математической интерпретации процесса шлифования.

С целью изучения взаимного изменения характеристик профилей режущей поверхности алмазного круга и шероховатости поверхности детали в процессе врезного шлифования был применён вероятностный метод оценки указанных профилей с помощью случайных функций.

Режущие профили х(Ь) и профили поверхности у(Ь) были рассмотрены как реализации стационарной эргодической случайной функции.

Основными характеристиками случайной функции являются:

- корреляционная функция, характеризующая случайную форму профиля:

К,(1) = -1-Ь)х{Ь)-х(Ъ + 1)с1Ъ (9)

0—1 о

- спектральная плотность дисперсии, представляющая частотную характеристику профилей:

5Д|у) = -Ъ1(/)-СО8Й|/<// (10)

Я-о

где: Ь - длина профиля; I - аргумент корреляционной функции; м - аргумент спектральной плотности дисперсии.

Расчет средних величин высоты профиля корреляционных функций и спектральных плотностей дисперсии профилей производился на ЭВМ.

Исследования показали, что режущие свойства алмазных кругов разной характеристики, удельный расход алмазов и шероховатость шлифованной поверхности кварца теснейшим образом связаны с рельефом режущей поверхности.

Основными характеристиками рельефа режущей части поверхности алмазного круга являются кривая эффективной контактной поверхности г}г, и уравнение, аппроксимирующее корреляционную функцию профиля.

С уменьшением зернистости от 160 до 63 для кругов на керамической связке К1 значение относительной эффективной контактной поверхности увеличивается с 14% до 45%, коэффициент режущей способности снижается со 130 мм3/мин'Н до 60 мм3/мин-Н, шероховатость поверхности улучшается от Я,=3,3 мкм до /?,=1,6 мкм. Изменения шероховатости поверхности также наблюдаются с увеличением прочности алмазных кругов. Например, для кругов зернистостью 125/100 на связках К1 и М5, значения эффективной контактной поверхности составляют 18% и 23% соответственно, коэффициент режущей способности снижается со 118мм3/мин'Н до 70мм3/мин-Н, шероховатость поверхности улучшается от Л_-=2,8мкм до Л2=2,4 мкм. Зависимости коэффициента режущей способности

К::',

\ • ?\т - - - - 1 ч --------

\

• N

з

2.5

г

1.5 1

0.5

• \

\

•

0 20 40 60 80 П'%

Рис. 6. Зависимость коэффициента режущей способности алмазных кругов и шероховатости обработанных поверхностей от их эффективной контактной поверхности для уровня 10 мкм.

(рис.6) и шероховатости поверхности от эффективной контактной поверхности профилей исследуемых кругов были аппроксимированы уравнениями регрессии вида:

Кт =-1,32-77, +144; (11)

=3,5-Г0'012" (12)

В качестве математических моделей рельефа режущих профилей поверхности кругов и профилей шероховатости обрабатываемой ими поверхности использованы аппроксимирующие уравнения корреляционных функций режущих профилей и профилей обработанных ими поверхностей (13):

( 1 ? Л К(1) = й у1-ы + рсоъ—I + УС05—I

Ч У

(13)

где £) - дисперсия, мм2; у - коэффициент дисперсии случайной части корреляционной функции; а - показатель частотного состава случайной составляющей корреляционной функции; /? и V - коэффициенты дисперсии периодической части корреляционной функции; Т) и Т2 - длины шагов периодических составляющих корреляционной функции.

Корреляционно-спектральный анализ показал, что исследуемые профили круга и обработанной поверхности состоят из случайно и периодически расположенных неровностей. Коэффициент дисперсии случайной части для взаимных профилей изменяется в пределах от 0,65 до 0,9.

Корреляционная функция профиля поверхности характеризуется наличием двух периодических составляющих: низкочастотной и высокочастотной.

Низкочастотная составляющая связана с некоторой периодичностью расположения алмазных зерен в круге, высокочастотная - с особенностями хрупкого разрушения кварца.

Изменение формы режущих профилей в процессе шлифования по средним величинам тх и параметрам корреляционных функций соответствует изменению режущей способности алмазных кругов, а также изменению соответствующих параметров корреляционных функций. Основным параметром корреляционной функции режущего профиля, определяющим шероховатость поверхности, является его дисперсия /X

На основании анализа коэффициентов уравнения, аппроксимирующего корреляционную функцию профиля режущей поверхности круга и шлифованной поверхности для разных периодов работы, показано, что период нормальной работы круга характеризуется постоянством рассматриваемых коэффициентов.

Изменение основных характеристик рельефа режущей поверхности алмазных кругов происходит неодинаково. Круги на связке К1 хорошо самозатачиваются, их характеристики относительно постоянны, они практически не требуют правки. Круги на связках Б1 и в большей степени М5 требуют периодической правки. Основные параметры процесса шлифования кварца алмазными кругами разных характеристик приведены в табл. 2.

Таблица 2

характеристика параметры

инструмента качества

Припуск, мм связка марка зернистость Концентрация, % 2 « я 5 ■«Г а,* к а ^ ей •е. с? | К, ммЗ/мин ■Н

40 АС20 63/50 1,66 35 1,1-1,7 60 46-48 60

60 5 АС20 125/100 о о 2,8 60 0,6-1,5 118 17,9-19,5 120

80 АС20 160/125 з,з 75 0,5-1,0 130 14,1-16,2 130

10 АС6 АМ40 0,35 14 1,5-6,0 10 90 15

20 5 АС6 63/50 о 1У1 1,2 30,5 1,0-5,0 20 80 20

60 АС6 125/100 1,6 42 0,6-2,6 50 70 30

Пятая глава посвящена выбору оптимальных режимов и условий алмазного шлифования кристаллографически ориентированных пластин.

В реферируемой работе показано, что при шлифовании тонких кварцевых пластин уровень допустимых режимов шлифования невысок. Поэтому при рассмотрении себестоимости процесса шлифования фактором, связанным с износом алмазного круга, можно пренебречь, а минимизировать машинное время обработки по целевой функции максимальной производительности с учетом допустимой величины радиальной составляющей силы резания.

Выразим время обработки определенного объема IV материала через коэффициент режущей способности Л1 и радиальную составляющую силу резания Ру:

IV

КР 1 '

У

В полученном выражении минимальное время обработки может быть получено при максимально допустимом значении радиальной составляющей силы резания при работе алмазным кругом, имеющим больший коэффициент режущей способности.

Было установлено, что при шлифовании кварца алмазными кругами на керамической связке К1 коэффициент режущей способности, начиная с момента полной приработки остается практически постоянным, равным 118 мм3/мин-Н, при изменении интенсивности съема от 40 мм3/мин до 320 мм3/мин.

Ранее (глава 3) было установлено, что влияние режимов обработки на шероховатость поверхности и глубину нарушенного слоя кварцевых пластин в исследуемом диапазоне незначимо. С учётом этого при проведении парамет-

рической оптимизации режимов плоского алмазного шлифования в качестве критерия оптимальности выбрана производительность П обработки при функциональном ограничении по силе резания Ру. Диапазон изменения силы резания выбирается из условия обеспечения процесса диспергирования поверхности (Р ) и поддержания стабильности режущих свойств круга (самозатачиваемости) (Р^ ) для выбранной характеристики (структуры) алмазного круга.

Общую постановку задачи оптимизации запишем следующим образом:

n=Vn-S„0„-t —> тах

Уд

" пив ** тач

S <S <S П5)

»""т. "»» V

t <t<t

min

Р =(T-Ft- минимальное значение силы резания, обеспечивающее диспергирование поверхности.

1±-

д

ур J

■jDt - эффективная контактная поверхность;

где Укр - скорость вращения алмазного круга м/сек, О - диаметр круга мм.

Максимальное значение силы резания, обеспечивающее самозатачиваемость инструмента,

■ об)

где Уд — скорость продольной подачи стола м/мин; Бтп - величина поперечной подачи стола мм/ход; ? - глубина шлифования мм.

Учитывая технологические ограничения, налагаемые современным технологическим оборудованием, и качеством поверхности, лимитируемым волнистостью, запишем

V., < =10м/мин 5ппл < = 6мм / ход /</т„=0,05 мл,

Минимальные/максимальные ограничения для круга АС20-К1-100%

ЪН<РУ< 15 Н

Таким образом задача исследования сводилась к математическому описанию законов изменения радиальной составляющей силы резания Ру при работе алмазными кругами различных характеристик, от составляющих режимов шлифования. Планирование и постановка эксперимента осуществлялась с использованием математического планирования экспериментов по схеме 23, а обработка полученных данных - методами математической статистики. Достоверность полученных результатов опыта оценивалась по критерию Кохрена, статистическая значимость факторов по ? - критерию Стьюдента, а адекватность линейного описания - по Р— критерию Фишера.

В результате экспериментальных исследований были найдены эмпирические зависимости радиальной составляющей силы резания Р„ от факторов режима для 12 алмазных кругов основных характеристик. Эти зависимости (16) выражаются степенными уравнениями.

Задачи параметрической оптимизации (15, 16) логарифмированием сводятся к линейным относительно логарифмов переменных и решаются стандартным симплекс-методом линейного программирования. Графический анализ выбора оптимальных режимов обработки с ограничением по силам представлены на рис.7.

Ру. и

V. м/мнн

Р

уровень 1 Vi

05 мм ,04 мм ,03 мм ,02 мм Р

уровень 1 У|

Рис.7. Графическое представление выбора оптимальных режимов шлифования.

По результатам экспериментального моделирования разработан универсальный алгоритм (рис.8) выбора оптимальных характеристик алмазных кругов и режимов алмазного шлифования кристаллографически ориентированных пластин по заданным показателям качества обработанной поверхности.

Данный алгоритм реализован в специальной программе DiamondQuartzGrinding выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов алмазного шлифования кварцевых пластин для ЭВМ с ОС Windows, разработанной на языке Visual Basic в среде разработки Microsoft Visual Basic 6.0. Окно программы представлено на рис.9. Код основного модуля программы представлен в приложении к диссертации.

Проведенные экспериментальные исследования позволили разработать рекомендации по алмазному шлифованию кварцевых пластин.

- Банк

экспериментальных данных

- Банк табличных данных

- Банк

экспериментальных данных

Рис.8. Алгоритм выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов алмазного шлифования пластин.

Предложена автоматизация настройки линеек-столов устройства на требуемый угол исправления угла среза, обеспечившая повышение точности и

стабильности угла среза монокристаллических пластин. Данный результат достигается путём независимой установки угла наклона линеек-столов за счёт передачи крутящего момента регулирования непосредственно на валы вращения линеек-столов от программно управляемого следящего привода через раздаточную коробку.

Технико-экономический анализ показал, что производительность процесса шлифования кварцевых пластин на операции исправления угла среза алмазным кругом АСВ20-63/50-К1-100% в 1,5 раза выше производительности шлифования суспензиями из электрокорунда ЭБМ28.

31

Параметры алмазного круга -Диаметр круга, мм | | 200

Ширина круга, мм

-

Марка алмазного: порошка

П араметры качества обработанной поверхност и Шероховатость Пг

;|гГ—--

Технологические ограничения-

|;}АС20 Марка связки

№

Концентрация алмазов, %

' )юо

"31

Шаг изменения поперечной подачи, 0,01.. 1 мм/ход

Шаг изменения продольной поаачи. 0,01 Л мм/мин ¡05 ' " " ~

Дискретность изиениния глубины шлифования, ми

[оси

■ Расчетные параметры процесса и инструмента.........■ ..................... .

Коэффициент эффективности контактной пйеер«носги. %

Коэффициент режущей способности Г"{43 ?£.

Глубина наругценного слоя, м№ 1 52,35

Зернистость алмазного порошка ^25/100™

Оптимальный режим обработки ..........

: Оптимальная пршольная пшача 10 м/мин ; Оптимальная поперечная пшача Б мм/ход Оптимальная глубина шлифования 0.04 мм

Рис.9. Окно программы Diamond_Quartz_Grincling расчета режимов алмазного шлифования по заданным характеристикам детали, инструмента и параметрам качества.

Общие выводы и результаты

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены технические и технологические решения, заключающиеся в выборе для обработки поверхностей кристаллографически ориентированных кварцевых пластин шлифования алмазными кругами вместо трудоёмкой и нестабильной обработки вручную суспензиями из карбида кремния, выборе рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов шлифования и разработке специального устройства с ЧПУ для исправления угла среза партии пластин с разными поправками по углу среза. Установлено, что с использованием вышеуказанных решений достигнуто повышение производитель-

ности обработки в 1,5 раза, требуемой точности и стабильности обрабатываемых пластин, при снижении расходов на инструмент в 2,5 раза и обеспечении требуемого качества обрабатываемой поверхности.

2. Выявлены качественные закономерности механизма хрупкого разрушения (диспергирования) поверхности обрабатываемого материала в зависимости от силы резания. При этом для обеспечения диспергирования поверхности детали напряжения, создаваемые под действием этой силы алмазными рабочими зернами в обрабатываемом материале, должны превышать предел прочности хрупкого разрушения материала.

3. Сформулированы условия и получены результаты, подтверждающие получение в условиях плоского шлифования алмазными кругами меньшей глубины нарушенного слоя кварцевых пластин по сравнению со шлифованием суспензиями на основе карбида кремния зелёного той же зернистости. Определено, что глубина нарушенного слоя кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами в среднем в 2 раза меньше, чем глубина нарушенного слоя, полученная на пластинах, шлифованных суспензиями той же зернистости, шероховатость поверхности соответственно в 5-8 раз меньше.

4. Получена математическая модель процесса алмазного шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов, устанавливающая взаимосвязи сил резания и производительности обработки от режимов алмазного шлифования, которая позволяет поставить и решить оптимизационную задачу- получения максимальной производительности. Диапазон изменения сил резания выбирается

из условия обеспечения процесса диспергирования поверхности •( ) и

поддержания стабильности режущих свойств круга (самозатачиваемости) (РУтт )■

5. Шероховатость поверхности и глубина нарушенного слоя, кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами, в исследуемом диапазоне не зависит от давления и скорости относительного движения инструмента, а определяется зернистостью алмазного круга, видом связки и сортом алмаза.

6. Получены и исследованы регрессионные модели, описывающие зависимость высоты микронеровностей и глубины нарушенного слоя кварцевых пластин от вида обработки и зернистости алмазно-абразивных инструментов. Полученные соотношения могут быть использованы при установлении межоперационных припусков.

7. Исследования проведённые с использованием метода профило-графирования абразивной поверхности и ЭВМ, показали, что геометрия рельефа режущей поверхности является основным параметром алмазного круга, определяющим его работоспособность и качество обрабатываемой поверхности. Получены регрессионные модели зависимости коэффициента режущей способности кругов и шероховатости обрабатываемой поверхности от относительной эффективности контактной поверхности профилей исследуемых кругов.

8. Получена с применением корреляционных функций математическая модель рельефа режущей поверхности кругов и шероховатости обрабатываемой ими поверхности.

9. Разработан алгоритм выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов обработки по заданным показателям качества обработанной поверхности при стабильном ходе процесса диспергирования неметаллических материалов.

10. Для обеспечения большей производительности процесса при требуемом качестве поверхности целесообразно применять алмазные круги зернистостью 165/120 - 63/50 на керамической связке К1, т.к. они имеют более развитый профиль режущей поверхности, самозатачиваются и практически не требуют правки.

11. Алгоритм выбора оптимальных характеристик алмазных кругов и режимов обработки реализован в специальной программе Diamond_Quartz_Grinding для ЭВМ с ОС Windows, разработанной на языке Visual Basic в среде разработки Microsoft Visual Basic 6.0. и может быть использован в учебном процессе.

12. Разработано и запатентовано приспособление для исправления угла среза кристаллографически ориентированных пластин.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Балыков А.В., Липатова А.Б. Качество поверхностного слоя деталей из хрупких неметаллических материалов. Брянск, май 2008, материалы 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности». С.144-145.

2. Балыков А.В., Липатова А.Б. Особенности алмазного шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов. XI Международная научно-практическая конференция МГУПИ «Фундаментальные и прикладные проблемы

приборостроения, информатики и экономики», г. Москва, 2008. С.25-30.

1

3. Липатова А.Б. Исправление угла среза кристаллографически ориентированных пластин из монокристаллов. Москва, апрель 2008, материалы XI научной конференции по математическому моделированию и информатике. Москва. 2008. С.225-228.

4. Балыков А.В., Липатова А.Б. Эффективная обработка хрупких неметаллических материалов. «Вестник МГТУ «СТАНКИН». Москва. №2, 2008. С. 14-19.

5. Балыков А.В., Липатова А.Б. Обработка деталей из хрупких неметаллли-ческих материалов алмазными кругами. Технология металлов. Москва. №10, 2008.С.44-50.

6. Балыков А.В., Липатова А.Б. Влияние рельефа рабочей поверхности кругов на их работоспособность и шероховатость обработанных поверхностей. // Технология металлов, № 11, 2008. С.44-53.

7. Патент на полезную модель №72898 на «Устройство для исправления угла среза кристаллографически ориентированных пластин» от 10 мая 2008.// Балыков А.В., Гречишников В.А., Липатова А.Б.

Подписано в печать 17.11.2008

Формат 60x90 Vi6 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,25 п л Тираж 100 экз Заказ№856

Отпечатано в «ИПД Триальфа»,

103305. Москва, Зеленоград, проезд 4807, д.1.. стр.1

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов.

1.2. Технические требования и особенности, предъявляемые к изготовлению пьезокварцевых пластин.

1.3. Состояние серийной технологии механической обработки кварцевых пластин.

1.4. Анализ опубликованных исследований по качеству поверхности и механической обработке пластин из хрупких ^ неметаллических материалов.

1.5. Существующие методы по выбору оптимальных характеристик инструмента и режимов обработки пластин из ^ хрупких неметаллических материалов.

1.6. Выводы. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО

АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ХРУПКИХ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Параметры процесса плоского алмазного шлифования.

2.2. Кинематика движения алмазного зерна.

2.3. Моделирование и фазы работы единичного зерна.

2.4. Моделирование работы группы зёрен.

2.5. Условия диспергирования поверхности ^ хрупких неметаллических материалов. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДА ОБРАБОТКИ И

ХАРАКТЕРИСТИК АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

3.1. Особенности шлифования кварца алмазными кругами и алмазно-абразивными суспензиями.

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований

3.3. Влияние вида алмазно-абразивной обработки на шероховатость поверхности кварцевых пластин.

3.4. Исследование нарушенного слоя на пластинах при алмазном шлифовании суспензиями и кругами.

3.5. Влияние режимов шлифования кварцевых пластин алмазными кругами на глубину нарушенного слоя.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИК АЛМАЗНЫХ КРУГОВ ПРИ ШЛИФОВАНИИ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

ГЛАВА 5. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПЛАСТИН.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Методика экспериментальных исследований.

4.3. Исследование характеристик рельефа режущей поверхности алмазных кругов.

4.4. Исследование влияния изменений характеристик режущей поверхности алмазных кругов на их работоспособность и ^^ шероховатость обрабатываемой поверхности.

4.5. Выводы.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Параметрическая оптимизация режимов алмазного шлифования кварца.

5.3. Алгоритм и методика выбора характеристик инструмента и режимов алмазного шлифования.

5.4. Эффективность шлифования кристаллографически ориенти- ^^ рованных пластин алмазными кругами.

5.5. Технико-экономическая эффективность

5.6. Выводы 173 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 175 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 178 ПРИЛОЖЕНИЕ

В машиностроении, приборостроении и радиоэлектронике, в оптической, часовой и ювелирной промышленностях, в строительстве и быту широкое применение находят конструкционные хрупкие неметаллические материалы - кварц, стекло, керамика, ферриты, ситаллы драгоценные и полудрагоценные камни, граниты и мрамор. Эти материалы отличаются высокой твёрдостью, прочностью, износостойкостью, повышенной хрупкостью и, как следствие, сложностью обработки. Особое место в ряду прецизионных деталей из хрупких неметаллических материалов занимают кристаллографически ориентированные элементы (пластины), изготавливаемые из монокристаллов. Точная ориентация кристаллических пластин относительно кристаллографических осей имеет определяющее значение для производства пьезоэлектрических резонаторов и фильтров, полупроводниковых приборов, твердотельных лазеров, изделий оптоэлектроники и ряда других компонентов электронной техники. Для этих целей используют пластины из монокристаллов кварца, танталата и ниобата лития, кремния, германия, сапфира и др.

Наиболее массовое применение находят пьезокварцевые резонаторы и г" фильтры для стабилизации и фильтрации радиочастот в средствах связи, радиолокации, службы точного времени и др. Прогресс в области разработки устройств для частотной стабилизации требует развития серийного производства высокостабильных и высокодобротных кварцевых резонаторов. Основным элементом кварцевого резонатора является кварцевая пластина. Кварцевые пластины в зависимости от электрических параметров резонаторов отличаются по форме, виду колебаний, углу среза и точности ориентации относительно кристаллографических осей, геометрической точности и качеству обработанной поверхности. Операции механической обработки кварцевых пластин - резка и шлифование имеют большое значение, так как определяют электрические параметры кварцевых резонаторов. Существующий уровень технологии механической обработки кварцевых пластин, основанный на старых методах оптической технологии, не обеспечивает в полной мере всё возрастающих требований к точности, добротности и стабильности резонаторов. Стабильность частоты кварцевого резонатора при изменении температуры окружающей среды зависит от углов ориентации кварцевой пластины относительно кристаллографических осей. Операции исправления угла среза, устранение клиновидности -обеспечивающие получение заданной ориентировки пластин, даже сегодня, выполняется в ряде случаев вручную и целиком зависит от квалификации рабочего.

Одним из путей механизации и автоматизации обработки кварцевых пластин на операции исправления угла среза и устранение клина является применение шлифования кварцевых пластин на плоскошлифовальных станках алмазными кругами. Имеющиеся работы по шлифованию кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами не дают однозначного ответа об условиях эффективного их применению. Основными направлениями данной работы являются:

• исследование качества поверхности кварцевых пластин при шлифовании алмазными кругами;

• выбор оптимальных режимов шлифования и характеристик алмазных кругов для шлифования кварцевых пластин;

• разработка технологических рекомендаций по шлифованию кварцевых пластин алмазными кругами.

Общие выводы и результаты

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены технические и технологические решения, заключающиеся в выборе для обработки поверхностей кристаллографически ориентированных кварцевых пластин шлифования алмазными кругами вместо трудоёмкой и нестабильной обработки вручную суспензиями из карбида кремния, выборе рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов шлифования и разработке специального устройства с ЧПУ для исправления угла среза партии пластин с разными поправками по углу среза. Установлено, что с использованием вышеуказанных решений достигнуто повышение производительности обработки в 1,5 раза, требуемой точности и стабильности обрабатываемых пластин, при снижении расходов на инструмент в 2,5 раза и обеспечении требуемого качества обрабатываемой поверхности.

2. Выявлены качественные закономерности механизма хрупкого разрушения (диспергирования) поверхности обрабатываемого материала в зависимости от силы резания. При этом для обеспечения диспергирования поверхности детали напряжения, создаваемые под действием этой силы алмазными рабочими зернами в обрабатываемом материале, должны превышать предел прочности хрупкого разрушения материала.

3. Сформулированы условия н получены результаты, подтверждающие получение в условиях плоского шлифования алмазными кругами меньшей глубины нарушенного слоя кварцевых пластин по сравнению со шлифованием суспензиями на основе карбида кремния зелёного тон же зернистости. Определено, что глубина нарушенного слоя кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами в среднем в 2 раза меньше, чем глубина нарушенного слоя, полученная на пластинах, шлифованных суспензиями той же зернистости, шероховатость поверхности соответственно в 5-8 раз меньше.

4. Получена математическая модель процесса алмазного шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов, устанавливающая взаимосвязи сил резания и производительности обработки от режимов алмазного шлифования, которая позволяет поставить и решить оптимизационную задачу получения максимальной производительности. Диапазон изменения сил резания выбирается из условия обеспечения процесса диспергирования поверхности ( РУгкп ) и поддержания стабильности режущих свойств круга (самозатачиваемости) ( РУат ).

5. Шероховатость поверхности и глубина нарушенного слоя кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами, в исследуемом диапазоне не зависит от давления и скорости относительного движения инструмента, а определяется зернистостью алмазного круга, видом связки и сортом алмаза.

6. Получены и исследованы регрессионные модели, описывающие зависимость высоты микронеровностей и глубины нарушенного слоя кварцевых пластин от вида обработки и зернистости алмазно-абразивных инструментов. Полученные соотношения могут быть использованы при установлении межоперационных припусков.

7. Исследования проведённые с использованием метода профилографирования абразивной поверхности и ЭВМ, показали, что геометрия рельефа режущей поверхности является основным параметром алмазного круга, определяющим его работоспособность и качество обрабатываемой поверхности. Получены регрессионные модели зависимости коэффициента режущей способности кругов и шероховатости обрабатываемой поверхности от относительной эффективности контактной поверхности профилей исследуемых кругов.

8. Получена с применением корреляционных функций математическая модель рельефа режущей поверхности кругов и шероховатости обрабатываемой ими поверхности.

9. Разработан алгоритм выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов обработки по заданным показателям качества обработанной поверхности при стабильном ходе процесса диспергирования неметаллических материалов.

10. Для обеспечения большей производительности процесса при требуемом качестве поверхности целесообразно применять алмазные круги зернистостью 165/120 — 63/50 на керамической связке К1, т.к. они имеют более развитый профиль режущей поверхности, самозатачиваются и практически не требуют правки.

11. Алгоритм выбора оптимальных характеристик алмазных кругов и режимов обработки реализован в специальной программе Diamond Quartz Grinding для ЭВМ с ОС Windows, разработанной на языке Visual Basic в среде разработки Microsoft Visual Basic 6.0. и может быть использован в учебном процессе.

12. Разработано и запатентовано приспособление для исправления угла среза кристаллографически ориентированных пластин.

178

1. Абразивная и алмазная обработка материала. Справочник./Под. ред. Резникова А. Н. - М. Машиностроение, 1977, 392 с.

2. Алмазная обработка технической керамики. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1976, 160 с.

3. Алейников Д.К. Влияние некоторых физико-механических свойств хрупких материалов на процесс их шлифования. // Теоретическая физика. 1957. №129 - С.27.

4. Альтигулер Д.Ф., Орлов О.М., Травкина С.Д. К вопросу о применении синтетического кварца в производстве пьезоэлектрических резонаторов. // Электронная техника. 1968. №4 - С. 27-37.

5. Андреев В. П., Сабинин Ю. А Основы электропривода. Госэнергоиздат, 1963.

6. Ардамацкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1978. — 232 с.

7. Ахудзянов Х.А. Исследование процесса плоского шлифования стекла абразивным инструментом на металлообрабатывающих станках. Автореф. дисс. канд. тех. наук, 1955.

8. Балыков А. В. Алмазное сверление отверстий в деталях из хрупких неметаллических материалов. — М.: Наука и технология, 2003, — 188 с.

9. Балыков А.В., Липатова А.Б. Качество поверхностного слоя деталей из хрупких неметаллических материалов// Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности. Брянск, 2008. — С.144-145.

10. Балыков А.В., Липатова А.Б. Эффективная обработка хрупких неметаллических материалов. // Вестник МГТУ «СТАНКИН». — М -2008. №2.-С. 14-19.

11. Балыков А.В., Липатова АБ. Обработка деталей из хрупких неметаллических материалов алмазными кругами. // Технология металлов. М №10, 2008. С.44-50

12. Балыков А.В., Липатова А.Б. Влияние рельефа рабочей поверхности кругов на их работоспособность и шероховатость обработанных поверхностей. // Технология металлов. — М. №11,2008.

13. Бертенев Г. М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла. -М.: «Стройиздат», 1974.

14. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968.

15. Бродский Ю.А, Пруслин Г.Ш. Шлифование стекла и ситалла кругами из алмазов различной прочности.//Стекло и керамика.-!968. №11 -С. 13-14.17.