автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Теория и методы размерно-регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием

На правах рукописи

РГБ ОД 1 з т 2зоз

СИЛЬЧЕНКО Ольга Борисовна

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ РАЗМЕРНО-РЕГУЖРУЕМСЙ И БЕЗДЕФЕКТНОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОСТРУКТУРНЫХ МИНЕРАЛОВ РЕЗАНИЕМ

Специальность - 05.13.07 "Автоматизация технологических

процессов и производств"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в НИИ "Научный центр", Москва.

Научные консультанты:

- Дьяков Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор;

- Морозов Владимир Игнатьевич, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

- Крикоров Вадим Сергеевич, доктор технических наук, профессор;

- Мордкович Виктор Наумович, доктор физико-математических наук, профессор;

- Грибов Борис Георгиевич, доктор химических наук, профессор, член-корр. РАН.

Ведущее предприятие - ЗАО "Компания "МЗИС" Даймонд димитед".

Защита состоится 2000 т., в с? часов

на заседании Диссертационного совета ССД.142.06.01 при НПК "Научный центр" по адресу: 103460, Москва, Зеленоград, НИИ "Научным центр".

Автореферат разослан ми/Л. Р_ 2000 г.

Ученый секретарь

к.т.н. В.Н. Дягилев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы заключается в исследовании и разработке технологии бездефектного суперпрецизионного размерно-регулируемого микрошифования полупроводниковых материалов, выработке технических требований к обрабатывающем/ инструменту и решению конструктивных задач, создаваемого оборудования.

Реализация этого научного направления на базе научно-технического потенциала и мирового приоритета в области бездефектного суперпрецизионного размерно-регулируемого . микрошифования твер-доструктурных и хрупких материалов и монокристаллов, созданного в России к 1999 году, позволит производить принципиально новую продукцию:

- алмазные подложи для интегральных схем в микро- и наноз-лектрояике; . . .

- линзы для пьезоэлектрических резонаторов из кварца и нио-бита; для приборов ночного видения из флюорита, германия и алмаза;

- тонкие пластины из кремния, сапфира, алмаза с высоким качеством поверхности и уровнем шероховатости К2 < 0.05 мкм;

- сулерпрецизионные 6-ти координатные станочные модули с ЧПУ и пакеты программно-математического обеспечения для адаптивного управления процессом бездефектной групповой обработки твердост-руктурннх и хрупких минералов.

Делыо работы является:

- исследование и разработка процесса размерно-регулируемого микрошлифования в упругих обрабатывающих системах со сверхнизкой поперечной подачей;

- тестовая идентификация, посредством'ЧПУ, области пластичного микрошлифования;

- адаптивный выбор режимов резания хрупких и твердоструктур-ных материалов с анизотропными механическими характеристиками;

- развитие теории устойчивого дискретного процесса стружко-образования в виде единичных пластически деформированных наност-ружек;

- создание высокотехнологичного суперпрецизионного метода окончательной обработки поверхности полупроводниковых материалов, исключающего финишные стадии традиционной технологии, влияние уровня квалификации работающего персонала,- улучшающего экологию

процесса за счет отсутствия в технологии агрессивных и химически опасных реагентов

- получение высокого класса обработки по всей площади поверхности обрабатываемого материала с оптическими характеристиками К2 0.05 мкм и минимальным уровнем микродефектности.

Идея работы заключается в решении проблемы снижения доли поверхности, подвергшейся в процессе механической обработки хрупкому разрушению с 991 до ¡51 и, как следствие, снижение микродефектности в виде следов хрупкого разрушения, сколов, трещин, за счет осуществления комплекса взаимосвязанных мероприятий в процессе размерно-регулируемой обработки, обеспечивающих оперативное управление режимами съема материала в соответствии с фактическими величинами упругих деформаций обрабатывающей системы. Создаваемые условия адекватны дискретному процессу резания с автоколебательным характером.

Объектом исследования является упругая обрабатывающая система прецизионного шлифовального станка с ЧПУ,'. ее функционирование во взаимосвязи с приводами координатных перемещений исполнительных органов станка и вращения производящей инструментальной поверхности, с многоканальной цифровой системой оперативного контроля и с многоканальным цифровым пьезоэлектрическим приводом.

Методы исследований основаны на экспериментальных данных, при тестовом определении границ устойчивости; области процесса резания в реальном масштабе времени обработки,' на применении методов классической механики, фивики твердого'тела, теории дислокаций, физической | мевомеханики и дифференциальном исчислении, а также методов математического моделирования шри разработке математических алгоритмов управления процессом резания.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель управления размерной настройкой упругой системы в условиях пластичного шкрошгафовавия на примере одного изделия путем регулирования подачи"на "основе непрерывной информации об изменении нормальной составляющей силы резания.

2. Метод тестирования фактического состояния параметров объективно отражающих процесс в области пластичного микрошлифования 'в .реальном масштабе времени обработки. ~

3. Алгоритм предварительного автоматизированного определения области допустимых ' значений режимов резания:,". соответствующих ре-

- Б -

занию в пластичном режиме для каждого конкретного сочетания характеристик обрабатываемого и обрабатывающих материалов, статических и динамических характеристик станка. -

4. Модель элементарного . акта пластической деформации твер-доструктурных и хрупких минералов и монокристаллов при обработке на станочном модуле на основе теории физической~мезомеханики материалов.

5. Математическая модель, описывающая' процесс дискретного стружкообрагования в ввде единичных пластически деформированных стружек при размерно-регулируемом микрошшфовании кристаллов в упругой обрабатывающей системе, ' позволяющая в реальном масштабе времени формировать управляющую программу режимов бездефектного съема, в каждой точке касания каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью.

6. Алгоритм управления групповой обработкой твердоструктур-ных и хрупких минералов и монокристаллов в условиях минимизации весовых потерь дифференцированно в каждом отдельном обработанном изделии.

Научная нсшизна исследований заключается в разработке комплекса взаимосвязанных между собой математических моделей и соответствующих им технологических алгоритмов управления в реальном масштабе времени процессом бездефектного размерно-регулируемого от системы ЧПУ микрошлифования Явердоструктурных и хрупких материалов в упругой обрабатывающей системе, которые включают в себя:

- формирование в упругой обрабатывающей' системе станка регулярного макро- и микрорельефа на производящей инструментальной поверхности для регулярной дискретизации процесса стружкообразо-вания в виде единичных стружек;

- тестовую идентификацию и оперативный, контроль упругих деформаций в обрабатывающей системе в каждой точке касания каждого режущего зерна вращающегося микрорельефа производящей - инструментальной поверхности с поступательно дискретно перемещающейся вдоль траектории в плоскости формообразования обрабатываемой поверхности при наличии-периодической (дискретной) врезной подачи по нормали к плоскости формообразования. Упругие деформации определяются в прямой пропорциональной зависимости временем задержки фактического и заданного закона изменения режимов интенсивности съема и величиной дискретной врезной подачи;

~ тестовую идентификацию процесса дискретного стружкообразо-вания в виде единичных пластически деформированных стружек и взаимосвязей технологических параметров резания с параметрами вращающегося регулярного микрорельефа производящей инструментальной поверхности по автоколебательному характеру изменения упругих деформаций обрабатывающей системы в пределах ее упругости;

- тестовую идентификацию номинальных предельных величин упругих деформаций в обрабатывающей системе с конкретными характеристиками обрабатывающего и обрабатываемого материалов;

- стабилизацию упругих деформаций обрабатывающей системы программно-адаптивным регулированием режимов интенсивности съема на каждом режущем герне в точке его касания с обрабатываемой поверхностью, изменением в обратно пропорциональной зависимости, либо шага дискреты перемещения вдоль траектории, либо шага дискреты перемещения по нормали к плоскости формообразования на глубину резания при отклонении фактической в реальном масштабе времени идентифицируемой упругой деформации от номинально заданной величины;

- уточнение размерной настройки упругой обрабатывающей системы с учетом статической составляющей её упругой деформации.

Научное значение работы состоит в: создании метода размерно-регулируемого микрошлифования, исключающего финишные этапы механической обработки в традиционном процессе формирования поверхности подложек полупроводниковых материалов;

- оптимизации параметров процесса окончательной обработки подложек; <

- разработке математических моделей, технологических алгоритмов и зависимостей для расчетов в реальном масштабе времени параметров упругой обрабатывающей системы й управляющих программ для режимов интенсивности съема при бездефектном размерно-регулируемом ыикрошшфовании твердоструктурных и хрупких с анизотропными механическими характеристиками минералов ■ и монокристаллов с получением поверхностей с оптическими характеристиками (К2 = 0,032 ыкм);

- установлении аналитических зависимостей для идентификации в конкретных условиях обработки упругих и температурных деформаций - с соответствующими алгоритмами их адаптивной стабилизации и

формы траектории продольной подачи.

Практическое значение работы состоит в разработке технологических требований к компоновочным решениям и несущим механическим системам, к приводам координатных перемещений исполнительных органов станочного модуля и к системе ЧПУ на базе ПК, технических "требований к многоканальной измерительной, системе и к многоканальному цифровому пьезоэлектрическому приводу, а также к многоместной кассете, технологическому программно-математическому обеспечению и блок-схемам технологических алгоритмов программно-адаптивного управления процессом бездефектной высокоточной обработки сложно-профильных изделий из минералов и монокристаллов (включая алмазы) с минимизацией весовых потерь каждого отдельного обработанного изделия.

Предложенные методы и алгоритмы были использованы в разработке технологии и программного обеспечения для станка АН-1БФ4, который проектировался и изготовлялся в НИИ "Научный Центр" при выполнении Целевых Программ Президента РФ "Национальная технологическая база" раздел "Микроэлектронные • технологии" с 1996 по 2000 год.

Реализация результатов работы состоит в разработке технических требований к оборудованию и внедрении их в практику создания многокоординатных станочных модулей с ЧПУ адаптивным управлением для групповой бездефектной обработки с суперпрецизионной точностью наукоемких высокотехнологичных и высокохудожественных с оптическим качеством обработанной поверхности изделий из твер-доструктурных и хрупких минералов и монокристаллов с целью коммерческого использования полученных результатов для развития приоритета России в решении проблемы: "Снижение вероятности появления дефектов в поверхностных и подповерхностных слоях при размерно-регулируемой обработке изделий из хрупких и твердоструктурных материалов и минералов резанием, за счет осуществления технологической диагностики и самонастраивающегося компьютерного управления".

Апробация.

Основные результаты диссертации докладывались на:

- Международной конференции "Горная техника на пороге XXI века" ЩГГУ-1995г.);

- У-ой Международной конференции 'Торное оборудование, пере-

работка минерального сырья, новые технологии, экология" (С-Петер-бург-1997г.);

- ХХШ-м Международном симпозиуме "Моделирование машиностроительного производства" (Польша, Висла - 1998г.);

- УЬой научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития алмавно-бриллиантового комплекса России" (Смо-ленск~1998г.);

- научно-практической конференции "Неделя горняка-1998" (МГГУ);

- научно-практической конференции "Неделя горняка-1999" (МГГУ);

- научно-практической конференции "Потенциал Московских ВУЗов и его использование в интересах города" (МИИТ-1999г.);

- научно-практической конференции "Неделя горняка-2000" (МГГУ);

- XXXV 1-м Международном симпозиуме "Моделирование машиностроительного производства" (Польша, Висла - 2000г.);

- 711-ой научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития алмазно-бриллиантового комплекса России" (Смоленск-2000г. );

- Международном симпозиуме "Геотехника-2000" (Польша, Уст-рань).

Практические результаты работы демонстрировались на выставках:

- 4-ая Московская Международная выставка "М]]*)ТЕС-99";

- выставке, посвященной Международному Форуму . "Развитие науки и культуры на пороге XXI века" (Мерия г.Москвы - 1999г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 22 печатный работы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Общий объем: 316 страниц, 46 рисунков, 7 таблиц, 114 наименований библиографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулирована цель диссертационного исследования, дана краткая характеристика научной и практической ценности работы, сформулированы вопросы, выносимые на ващиту.

В первой главе рассматриваются существующие способы обработки сверхтвердых материалов._ рассмотрен метод размерно-регулируемого микроншифования на примере установки "РЕЙАЗиБ", методы обработки наиболее перспективного материала, используемого в микроэлектронике и ювелирной промышленности - алмаза, а также раскрыта физическая особенность процесса шлифования, указаны пути его автоматизации и диагностики.

Благодаря последним достижениям в области конструирования прецизионного оборудования, позволяющим осуществить регулируемое шлифование со скоростью поперечной подачи порядка нескольких нанометров на один оборот шлифовального круга, стало возможным обрабатывать хрупкие материалы так, что преобладающим механизмом удаления материала становится не разрушение, а пластическое течение.

Этот процесс известен как шлифование в режиме пластичности. Когда хрупкие материалы шлифуют в режиме пластической деформации, получается поверхность примерно с такими же характеристиками, как после полирования или притирки. Однако в отличие от полирования и притирки шлифование - это регулируемый процесс, пригодный для обработки высокоточных изделий и деталей сложной формы.

Последние достижения в повышении точности механической обработки открыли новые возможности обработки хрупких материалов. Известно, что пластически деформированная стружка образуется при механической обработке хрупких материалов, если съем материала достаточно мал (глубина резания менее 1 мкм). При этом условии формирование подобных пластически деформированных областей наблюдали на продуктах механической обработки разнообразных керамических материалов, стекол и кристаллов. На этом основании можно предположить, что пластическая деформация не связана с природой материала (хрупкий он или пластичный, твердый или мягкий, кристаллический или аморфный).

Шлифование хрупких материалов в условиях, при которых преобладающим путем удаления материала является вязкое разрушение

представляет собой новый технологический процесс, известный как шлифование в режиме пластичности.

На основании этих исследований было установлено, что существует интервал врезных подач, которые традиционно не используются ни. при шлифовании ни при полировании.

Эта область врезных подач на оборот шлифовального круга получила название "микрошлифовального пробела". В "микрошлифовальный пробел" входят врезные подачи на оборот шлифовального круга в пределах Б...7 нм. При шлифовании практически всех хрупких материалов его удаление протекает путем локализованного разрушения. С другой стороны полирование обеспечивает удаление материала без хрупкого разрушения. Поэтому существует интервал скоростей, соответствующих переходу от абразивной обработки в режиме хрупкости к обработке в режиме пластичности для различных видов стекол, керамики и полупроводников.

Для исследований процесса шлифования в режиме пластичности авторами Бифано и Доу применялась установка "РЕбАЖ". Конструкция установки проектировалась исходя из положения о том, что шлифование в режиме пластичности требует сочетание высокой жесткости (обеспечение точности) и малых скоростей поперечной подачи (обеспечивает удаление материала по модели пластического течения).

Установка позволяет заполнить упомянутый ранее микрошлифовальный пробел. Благодаря пьезоэлектрической системе поперечной подачи и врезному способу шлифования установка "РЕВАБЦЗ" способна шлифовать материал с подачей, регулируемой в пределах 2 ны на оборот шлифовального круга, что необходимо для условий шлифования хрупких материалов в режиме пластичности.

Сформулированная авторами гипотеза шлифования в режиме пластичности гласит; '"все материалы независимо от их твердости и хрупкости в процессе механической обработки претерпевают переход .от хрупкого режима удаления материала к пластическому, если подача достаточно мала".

В работе исследуется резание алмаза, как типичного представителя твердоструктурных материалов. Существующие способы обработки алмазов и алмазоподобных материалов представляют собой неуправляемый процесс, Ив опубликованных работ отечественных и зарубежных ученых по вопросу физической сущности процесса шлифования алмазов определяются две точки зрения. Одна из них основыва-

ется на термическом механизме процесса превращения алмаза в графит под воздействием высоких температур (порядка 300°С) возникающих в зоне контакта кристалла алмаза с диском (Р.Ринкель, Р.Гроз-динский). Наряду с гипотезой о термическом механизме процесса обработки алмаза существует другая теория, определяющая механическую сущность этого процесса. Процесс обработки алмаза рассматривается как скалывание микроскопических кусочков алмаза по плоскостям наиболее слабым для растяжения. Усилия растяжения, необходимые для процесса обработки, возникают за счет сил трения между алмазом и обрабатывающей частицей и сил поверхностного натяжения кристалла (М.Толковский). Эти две точки зрения на процессы, происходящие при обработке алмаза основываются на действии сил резания. возникающих при шлифовании, и не исключают одна другую.

Для исключения влияния субъективных факторов на процесс обработки твердоструктурных материалов и минералов, была попытка использовать станки, реализующие процесс шлифования по фиксированному времени обработки. Несоответствие качества обработки поверхности техническим требованиям указало на ошибочность применения этого метода. Для автоматизации процесса шгифования необходимо контролировать толщину срезаемого слоя, и тем самым проводить оценку размера изделия. Пути автоматизации процесса шлифования указаны В.А.Кудиновым, А.С.Конывдным, А.С.Чубуковым, и др.. где результирующим параметром влияния различных факторов резания является постоянная времени переходных процессов, описываемых математически зкспонентой.

Для решения задач по экспресс отпимизации и обеспечению надежности процесса микрошлифования наиболее" перспективно использование методов вибрационной диагностики, где в качестве приемного преобразователя колебаний применяются пьезоэлектрические преобразователи, работающие как виброметры.

Во второй главе описывается математическая модель управления микрошлифованием.

Предлагается способ размерного пластичного микрошлифования сверхтвердых и хрупких минералов и монокристаллов с оптическими классами чистоты поверхности сложнопрофильных изделий. Этот способ включает согласованное в координатных осях станка перемещение по образующим и направляющим линиям формы обрабатываемой поверхности точки касания этой поверхности с производящей поверхностью

вращающегося шлифовального круга диаметром D при скорости резания V. В направлении координатной оси 1 станка производится врезная дискретная подача 5. Точка касания перемещается в режиме возвратно-поступательного движения со скоростью продольной подачи Vs по траектории длиной L. Дискретные врезные подачи осуществляются в моменты реверса движения продольной подачи. Процесс микрошлифования по данному способу описывается дифференциальным уравнением:

d'(XBx - Хбых) с Ср- --(1)

dt

где j - жесткость системы;

Хвх - суммарная врезная подача;

Хвых - снятый припуск;

Ср - коэффициент пропорциональности.

Решением дифференциального уравнения на участке нарастания упругих статических деформаций при скачкообразном изменении врезной подачи имеет вид экспоненты:

-Ct/Tn)

' Д - So-Tn-Cl-e ) (2)

где А - деформация упругой системы;

So = йХвьж / dtt-o а 5/t - скорость съема припуска на стационарном участке, равная скорости врезания на входе; t - время между реверсами стола;

Тп - постоянная времени переходных процессов, характеризующая время перехода из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние.

-Ct/Tn)

д- 5/t'Trr (1-е ) (3)

Вводится некоторая величина q = Хвых f ХВх : ХВх - 3 единичная подача, тогда ХЕых = Ö-q.

" В конце переходного процесса накопившаяся величина статической деформации может быть описана как сумма 1 -членов бесконечно-убывающей геометрической прогрессии, где первый член этой прогрессии Д1 <= Хвх - ХВых а 5-(1-q), а знаменатель (1-q). Следовательно, величина накопившихся упругих деформаций в процессе перехода из одного состояния в другое:

S- Ci-q) 5

Aj. «= - = - *Tn (4)

q x ----

Параметр q может быть определен непосредственно в процессе резания, как результат суммарного силового воздействия на процесс резания как минимум в трех последовательных временных интервалах:

(Д2-Д1) 1

--— (Б)

(Д3-Д2) 1-q

Так как деформация системы пропорциональна нормальной составляющей силы резания, то

тл in t&

Z'lPz2 - £Pzl ~ £Pz3 111

(6)

m m £Pz2 ~ £Pzi

Постоянная времени Тп может быть представлена в виде

и m

(ГР2г - £Pzi)'t 1 1

Тп « - - (7)

МИШ

2-£Р22 ~ IPs 1 " 2РгЭ 111

где m - количество замеров силы в определенный момент процесса, то есть силы P2i, Р22. Раз-

Отслеживать процесс съема материала при микрошлифовании возможно через параметр Тп - постоянную времени экспоненты, вычисляемую на основе непрерывной информации о силе резания при непрерывном изменении врезной подачи во времени. После накопления определенного натяга в момент начала резания q^O, тогда зто неравенство можно считать критерием начала процесса резания и выходом на стационарный участок, так как

m m m

2-£PZ2 - EPzi - £PS3 только в переходном процессе резания, ill

Физический смысл постоянной времени переходного процесса резания:

А-Д-П

Тп----(8)

N

где А - удельная энергия резания;

П - площадь контакта;

N - мощность резания.

Постоянная времени переходного процесса является параметром, характеризующим факторы воздействия на систему ыикрошшфования: площади контакта режущего инструмента и изделия, изменения режущей способности шлифовального круга, свойств обрабатывающего и обрабатываемого материалов, жесткости УС.

Размерная настройка упругой системы осуществляется в направлении координатной оси Ъ станка относительно базы отсчета в функции 1 - числовой последовательности временных интервалов г при съеме исходного припуска и0.

-С(тМОЛп)

с1(о » ио - + С5/г)-ТП'(1 - е ), (9)

(¿(и - величина оставшегося припуска;

12 - количество временных интервалов от начала резания до конца съема припуска;

-(Ць-тО/Тп)

Л^Сб/г)'ТП' (1-е ) - текущая деформация в переходном

процессе;

(5/г)•тп - деформация системы накопившаяся за весь переходный процесс.

Для контроля размера изделия по величине оставшегося припуска (в любой момент времени обработки) необходимо: из величины заданного припуска вычесть общее количество реверсов при резании, умноженное на подачу (5'1г) и прибавить деформацию переходного процесса Ль-

Определением в масштабе реального времени постоянной времени можно осуществлять непрерывный контроль размера и тем самым обеспечивать геометрическую точность слажнопрофильных изделий из хрупких материалов.

В третьей главе приведена методика экспериментального исследования, поставлены цели и задачи эксперимента, описано оборудо-

вание, инструмент, обрабатываемые изделия, применяемые в ходе исследования.

Целью эксперимента являлось:

1. Определение значений режимов резания, ограничивающих область пластичного резания твердоструктурных материалов.

2. Разработка алгоритмов управления в пластичной области на основе анализа экспериментальных данных.

3. Обоснование технических требований к оборудованию и инструменту, обеспечивающих получение необходимого качества изделий из твердоструктурных материалов.

В задачи эксперимента входили:

1. Исследование характера изменения силы микрорезания при выбранной схеме обработки (с продольной подачей) хрупких материалов.

2. Поиск и исследование средств воздействия на процесс микрорезания, повышающих качество и производительность обработки сложнопрофильных изделий из твердоструктурных материалов.

3. Проверка и уточнение результатов теоретического анализа по влиянию деформации УС на условия сверхтонкого резания.

Для проведения эксперимента использовался станок с ЧПУ (МА-88), осциллограф С9-16, пьезоэлектрический датчик силы и ваттметр. В качестве режущего инструмента использовался алмазный круг 12А2(АЧК) 250x20x5 АСМ 7/5 Ш1 - связка на основе костной муки 150%-ной концентрации. В качестве охлаждающей жидкости использовалась вода, подаваемая в зону резания под давлением. Обрабатывались изделия из следующих материалов: керамика ВК, изумруд, сапфир, природный алмаз, синтетический алмаз.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, при анализе которых выявлена область допустимых значений режимов резания, где микрошлифование осуществляется без хрупкого разрушения материала. Выдвинута гипотеза влияния кристаллографических направлений алмаза на колебания нормальной составляющей силы резания. Далее описываются алгоритмы управления процессом резания. Алгоритм управления содержит две части: предварительный эксперимент по накоплению банка данных и рабочий режим. Приводятся рекомендации по назначению режимов резания для получения максимальной производительности и оптического класса чистоты обработанной поверхнрсти.

Область допустимых значений режимов резания для шлифования без хрупкого разрушения алмаза определялась по допустимым техническим возможностям станка. Для различных подач 5 расчитывались соответствующие деформации Л: в первом случае для

5 • Vs win • 60

Xmm = -- , (10)

Птах ' Lmax

во втором случае

S • Vs max ' 60

Хщах = --(11)

Пмп ' 1-min

где X - толщина припуска срезаемая шлифовальным кругом за один оборот. В координатах S и А строились точки, соответствующие стационарному режиму обработки. По факту скола определялась допустимая деформация при данном режиме обработки (рис.1).

Замкнутая область DEFG и АВСК является областью допустимых значений режимов резания без хрупкого разрушения для данных условий обработки.

В ходе экспериментального исследования были получены осциллограммы изменения нормальной составляющей силы резания, которые подтвердили экспоненциальный закон ее изменения на переходном участке. В ходе одного продольного перемещения стола выявлено изменение силы резания. Выдвинута гипотеза о том, что на колебание силы резания в пределах одного прохода стола влияют кристаллографические направления алмаза, изменяющиеся по направлению к вектору скорости. 3is экспериментальных данных установлено, что критическая толщина срезаемого слоя, снимаемого за один оборот шлифовального круга, при котором не наступает хрупкое разрушение, находится в интервале 0.8 нм < А < 4,9 км (при данных условиях обработки). Выявлены пути повышения качества обработанной поверхности на финишной операции при непрерывном контакте изделия и круга такие, как уменьшение врезной подачи 5, увеличение скорости резания V, применение специальных смазок.

Далее рассматриваются алгоритмы управления процессом резания.

Оператором назначаются режимы резания по допустимым техническим возможностям станка для Угшп- Контролируемым выходным па-

Рис. Область допустимых значений реяимоз резания,получен-

ная экспериментальным путем.

раыетром является нормальная составляющая силы резания, которая фиксируется датчиком силы. В ходе автоматизированного эксперимента рассчитывается Стах < 5ДОп в области пластичного микрошлифования. Находится закон изменения деформации Д от изменения подачи 5, рассчитывается предельно допустимая деформация Л в области пластичного микрошлифования.

При назначении режимов резания для получения максимальной производительности используется кривая БЕГб, так как скорость резания V максимальная. Для получения оптического класса чистоты поверхности навначается минимальная подача по техническим возможностям станка. Накопив на стадии автоматизированного эксперимента данные о допустимых значениях подач для соответствующих условий обработки (круга, изделия, смазки) и назначив первоначальные режимы резания, приступают к процессу микрошлифования. В процессе обработки в связи с температурными изменениями, изменениями режущих свойств кругов (в процессе обработки одного изделия их может быть несколько в зависимости от зернистости и связки) деформация системы начнет изменяться в сторону увеличения. Предельно допустимую деформацию, полученную в процессе автоматизированного эксперимента превышать нельзя, поэтому адаптивно нужно изменять врезную подачу 5 по закону геометрической прогрессии, таким образом, чтобы не превысить допустимой величины'деформации системы. В процессе работы так же считается параметр ч, далее параметр Тп, количество проходов Н и текущая деформация если ^ > Адоп подача 2 снижается на единицу меньше и начинается расчет сначала. Одновременно контролируется размер.

Пятая глава содержит обзор литературы по природе пластичности сверхтвердых материалов. Разработана модель элементарного акта пластической деформации с применением теории физической мевомеха-вики материалов для обработки хрупких и твердоструктурных материалов и минералов на станочном модуле с ЧПУ.

Важный этап в понимании природы пластичности и прочности твердых тел связан с развитием физической мёзомеханики материалов. Ее основная задачи - количественно связать движение дислокаций на микромасштабном уровне с интегральными механическими характеристиками на макромасштабном уровне, учитывая состав материалов, его внутреннюю структуру и условия нагружения.

В основе физической меэомеханики материалов лежит новая кон-

цепция структурных уровней деформации твердых тел. Экспериментально и теоретически было обосновано, что рассматриваемый на микроуровне сдвиг как элементарный акт пластического течения на самом деле сопровождается поворотными модами деформации на более высоком мезоскопическом масштабном уровне. Поворотные моды вовлекают в самосогласованную • деформацию всю иерархию структурных уровней нагруженной среды. Нагруженный материал в ходе пластического течения формирует на мезоуровне диссидагивные структуры, способные осуществлять пластическую деформацию по схеме "сдвиг + поворот". Деформируемое твердое тело является, таким образом, многоуровневой иерархически самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо- и макроуровни органически'взаимосвязаны.

Оказалось, что на мезоуровне носителями пластического течения являются трехмерные структурные элементы (мезообъемы), характер которых зависит от природы материала, его внутренней структуры и условий нагружения. Что особенно важно, закономерности движения трехмерных структурных элементов мезоуровне и движения дислокаций на микроуровне подчиняются закону-подобия. Это означает, что для расчета интегральных механических характеристик нет необходимости описывать самоорганизацию сложных дислокационных ансамблей на микроуровне. Достаточно описать на мезоуровне законы движения трехмерных структурных элементов.

Физическая основа модели стружкообразования на станочном модуле с ЧПУ состоит в том, что в результате специального внешнего воздействия концентратора напряжений микромасштабного уровня в кристалле возникают сильные статические смещения атомов из углов кристаллической решетки, приводящие в локальной зоне действия градиента внешнего микроконцентратора напряжений в сильно возбужденное состояние обрабатываемую поверхность кристалла. В этих условиях. далеких от основного состояния, наряду со структурным состоянием исходного кристалла в пространстве между узлами появляются новые разрешенные структурные состояния, заложенные в электронно-энергетическом спектре кристалла. В кристалле возникают новые степени свободы. В локальной зоне кристалла происходит суперпозиция нескольких структур, при этом число атомов соответствует только одной структуре. В связи с этим появляются виртуальные вакансии, не связанные с основными узлами решетки. В этих условиях возникают коллективные возбуждения, которые представляют

собой кластеры с ближним порядком, отличным от исходного состояния. Устойчивость таких коллективных возбуждений поддерживается внешним воздействием микроконцентратора напряжений. Распад такого коллективного возбуждения, связанного с микромасштабным уровнем действия внешнего микроконцентратора напряжения раздает деформационные дислокации. Эти эстафетные движения деформационных дефектов (ансамбля дислокаций) происходят через разрешенные состояния в междоузлиях основной кристаллической решетки, что обеспечивает их высокую подвижность. Согласно этой модели в каждой точке деформируемого объема в каждый данный момент времени действия микроконцентратора напряжения, направление максимального касательного напряжения которого в общем случае непараллельно осям кристаллической решетки, ансамбль дефектов эстафетно сдвигается только по одной системе плоскостей скольжения, близко соответствующей направлению максимальных касательных напряжений. Бри этом эстафетный периодический (трансляционный) выход дислокаций из их плоскостей скольжения в некотором трехмерном объеме с дислокационной структурой соответственно вызывают кооперативное периодическое смещение всего ансамбля движущихся дислокационных дефектов, сопровождаемое материальным поворотом трехмерного объема дислокационной структуры.

Это обуславливает появление на границах структурного трехмерного объема (элемента) моыевтных напряжений, действующих на структурный элемент со стороны окружения. Шментные напряжения вызывают появление поворотных мод деформации. Трехмерные структурные элементы начинают двигаться по схеме "сдвиг+поворот" как целое в режиме релаксационных колебаний, испытывая трансляцию и кристаллографический поворот. Появляется поле поворотных моментов, которое обуславливает поворотные моды деформации и внутри структурных элементов, в том числе:

- выход дислокаций из их плоскостей скольжения и постепенное формирование разориентированной ячеистой структуры;

- последовательное вовлечение других систем плоскостей скольжения дислокаций, которые образуют вихрь материальных поворотов ячеистых субструктур;

- образование поля в виде множества дислокационных диполей, в которых спаренные дислокационные скопления имеют материальные релаксирующие повороты противоположного знака.

Органическая взаимосвязь сдвигов и соответствующих поворотов трехмерных структурных элементов приводит к тому, что под воздействием внешних концентраторов напряжений микромасштабного уровня пластическая деформация не способна развиваться только на микромасштабном уровне, и сопровождающие сдвиги поворотные моды вовлекают в пластическую деформацию мезомасштабный уровень нагруженной поверхности кристалла, и, постепенно, в ходе дальнейшей пластической деформации происходит непрерывно возрастающая разо-риевтащга ячеек, которая достигает при больших степенях деформации нескольких десятков градусов.

Принципиально новым качеством в движении трехмерных дислокационных ячеек по схеме "сдвиг+поворот" является возможность непрерывной генерации в ходе пластической деформации новых (внутренних) локальных концентраторов напряжений и связанных с ними источников движения деформационных дефектов. Поскольку в общем случае трехмерные дислокационные ячейки (мезообъемы) не являются равноосными, на их границах при поворотах возникают зоны стесненной деформации.и, соответственно, возникают новые концентраторы напряжений. Другими словами, кристаллографические сдвиги внутри трехмерной ячейки, релаксируя колебания в режиме затухания одних концентраторов напряжений, приводит к генерации на границах трехмерных ячеек новых концентраторов напряжений. При этом исходная дислокационная структура в. каждой из таких поворотно колеблющихся ячеек постепенно кинетически превращается в диссипативную структуру, полностью потерявшую свою устойчивость к поворотным деформациям.

Предлагаемая модель, управления процессом микрорезания твер-доструктурных и хрупких минералов ,(анизотропных монокристаллов алмазов) определена ритмичным полем динамически нагруженной упругой обрабатывающей системы. В этом ритмичном поле параметры каждого единичного импульсного воздействия в виде внешнего микрокон-центраторз напряжений со стороны вершины, каждого заданного режущего зерна регулярного микрорельефа вращающейся производящей инструментальной поверхности на каждую соответственно заданную (локальную) ' точку обрабатываемой поверхности кристалла обеспечивают на деформируемом приповерхностном слое после каждого очередного внешнего воздействия' микроконцентратора напряжений устойчивую тенденцию ко все более четкому проявлению очертаний границ посте-

пенно фрагментируемой однослойной унитарной ячеистой структуры, имеющей квазилоликристаллический характер. Эта ячеистая структура имеет вид взаимосвязанно движущихся на площади макромасштабного уровня (ограниченной площадью действия градиента касательной составляющей внешнего импульсного микроконцентратора напряжений на пластически нагруженный материал)'в режиме релаксационных колебаний по схеме "сдвиг + материальный поворот" трехмерных ячеек-фрагментов с линейными размерами каждой из них 1-го мезомасш-табного уровня. Саюорганиэувдийся процесс постепенного накопления усталости в зависимости от количества'-возвратно-поворотных мод пластической деформации в пограничных субструктурах движущихся друг относительно друга указанных ячеек-фрагментов, периодически завершается одновременной потерей сдвиговой устойчивости каждой отдельной и всего множества на площади макромасштабного уровня указанных ячеек-фрагментов как друг относительно друга в указанной квазиполикристаллической однослойной ячеистой структуре, так и относительно нижележащей монокристаллической поверхности основного кристалла. Момент завершения этого процесса -сопровождается периодическим удалением с обрабатываемой поверхности монокристалла указанной однослойной квазиполикристаллической структуры в виде лавинообразного дискретного множества единичных пластически деформированных стружек с размерами каждой из них, соответствующей размеру указанной ячейки-фрагмента 1-го мезомасш-табного уровня. Каждая такая единичная структура обладает всеми физико-механическими ■ характеристиками основного монокристалла (как макрообъекта).

Процедура выбора режимов и параметров специального воздействия микроконцентраторов напряжений на обрабатываемую поверхность кристалла состоит в тестовой идентификации этих параметров, осуществляемой на предварительной стадии обработки в режиме автоматизированного эксперимента с компьютерной обработкой результатов и их анализом, в том числе:

- Последовательной подготовкой микрорельефа на ПИП в виде системы выступов равномерно расположенных на ПИП относительно оси ее вращения. Каждый выступ микрорельефа образован множеством режущих кромок отдельных абразивных зерен, связанных в производящую инструментальную поверхность (ПИП). Каждая такая режущая кромка имеет при вершине, равной 1,0 мкм. Число таких выступов по окруж-

ности т задают равным в диапазоне от 3 до 30000.

- Частот/ вращения ШП П1 задают равной в диапазоне от 1000 до 6000 об/мин.

- Закон изменения величины дискретный врезной подачи 51 на глубину резания в сторону возрастания упругих деформаций сжатия в виде бесконечно убывающей геометрической прогрессии

3! = г0-г(1'а\ (12)

где: 50 - начальная величина дискретной врезной подачи (например

1 МКМ);

а - знаменатель геометрической прогрессии, а-1 (в диапазоне 0,997...0,6);

1 - порядковый номер импульса, определяемый общим количеством пройденных выступов на вращающейся ПИП относительно места ее контакта с обрабатываемой поверхностью (ОП) от начального движения подачи и текущего момента времени Ь:

. 1 = (13)

- Фиксируют порядковый номер импульса 11 в момент касания ШШ с Ш.

- Фиксируют порядковый номер импульса 1г в момент начала автоколебаний упругих деформаций сжатия в обрабатывающей системе и определяют скорость. Уп1 съема припуска в этот момент времени обработки:

(12-1)

. .Зо*£ «Ш-ТЦ

. .,. ' УП1 - :-*-.....;;■ ■■ ■■ [мкм/секЗ (14)

■■• .'л'' 60 '

-,По инфорйации от датчика.силы, определяют амплитуду й± динамической составляющей автоколебаний сжатия в упругой обрабатывающей системе (УОС),в,установившемся, режиме'съема припуска и устанавливают время жизни XI единичного структурного ыезообъеыа и всего . множества единичных: ыевообъемрв в зоне действия градиента касательных напряжений' "внешних микроконцентраторов напряжений, подверженных возвратно-прворотным модам деформаций:

■'' -С1 = — (15)

- Определяют, "общее'. количество N1 возвратно-поворотных мод деформации. ';за 'ко^гЬрйе ' структура окружающих мезообъемов иа ис-

ходной (бездислокационной) превращается в диссипативную структуру, полностью потерявшую сдвиговую устойчивость: Г1-ПЫ1 Ах

N1 =- , или N1 ----(16)

60 б0-е(1й"1)

- Определяют максимальную длину траектории 11 последовательного поступательного перемещения концентраторов напряжений в плоскости формообразования для того, чтобы одновременно пластически срезать, как минимумк 0,67 часть находящихся в одинаковой фазе возбужденного состояния множества единичных трехмерных структурных мезообъемов, расположенных' в локальной зоне каждого действия градиентов внешнего микроконцентратора напряжений. Минимальная длина продольного перемещения 1± (ыкм) и определяет собой минимальную дискретность продольного перемещения в плоскости формообразования:

(Л!)2

11 «= - ГмкмЗ (17)

- Определяют скорость продольной, в плоскости формообразования, подачи УПр1 вдоль траектории длиной 11 с дискретностью перемещений й±:

Д1-Ш'П1

упр1 -- [мкм/сек]. (18)

60

Анализ осциллограмм, характеризующих динамику состояния каждой конкретной упругой обрабатывающей системы в момент выхода её на размерно-управляемый режим микрошлифования и идентифицирующей динамику состояния параметров каждой такой системы в установившемся режиме динамического равновесия между, с одной стороны, условиями фактического нагружения ритмичным полем (в виде внешних импульсных воздействий микроконцентраторов касательных напряжений) и, с другой стороны, фактической реакцией обрабатываемого материала к равномерно периодическому и послойному удалению припуска с его поверхности (в виде отдельных дискретных порций с множеством единичных пластически деформированных "стружек" в каждой такой порции), проявляемой периодически равномерной величиной динамической составляющей упругих деформаций в обрабатывающей системе, показывает, что движение каждой такой (конкретной) упру-

гой обрабатывающей систеш в динамике под действием периодической импульсной нагрузки подчинено закону, который наиболее полно может быть описан нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка Ван-дер-Поля, напоминающим уравнение для свободных колебаний системы с одной степенью свободы (но с нелинейным членом, описывающим затухание). В безразмерном виде поведение таких упругих обрабатывающих систем в динамике описывается уравнением .2 + е«(г2 - 1)-2 + г + е-^-г = е-в-т"•(Х/а) (19).

0< Е < 1.

Параметр е, характеризует относительную "расстройку" между собственной частотой систеш (определяемой временем "жизни" каждой единичной пластически деформированной стружки от момента её зарождения до момента её удаления с обрабатываемой поверхности, то есть определяемой частотой "стружкообразования") и частотой внешней импульсной нагрузки, вызванной воздействием на микромасштабном уровне режущих зерен производящей инструментальной поверхности на обрабатываемую поверхность кристалла.

Решение данного уравнения позволяет получить аналитические зависимости, которые описывают отдельно движение упругой обрабатывающей системы как в статике (для определения её размерной настройки), так и в динамике (для определения величины шероховатости Из на. окончательно обработанной поверхности).

Вшестойглаве описывается реализация нового метода обработки хрупких материалов при групповой обработке на шестико-ординатных станочных модулях. Представлена конструкция устройства для реализации данного метода обработки хрупких материалов.

В развитии конструкции станка была поставлена задача создать такие способ и устройство для шлифования изделий, преимущественно из сверхтвердых и хрупких материалов, которые позволили бы обрабатывать высокоточные изделия сложной формы в режиме пластического микротлифования без хрупкого разрушения обрабатываемой поверхности с обеспечением высокого качества поверхностей готового изделия с гарантированными размерами.

Поставленная задача решена созданием способа микрошлифования изделий, преимущественно из сверхтвердых и хрупких материалов посредством упругой обрабатывающей систеш станка с программным управлением, имеющего производящую инструментальную поверхность

со связанными режущими зернами, включающего введение в программу упругой обрабатывающей системы станка ее предела упругости на сжатие и расчетных параметров интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия, осуществление шлифования обрабатываемой поверхности заготовки изделия путем сложного движения, являющегося результатом вращательного движения производящей инструментальной поверхности, многопроходных реверсивных продольных перемещений точки касания обрабатываемой поверхности с производящей инструментальной поверхностью по расчетной траектории производящей инструментальной поверхности и осуществляемых в момент реверса врезных подач по нормали к плоскости формообразования до получения готового изделия с заданными размерами и заданной высотой микронеровностей (Кг) обработанной поверхности готового изделия, в котором перед шлифованием на производящей инструментальной поверхности формируют вершины режущих верен, выступающих из связки на одинаковую высоту, а в процессе шлифования многопроходные реверсивные продольные перемещения в плоскости формообразования осуществляют дискретно с шагом, по существу равным заданной высоте микронеровностей на обработанной поверхности готового изделия, при этом в каждом проходе в каждой заданной точке касания обрабатываемой поверхности с вершиной каждого заданного режущего зерна на расчетной траектории производящей инструментальной поверхности непрерывно измеряют статическую и динамическую составляющие силы резания и определяют момент выхода обрабатывающей системы на управляемый режим шлифования по появлению равномерной амплитуда динамической составляющей силы резания, после чего в каждой указанной точке определяют величину статической составляющей упругой деформации обрабатывающей системы и амплитуду и частоту ее динамической составляющей и непрерывно корректируют по меньшей мере один из параметров интенсивности съема припуска так, чтобы в каждой указанной точке величина динамической составляющей не превышала заданную высоту микронеровностей на обработанной поверхности готового изделия, а сумма величины указанной статической составляющей с амплитудой динамической составляющей не превышала заданного предела упругости на сжатие обрабатывающей системы станка.

Предлагаемый способ позволяет осуществить модель физической мезомеханики пластического деформирования твердоструктурных и

хрупких материалов и минералов (алмазов) в процессе размерно-регулируемого бездефектного микрорезания в упругой технологической системе, составные звенья которой включают в себя:

- упорядоченное и в пространстве системы координат станка и во времени динамическое нагружение упругой обрабатывающей системы определенной последовательностью импульсных воздействий на обрабатываемую поверхность изделия микроконцентраторов касательных напряжений в точках одноразового контакта с соответствующей последовательностью вершин режущих зерен на вращающейся производящей инструментальной поверхности для обеспечения локальной потери сдвиговой устойчивости только в кристаллической решетке и соответствующего самоорганизующегося формирования по схеме "сдвиг + поворот" унитарного ячеистого поля на обрабатываемой поверхности в виде множества единичных ыезообъемов на площади макромасштабно-го уровня от каждого единичного внешнего импульсного воздействия микроконцентратора касательного напряжения:

- периодический съем припуска с обрабатываемой поверхности изделия в виде одновременного удаления множества единичных пластически деформированных стружек с ыезомасштабным уровнем каждой такой единичной стружки как результат синхронного окончания процесса накопления усталости от возвратно-поворотных мод деформации на границах каждого отдельного и всего множества указанных единичных ыезообъемов в унитарном ячеистом поле;

- идентификацию соответствия фактической физической модели микрорезания с заданной моделью по наличию в установившемся режиме съема припуска автоколебательного характера динамической составляющей упругих деформаций в технологической системе с равными амплитудами колебаний, соответствующими линейным размерам указанной пластически деформированной единичной стружки, и частотой, соответствующей времени "жизни" каждого указанного возвратно-по-воротно движущегося единичного мезообъема в указанном унитарном ячеистом поле;

- определение времени задержки - интервала времени переходных процессов резания в упругой обрабатывающей системе, а также определение статической составляющей ее упругой деформации;

- уточнение размерной настройки упругой обрабатывающей системы о учетом статической составляющей ее упругой деформации;

- непрерывную корректировку режимов интенсивности съема при-

пуска для стабилизации в упругой обрабатывающей системе заданных выходных параметров обработки.

Таким образом, осуществление предлагаемого способа впервые позволяет реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, формализующей физические процессы и условия бездефектного ыикрорезания с получением оперативной, достоверной и достаточной для последующего целенаправленного использования информации о состоянии всех составляющих звеньев упругой обрабатывающей системы в любой текущий момент времени размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктурных и хрупких материалов и минералов (алмазов) и на основе информации о динамических и статических составляющих упругих деформаций в обрабатывающей системе обеспечить устойчивое получение заданных выходных параметров обработки ва счет самонастраивающегося компьютерного управления режимами интенсивности съема припуска в каждой точке касания каждой вершины режущего зерна производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью.

Алгоритм групповой обработки сложнопрофильных иэделий из твердоструктурных минералов приведен на рис.2, а получение размера при групповой обработке анизотропных материалов приведен на рис.3. Окончательное получение раамера на каждом из обрабатываемых изделий осуществляется с помощью пьевопривода, который является одновременно виброметром.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. В данной работе разработан и исследован процесс размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктурных минералов в упругих обрабатывающих со сверхнизкой поперечной подачей, заменяющей финишные этапы традиционной механической обработки полупроводниковых материалов.

~ 2. Установлено, что качество обработки поверхности" твердоструктурных и хрупких материалов зависит с одной стороны от характеристик абразивных алмазных кругов (зернистости, материала связки) , с другой стороны удельного давления на обрабатываемую поверхность (нормальной составляющей силы резания). Оптимизация параметров процесса микрошлифования позволяет достич уровень шероховатости Н2 ■= 0,032 мкм.

3. Проведена тестовая идентификация (посредством ЧПУ) об-

Рис. 2. Алгоритм групповой обработки твердоструктурных минералов.

нет

1 = N 5щ - Со-г<м_1)

Т1

(N-1)

ЛЫ1

_Рд_

Рс

Щг

Лн1

НЩ » бк-И -

Тп-(1 - е

(СС-Ю/Тп)

VI

Ы

Т1

Тп

4а1 - г-Кг-И^иА)

12

'2(1+1) - £Р21)'*

'2(1+1) " " ¿^2(1+2)

-(•С-Ю/Тп

&К. - (С5ы-12)/3-(1 " е . )

нет

Корректировка параметров съема припуска по каждому изделию 1<>, Кг» п

Конец

Получение размера на каждом изделии при использовании пьезопривсэда в зависимости от направления

N - кол-во проходов до стационарного участка; Дм! - статическая упругая деформация; «мз-количество мод деформации; А - динамическая составляющая деформации; VI- шаг дополнительного дискретного перемещения;

диаметр площади контакта изделия с инструментальной поверхностью.

Рис. 2. Алгоритм групповой обработки твердоструктурных минералов (продолжение).

А

с

в

В

)

х

А<С5 Диаграмма автоматического выбора режиммов интенсивности съема при размерно-регулируемой групповой обработке алмазов иа основе пластического деформирования кристаллов в упругой обрабатывающей системе шлифовального станка с ЧПУ.

вэемя шентфикж#м кдагмя е мягкмм Kmpoan«*»ipaN, гродэым грошдз»

Время идчрт«}мк*»« юдепя с фсдом иггравпмкыэаН] ifWWU гроиэдэ« •ремя ид$тс$нкацин кдаге« с тжрдл пцтитжН) Гфодогыьагфохэдоа

H»Hl»n>OBMrpfl)Oq

КУ*ио с джэфяной срсэиой меэопедмей при жегафсподиои тфешгмфоаэыим

кльмосдекрспюйфемой НезопсдамеД ■ иомб««*« С Ht-горний «ртамой wytfXffHÓi

»мфашмфошжи

■рем* И уаплаХьл претускя КУЧЮ С Henpyi ■ гй »рсзмэД

тфотвгкй от пнзофает

щм г5ч*»м

IMfánwwIrpIC^OHXHOffCM »чГптЦстти

«мчи» yrtybft HIIQAtMC HWW4 нар»

НИН« упрцгой деффШ»м тюделшс сред»« млра*-

тяг*** *ц9гойдаф<)р«^« mxvt»MC »дом m-pw

r^xijfcxa ■ (hwiM аремени Я ОСЯИ4 ЧПУ при сунсгро-

сю>Гфнпуоаафумо»<и1реиеж IF1-ог гоосжрнюда т ■ гапе при

сдохфоясдоом >*«фо(шмфо«т<

t

СО

ласти пластичного микрошлифования, при котором пластичное резание достигается при обеспечении необходимой жесткости конструкции шлифовальной установки и глубины резания порядка 2 нм на оборот шлифовального круга.

4. В основу предложенной математической модели положено основное дифференциальное уравнение шлифования,- решение которого включает постоянную времени переходного процесса, которая вычисляется на основе непрерывной информации о силе, резания, позволяющей зафиксировать начало процесса резания,- а.также выход системы после переходного процесса на стационарный режим. Контроль размера осуществляется расчетом в масштабе реального времени постоянной времени деформации системы.

Б. Экспериментальные исследования показали, что область допустимых значений режимов резания, ограничивающих переход из области пластического шлифования в область хрупкого разрушения мо-.жет. быть получена в ходе автоматизированного эксперимента, где критерием перехода из пластичной области в хрупкую является деформация системы, превышение которой сопровождается сколами обрабатываемого материала. В реальном производстве величина врезной подачи корректируется тестами из экспериментально полученной величины деформации.

6. Определение режимов реаания производится в зависимости от поставленной задачи: максимальной производительности при шлифовании или оптического класса чистоты при окончательном микрошлифовании.

7. Модель элементарного акта пластической деформации в процессе размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктурных минералов и монокристаллов состоит в том, что созданы условия получения внешних касательных микроконцентраторов напряжений, способствующая образованию однородной унитарной ячеистой структуры, состоящей из трехмерных мезообъемов, движущихся в режиме релаксационных колебаний по схеме "сдвиг + поворот". Момент завершения этого процесса сопровождается периодическим .удалением с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала однослойной поликристаллической структуры.

8. Для получения соответствия модели пластической деформации в процессе микрошлифования с теоретически заданной моделью используется технологическая диагностика и идентификация пара-

метров динамического равновесия, позволяющими получить наличие единичных пластически деформируемых стружек с размерами, равными фактической величине микронеровностей, обладающими всеми физико-механическими характеристиками основного материала, и наличие обработанной поверхности монокрисгаллической структуры, лишенной дефектов, привнесенных технологическим процессом микрошлифования.

9. Для групповой обработки изделий используется алгоритм, позволяющий на каждом изделии получить необходимое качество поверхности и геометрический размер, причем идентификация осуществляется на каждом отдельно взятом изделии, а корректировка интенсивности съема припуска производится по обрабатываемой поверхности каждой единице.

Таким образом, в результате выполненных исследований разработаны теоретические положения, процесса микрошлифования полупроводниковых материалов, совокупность которых является новым в ре-'шении проблемы "Снижения микродефектности в поверхностном и подповерхностном слоях при размерно-регулируемой обработке изделий из хрупких и твердоструктурных минералов и натуральных алмазов резанием с получением оптических характеристик чистоты на обрабатываемой поверхности за счет осуществления технологической диагностики и самонастраивающегося компьютерного управления режимами интенсивности съема припуска в соответствии с фактическими параметрами упругой обрабатывающей системы".

Создан высокотехнологичный суперпрецизионный метод окончательной обработки поверхности полупроводниковых материалов, исключающий финишные стадии традиционной технологии, влияние уровня квалификации работающего персонала, улучшающего экологию процесса за счет отсутствия в технологии агрессивных и химически опасных реагентов.

Выработаны технические характеристики с обрабатывающему инструменту и технические требования к конструкции обрабатывающего оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сильченко О.Б., Куликов В-А. Критический анализ существующих теорий о причинах завивания стружки.// Сб. научн. трудов Университета им. П.Лумумбы. Москва. 1994. 7с.

2. Сильченко О.Б. Автоматизация процесса обработки алмазов.// Тез. докл. на Международной конф. "Горная техника на пороге XXI века". Моск. Гос. Горн. Универс. М.- 1995г. 9с. -

3. Сильченко О.Б. Новая технология суперпрецизионной бездефектной обработки гвердоструктурных материалов.// Тез. докл. на V-й Межд. конф. "Торное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология". С-Петербург, 1997г. 1с.

4. Сильченко О.Б., Коныпин A.C., Продедович Ю.В., Морозов В.И. Элементы точной механики в прецизионных- обрабатывающих станках.// Тез. докл. на XXXVII-й Межд. конф. "Моделирование машиностроительного производства". Польша, Висла-1998г. 9с.

Б. Сильченко О.Б., Коныпин A.C., Морозов В.И. Технология и оборудование для автоматизированной обработки алмазов.// Тез. докл. на VI-й научн.-практ. конф. "Состояние и перспективы развития алмазно-бриллиантового комплекса России". Смоленск - 1998г. 6с.

6. Сильченко О.Б.. Коныпин A.C. Станки для бездефектной огранки алмазов на базе компьютерных технологий.// Тез. докл. на научн.-практ. конф. "Неделя горняка-98". Горный информ.-аналит. бюллетень, М.: МГГУ. 4с.

7. Сильченко О.Б.. Коныпин A.C., Щагин А.Ф. Технология огранки кристаллов на базе многоцелевых алмазно-шлифовальных станков с компьютерным управлением нового поколения.// Тез. докл. на городской научно-практ. конф. "Потенциал московских ВУЗов и его использование в интересах города", направление - "Комплекс перспективных технологии для транспорта и машиностроение". г.Москва -1999г. 6с.

8. Сильченко О.Б. Моделирование процессов бездефектного резания алмазов на принципах физической мезомеханики.// Тез. докл. на научно-практ. конф. "Неделя горняка -99". Горный информ.-аналит. бюллетень, 1999г. М.: МГГУ. Зс.

9. Сильченко О.Б. Математический анализ упругих автоколебательных обрабатывающих систем с периодической нагрузкой в процессе пластического микроревания алмазов посредством негладкого пре-

образования аргумента. // Тез. докл. на научно-практ. конф. "Неделя горняка-99". Горный информ.-аналит. бюллетень, 1999г. М.: МТУ. 7с.

10. Сильченко O.E. Технологические алгоритмы управления бездефектным микрошлифованиеы кристаллов на станочных модулях с ЧПУ.// Тез. докл. на научно-практ. конф. "Неделя горняка -99". Горный информ.-аналит. бюллетень. 1999г. М.: МГГУ. 6с.

11. Сильченко О.Б., Коньжин A.C.. Морозов B.JL Новое направление в огранке алмазов.// М.: Горный журнал, 1999г.. N5. Зс.

12. Сильченко О.Б. Новая технология и оборудование с ЧПУ для бездефектного размерного микрошлифования материалов и минералов (алмазов) наукоемких изделий.// Тез. докл. на на городской науч-но-практ. конф. "Потенциал московских ВУЗов и его использование в интересах города", направление - "Комплекс перспективных технологий для транспорта и машиностроение". г.Москва - 1999г. 2с.

13. Сильченко О.Б., Коньшин A.C., Морозов В.И. Моделирование технологического процесса бездефектного микрошлифования алмазов на специальных станках с ЧПУ.// Тез. докл. на XXXIX-й Межд. конф. "Моделирование машиностроительного производства". Польша, Вис-ла-2000г. 1с.

14. Сильченко О.Б. Современные проблемы обработки алмазов.// Тез. докл. на VI-й научл.-практ. конф. "Состояние и перспективы развития алмазно-бриллиантового комплекса России". Смоленск -2000г.

15. Сильченко О.Б., Коньшин A.C. Способ размерного микропии-фования изделий, устройство для его осуществления и приспособление для крепления обрабатываемых изделий.// Положит, решение по Заявке 2000.10.53.53. от 06 марта 2000г. 194с.

16. Сильченко О.Б. Современные концепции пластичности и прочности кристаллов в процессе их микрошлифования.// Тез. докл. на Межд. конф. "GEOTECHNICS'2000", Польша, Устрань. Зс.

17. Сильченко О.Б. Современные проблемы пластичности и прочности кристаллов.// Тез. докл. на научн.-практ. конф. "Неделя горняка-2000". Горный информ.-аналит. бюллетень, М.: МГГУ.

18. Сильченко О.Б., Теплова Т.Б., Коньшин A.C. Технологические аспекты диагностики при автоматизации огранки алмазов.// Тез. докл. на научн.-практ. конф. "Неделя горняка-2000". Горный информ.-аналит. бюллетень, М.: МГГУ.

19. Сильченко О.Б. Направления повышения эффективности обработки алмазов.// Тез. докл. на научн.-практ. конф. "Неделя горняка- 2000". Горный информ.-аналит. бюллетень, М.: МГГУ.

20. Сильченко О.Б. Теоретическое обоснование размерной настройки упругой обрабатывающей системы при бездефектном ыикрошлифо-вании сложно-профильных изделий из натуральных алмазов.// Тез. докл. на научн.-практ. конф. "Неделя горняка-2000". Горный информ.-аналит. бюллетень, М.: МГГУ.

21. Сильченко О.Б., Горшков Л.И., Дьяков Ю.Н. Прецизионный шлифовальный станок с ЧПУ. // Тез. докл. на ваучн. -практ. конф. "Неделя горняка-2000". Горный информ.-аналит. бюллетень, М.: МГГУ.

22. O.Silchenko, V.torozov, A.Konshin. High precision reduction and multiplication AWR-l, ANR-11 gears.// International conference on engineering sciensis and application, Acesa-98 Ostrava. 5p.

ВВЕДЕНИЕ.Б

ГЛАВА I. СУЩЕСТ.ВУКЩИЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ХРУПКИХ

МАТЕРИАЛОВ

1Л. Анализ существующих способов размерного пластичного микрошлифования твердоструктурных материалов.

1.2. Физические особенности процесса микрошлифования твердоструктурнш материалов, пути автоматизации и диагностики процесса

1.3. Выводы и задачи исследования

1.3.1. Выводы.

1.3.2. Задачи и цель исследования.

ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ

МИКР01ПЖФ0ВАНИЕМ ТВЕРДОСТРУКТУРНШ МИНЕРАЛОВ.

2.1. Теория съема пропуска при однопроходном микрошлифовании твердоструктурных минералов.

2.2. Теория процесса микрошлифования твердоструктурных минералов последовательными проходами.

2.3. Физический смысл постоянной времени переходных процессов резания

2.4. Разработка.метода обеспечения геометрической точности слсшюпрофильных изделий из хрупких материалов.

2.5. Выводы.

ГЛАВА III.МЕТОДИКА ЭКСТ1ЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Дели и задачи эксперимента.

3.2. Оборудование, применяемое в ходе эксперимента

3.3. Инструмент,, используемый при исследовании.

3.4. Обрабатываемые изделия

3.5. Порядок проведения экспериментов.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Предварительный эксперимент.

4.2. Результата экспериментального исследования.

4.3. Анализ экспериментальных зависимостей.

4.4. Формирование банка данных значений предельно допустимых деформаций области пластичного микрошлифования.

4.5. Оптимизация режимов резания для получения максимальной производительности процесса и оптимального хсласса чистоты обработанной поверхности.

4.6. Выводы.

ГЛАВА V. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ И ПРОЧНОСТИ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ.'.

5.1. Пластичность высокопрочных кристаллов.

5.2. Локальная потеря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки в нагруженном твердом теле на микроуровне.•.

5.3. Локальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела на мезоуровне. Фрагментация материала.

5.4. Глобальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела на макроуровне.

Разрушение.

5.5. Модель элементарного акта пластической деформации твердоструктурных минералов.

5.6. Динамическая модель бездефектного стружкообразования

5.7. Выводы.

ГЛАВА VI. МЕТОД МЖРШЛИФОВАНИЯ ТВЕРДОСТРУКТУРНЫХ

МИНЕРАЛОВ, РЕАЛИЗУНЩЙ МОДЕЛЬ ФИЗИЧЕСКОЙ МЕЗОМЕХАНИКИ МАТЕРИАЛОВ.

6.1. Задач*: нового метода обработки хрупких материалов.

6.2. Диагностика процесса микрошлифования.

6.3. Реализация нового метода микрошлифования хрупких материалов при групповой обработке.

6.4. Выводы.

Развитие современной микроэлектроники предполагает применение как традиционных полупроводниковых материалов: кремния, сапфира, кварца, бинарных соединений, так и перспективных: природных и искусственных алмазов.

Тенденция к увеличению степени интеграции микроминиатюризации полупроводниковых приборов диктует жесткие требования к микрогеометрии и качеству поверхности полупроводниковых подложек .

Существующая технология прецизионной обработки полупроводниковых подложек представляет собой многоэтапный процесс, включающий прецизионную резку монокристаллов, двустороннее шлифование подложек, химическое травление, финишное и суперфинишное полирование, а также межоперационную и окончательную очистку поверхности подложек. Несмотря на то, что в процессе обработки подложек используются агрессивные химические реагенты, к обрабатывающим составам предъявляются высокие требования по чистоте среды. \

Развивающаяся нанотехнология делает актуальной задачу разработки суперпрещ1зионной механической обработки поверхности полупроводниковых подложек на финишных этапах, что позволит достигнуть высокого качества поверхности при исключении стадий: химического травления, финишного и суперфинишного полирования, которые, как пи^азывает практика, только ухудшают микрогеометрию подложек.

Важнейшим перспективным способом окончательной обработки подложек является механическая обработка алмазными кругами по методу врезного шлифования с решением проблемы автоматического выбора режимов обработки поверхности, так как шлифование производится связанным абразивом, содержащим зерна той же твердости, что и обрабатываемый материал. Сложность этой задачи заключается в том, что режимы .обработки полупроводниковых материалов на* У ходятся в определенных интервалах, ограничивающих область резания поверхности без хрупкого разрушения.

Актуальность работы заключается в исследовании и-разработ-ке технологии бездефектного суперпрецизионного размерно-регулируемого микрошлифованил полупроводниковых материалов, выработке технических требований к обрабатывающему инструменту и решению конструктивных задач, создаваемого оборудования.

Реализация этого научного направления на базе научно-технического потенциала и мирового приоритета в области бездефектного суперпрецизионного размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктурных и хрупких материалов и монокристаллов, соз данного в России к 1999 году, позволит производить принципиально новую продукцию:

- алмазные подложки для интегральных схем в микро- и нано-электронике;

- линзы для пьезоэлектрических резонаторов из кварцз и ни-обита; для приборов ночного видения из флюорита, германия и алмаза;

- тонкие пластины из кремния, сапфира, алмаза с высоким качеством поверхности и уровнем шероховатости R2 * 0,05 мкм;

- суперпрецизионные б-ти координатные станочные модули с ЧПУ и пакеты программно-математического обеспечения для адаптивного управления процессом бездефектной групповой обработки •твердоструктурных и хрупких минералов.

Целью работы Является: исследование-и разработка процесса размерно-регулируемого микрошлифования в упругих обрабатывающих системах со сверхнизкой поперечной подачей;

- тестовая идентификация, посредством ЧПУ, области пластичного микрошлифования;

- адаптивный выбор режимов резания хрупких и твердоструктурных материалов с анизотропными механическими характеристиками;

- развитие теории устойчивого дискретного процесса струж-кообразования в виде единичных пластически деформированных на-ностружек;

- создание высокотехнологичного суперпрецизионного метода окончательной обработки поверхности полупроводниковых материалов, исключающего финишные стадии традиционной технологии, влияние уровня квалификации работающего персонала, улучшающего экологию процесса за счет отсутствия в технологии агрессивных и химически опасных реагентов;

- получение высокого класса обработки по всей плошдци поверхности обрабатываемого материала с оптическими характеристиками * 0.05 мкм и минимальным уровнем микродефектностиf

Идея работы заключается в решении проблемы снижения доли поверхности, подвергшейся в процессе механической обработки хрупкому разрушению с "99%. до 5% и, как следствие, снижение микродефектности в виде, следов хрупкого разрушения, сколов, тре щин, за счет осуществления комплекса взаимосвязанных мероприятий в процессе размерно-регулируемой обработки, обеспечивающих оперативное управление режимами съема материала в соответствии с фактическими величинами упругих деформаций обрабатывающей системы. Создаваемые условия адекватны дискретному процессу резания с автоколебательным характером.

Объектом исследования является упругая обрабатывающая система прецизионного шлифовального станка с ЧПУ, ее функционирование во взаимосвязи с приводами координатных перемещений исполнительных органов станка и вращения производящей инструментальной поверхности, с многоканальной цифровой системой оперативного контроля и с многоканальным цифровым пьезоэлектрическим приводом.

Методы исследований основаны на экспериментальных данных, при тестовом определении границ устойчивости области процесса резания в реальном масштабе времени обработки, на применении методов классической механики, физики твердого тела, теории дислокаций, физической мезомеханики и дифференциальном исчислении, а также методов математического моделирования при разработке математических алгоритмов управления процессом резания.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель управления размерной настройкой упругой системы в удловиях пластичного микрошлифования на примере одного изделия путем регулирования подачи на основе .непрерывной информации об изменении нормальной составляющей силы резания.

2. Метод тестирования фактического состояния параметров объективно отражающих процесс в области пластичного микрошлифования в реальном масштабе времени обработки.

3. Алгоритм предварительного автоматизированного определения области допустимых значений режимов резания, соответствующих резанию в пластичном режиме для каждого конкретного сочетания характеристик обрабатываемого и обрабатывающих материалов, статических и динамических характеристик станка.

4. Модель элементарного акта пластической деформации твер-доструктурных и хрупких минералов и монокристаллов при обработке на станочном модуле на основе теории физической меаомеханики материалов.

5. Математическая модель, описывающая процесс дискретного стружкообразования в виде единичных пластически деформированных стружек при размерно-регулируемом микрошлифовании кристаллов в упругой обрабатывающей системе, позволяющая в реальном масштабе времени формировать управляющую программу режимов бездефектного съема, в каждой точке касания каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью. б. Алгоритм управления групповой обработкой твердострук-турных и хрупких минералов и монокристаллов в условиях минимизации весовых потерь дифференцированно в каждом отдельном обработанном изделии. . У

Научная новизна исследований заключается в разработке комплекса взаимосвязанных между собой математических моделей и соответствующих им технологических алгоритмов управления в реальном масштабе времени процессом бездефектного . размерно-регулируемого от системы ЧПУ микрошлифования твердоструктурных и хрупких материалов в упругой обрабатывающей системе, которые включают в себя:

- формирование в упругой обрабатывающей системе станка регулярного макро- и микрорельефа на производящей инструментальной поверхности для регулярной дискретизации процесса стружко-образования в виде единичных стружек;

- тестовую идентификацию и оперативный контроль уиругих деформаций в обрабатывающей системе в каждой точке касания каждого режущего зерна вращающегося микрорельефа производящей инструментальной поверхности с поступательно дискретно перемещающейся вдоль траектории в плоскости формообразования обрабатываемой поверхности при наличии периодической (дискретной) врезной подачи по нормали к плоскости формообразования. Упругие деформации определяются в прямой пропорциональной зависимости временем задержки фактического и заданного закона изменения режимов интенсивности съема и величиной дискретной врезной подачи;

- тестовую идентификацию процесса дискретного стружкообра-зования в виде единичных пластически деформированных стружек и взаимосвязей технологических параметров резания с параметрами вращающегося регулярного микрорельефа производящей инструмен тальной поверхности'по автоколебательному характеру изменения упругих деформаций обрабатывающей системы в пределах ее упругости;

- тестовую идентификацию номинальных предельных величин упругих деформаций в обрабатывающей системе с конкретными характеристиками обрабатывающего и обрабатываемого материалов;

- стабилизацию упругих деформаций обрабатывающей системы программно-адаптивным регулированием режимов интенсивности съема на каждом режущем зерне в точке его касания с обрабатываемой поверхностью, изменением в обратно пропорциональной зависимости, либо шага дискреты перемещения вдоль, траектории, либо шага дискреты перемещения по нормали к плоскости формообразова ния на глубину резания при отклонении фактической в реальном масштабе времени идентифицируемой упругой деформации от номинально заданной величины;

- уточнение размерной настройки -упругой обрабатывающей системы с учетом статической составляющей её упругой деформации.

Научное значение работы состоит в:

- создании метода размерно-регулируемого микрошлифования, исключающего финишные этапы механической обработки в традиционном процессе формирования поверхности подложек полупроводниковых материалов;

- оптимизации параметров процесса окончательной обработки подложек; j ■ разработке математических моделей, технологических алгоритмов и зависимостей для расчетов в реальном масштабе времени параметров упругой обрабатывающей системы и управляющих программ для режимов интенсивности съема при бездефектном размерно-регулируемом микрошлифовании твердоструктурных и хрупких с анизотропными механическими характеристиками минералов и монокристаллов с получением поверхностей с оптическими характеристиками (К2 = 0,032 мкм);

- установлении аналитических зависимостей для идентификации в конкретных условиях обработки упругих и температурных деформаций с соответствующими алгоритмами их адаптивной стабилизации и формы траектории продольной подачи.

Практическое значение работы состоит в разработке технологических требований к компоновочным решениям и несущим механическим системам, к приводам координатных перемещений исполнительных органов станочного модуля и к системе ЧПУ на базе ПК, технических требований к многоканальной измерительной системе и к многоканальному цифровому пьезоэлектрическому приводу, а также к многоместной кассете, технологическому программно-математическому обеспечению и блок-схемам технологических алгоритмов программно-адаптивного управления процессом бездефектной высокоточной обработки сложно-профильных изделий из минералов и монокристаллов (включая алмазы) с минимизацией весовых потерь каждого отдельного обработанного изделия.

Предложенные методы и алгоритмы были использованы в разра

У ■ ботке технологии и программного обеспечения для станка АН-15Ф4, который проектировался и изготовлялся в НИИ "Научный Центр" при выполнении Целевых Программ Президента РФ "Национальная технологическая база" раздел "Микроэлектронные технологии" с 1996 по 2000 год.

Реализация результатов работы состоит в разработке технических требований к оборудованию и внедрении их в практику создания многокоординатных станочных модулей с ЧПУ адаптивным управлением для групповой бездефектной обработки с суперпрецизионной точностью наукоемких высокотехнологичных и высокохудожественных с оптическим качеством обработанной поверхности изделий из твердоструктурных и хрупких минералов и монокристаллов с целью коммерческого использования полученных результатов для развития приоритета России в решении проблемы: "Снижение вероятности появления дефектов в поверхностных и подповерхностных слоях при размерно-регулируемой обработке изделий из хрупких и твердоструктурных материалов и минералов резанием, за счет осуществления технологической диагностики и самонастраивающегося компьютерного управления".

Настоящая работа состоит из шести глав. В первой главе рассматриваются существующие способы обработки сверхтвердых материалов. Подробно описан экспериментальный станок "PEGASUS" для получения поверхностей оптического i1 класса чистоты на хрупких материалах, а также способ управления этим процессом. Наиболее тщательному анализу подвергнута техно* у ' логия обработки алмазов. Указаны особенности кристаллографии алмаза, физическая модель обработки и методы, повышающие производительность , точность и качество обработга изделий из алмазов. Разобрана физическая сущность процесса шлифования и указаны пути его автоматизации и диагностики.

Вторая глава посвящена математической модели управления микрошлифованием. Предлагается способ обработки изделий из хрупких материалов и его математическое описание через постоянную времени переходных процессов. Раскрывается физический смысл постоянной времени, а также метод обеспечения геометрической точности сложнопрофильных изделий.

Третья глава включает методику экспериментального исследо-\ вания, где описывается оборудование, применяемое в ходе эксперимента, а также порядок его проведения.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, при анализе которых выявлена область допустимых значений режимов резания, где микрошшфование осуществляется без хрупкого разрушения матери&па. Выдвинута гипотеза влияния кристаллографических направлений алмаза на колебания нормальной составляющей силы резания. Далее описываются алгоритмы управления процессом резания. Алгоритм управления содержит две части: предварительный эксперимент по накоплению банка данных и рабочий режим. Приводятся рекомендации по назначению режимов резания для получения максимальной производительности и оптического класса чистоты обработанной поверхности.

Пятая глава содержит обзор литературы по природе пластич

У • ности сверхтвердых материалов. Создана модель элементарного акта пластической деформации с применением теории физической ме-зомеханики материалов для обработки хрупких и твердоструктурных материалов и минералов на станочном модуле с ЧПУ.

В шестой главе описывается реализация нового метода обработки хрупких материалов при групповой обработке на шестикоор-динатных станочных модулях. Представлена конструкция устройства для реализации данного метода обработки хрупких материалов.

Оканчивается работа основными выводами.

Работа выполнена в НИИ "Научный Центр" (г.Зеленоград) совместно с Московским Государственным горным университетом (МГГУ) и фирмой "АНКОН".

Диссертационная работа состоит из шести глав, заключения и приложений. Общий объем я/6 страниц, рисунков, ¥ таблиц, //4 наименований библиографии.

6.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Метод микрошлифования изделий из сверхтвердых и хрупких материалов осуществляется посредством упругой обрабатывающей системы станка с программным управлением, включающего введение в программу упругой обрабатывающей системы станка ее предела упругости на сжатие и расчетных параметров интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия.

2. Получение необходимого класса чистоты поверхности осуществляется непрерывным контролем динамической составляющей силы резания и сравнением амплитуды динамической составляющей с заданной шероховатостью поверхности (R2), причем амплитуда не должна превышать заданную шероховатость. В реальном масштабе времени осуществляется корректировка заданных параметров врезной подачи для получения необходимых параметров шероховатости.

3. При черновом съеме припуска целесообразно дополнительно осуществлять врезные подачи от реверса к реверсу с шагом, равным частоте воздействия заданных вершин режущих зерен на локальные точки обрабатываемой поверхности.

4. Идентификация параметров интенсивности съема припуска в реальном масштабе времени для получения стабильности процесса размерно-регулируемого микрошлифования осуществляется по интервалу времени постоянной переходного процесса резания Т, интег-ратЕьно учитывающей фактическое состояние процесса резания. Для стабилизации выходных параметров обработки осуществляется корректировка интенсивности съема припуска.

5. Групповая обработка изделий осуществляется по алгоритму, позволяющему на каждом изделии достигать необходимого размера и оптической чистоты поверхности, при этом идентификация происходит на каждом изделии и настройка параметров интенсивности съема припуска осуществляется по изделию с самым "твердым" направлением

- 240 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. В данной работе разработан и исследован процесс размерно-регулируемого микрошлифования твердбструктурных минералов в сцсщ eAt<cix упругих обрабатывающих^со сверхнизкой поперечной подачей, заменяющей финитные этапы традиционной механической обработки полупроводниковых материалов.

2. Установлено, что качество обработки поверхности твер-доструктурных и xpynjskx материалов зависит с одной стороны от характеристик абразивных алмазных кругов (зернистости, материала связки), с другой стороны удельного давления на обрабатываемую поверхность (нормальной составляющей силы резания). Оптимизация параметров процесса микрошлифования позволяет достичьуровень шероховатости R2 - 0,032 мкм.

3. Проведена тестовая идентификация (посредством ЧПУ) области пластичного микрошлифования, при котором пластичное резание достигается при обеспечении необходимой жесткости конструкции шлифовальной установки и глубины резания порядка 2 нм на оборот шлифовального круга.

4. В основу предложенной математической модели положено основное дифференциальное уравнение шлифования, решение котороN го включает постоянную времени переходного процесса, которая вычисляется на основе непрерывной информации о силе резания, позволяющей зафиксировать начало процесса резания, а такке выход системы после переходного процесса на стационарный режим. Контроль размера осуществляется расчетом в масштабе реального времени постоянной времени, деформации системы.

5. Экспериментальные исследования показали, что область допустимых значений режимов резания, ограничивающих переход из области пластического шлифования в область хрупкого разрушения может быть получена в ходе автоматизированного эксперимента, где критерием перехода из пластичной области в хрупкую является деформация системы, превышение которой сопровождается сколами обрабатываемого материала. В реальном производстве величина врезной подачи корректируется тестами из экспериментально полученной величины деформации.

6. Определение режимов резания производится в зависимости от поставленной задачи: максимальной производительности при шлифовании или оптического класса чистоты при окончательном микрошлифовании.

7. Модель элементарного акта пластической деформации в процессе размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктур-ных минералов и монокристаллов состоит в том, что созданы условия получения внешних касательных микроконцентраторов напряжений, способствующих образованию однородной унитарной ячеистой структуры, состоящей из трехмерных мезообъемов, движущихся в режиме релаксационных колебаний по схеме "сдвиг + поворот". Момент завершения этого процесса сопровождается периодическим удалением с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала однослойной прликристаллической структуры.

8. Для получения соответствия модели пластической деформации в процессе микрошлифования с теоретически заданной моделью используется технологическая диагностика и идентификация параметров динамического равновесия, позволяющими получить наличие единичных пластически деформируемых стружек с размерами, равными фактической величине микронеровностей, обладающими всеми фи» зико-механическими характеристиками основного материала, и наличие обработанной поверхности монокристаллической структуры, лишенной дефектов, привнесенных технологическим процессом мик-ропшифования.

9. Для групповой обработки изделий используется алгоритм, позволяющий на каждом изделии получить необходимое качество поверхности и геометрический размер, причем идентификация осуществляется на каждом 'отдельно взятом изделии, а корректировка интенсивности съема ррипуска производится по обрабатываемой поверхности каждой единицы.

Таким образом, в результате выполненных исследований разработаны теоретические положения процесса микрошлифования полупроводниковых материалов, совокупность которых является новым в решении проблемы "Снижения микродефектности в поверхностном и подповерхностном слоях при размерно-регулируемой обработке изделий из хрупких и твердоструктурных минералов и натуральных алмазов резанием с получением оптических характеристик чистоты на обрабатываемой поверхности за счет осуществления технологической диагностики и самонастраивающегося компьютерного управления режимами интенсивности съема припуска в соответствии с фактическими параметрами упругой обрабатывающей системы".

Создан высокотехнологичный суперпрецизионный метод окончательной обработки поверхности полупроводниковых материалов, исключающий финишные стадии традиционной технологии, влияние уровня квалификации работающего персонала,- улучшающего экологию процесса за счет отсутствия в технологии агрессивных и химически опасных реагентов.

Выработаны технические характеристики к обрабатывающему инструменту и технические требования к конструкции обрабатывающего оборудования. 1 2 3 4 5 б 7 8 9

10

11

12

13

14

15

1. Адаптивное управление металлорежущими станками. М. НИИМАШ, 1973, 227 с.

2. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов. Киев, Наукова думка, 1978, 205 с.

3. Балакшин Б.С. Самонастраивающиеся станки. М. Машиностроение, 1970, 416 с. с илл.

4. Бобриевич А.Н. Алмазные месторождения Якутии. М. ,1969, 248с. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. -Л.: Наука, 1986. 224с.

5. Глейзер З.Ш. Самонастраивающиеся системы активного контроля размеров. М. Машиностроение, 1978, 224 с. Гомон Г.О. Алмазы. М., 1966.

6. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М. Наука, 1964, 228 с.

7. Де Витт Р. Континуальная теория дисклинаций. -М.: Мир, 1977. 208с.

8. Иванова B.C. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992. - 159с. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. - М.: Наука, 1994.- 383с.

9. Кадич А., Зделен Д. Калибровочная теория дислокаций и диск-линаций. М.: Мир, 1987. - 168с.

10. Киселева H.1L Технические алмазы. М., 1964, 213 с.

11. Конструирование новых материалов и упрочняющих технологий. /Под ред. В.Е. Панина. Новосибирск: Наука, 1996. - 140с.

12. Косевич A.M. Дислокации в теории упругости. Киев: Наукова думка, 1978. - 220с.

13. Коротаев А.Д., Суховаров В.Ф., Тюменцев А.Н. Дисперсное упрочнение тугоплавких металлов. Новосибирск: Наука, 1989. -211с.

14. Коныпин А.С. Управление процессом шлифования для повышения производительности и точности при одновременной многоинструментальной обработке. Автореф. дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук. ЭНИМС, М., 1987.

15. Конева Н.А., Козлов Э.В. // В кн.: Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука, 1990. - с.123 - 186.

16. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах.- М.: Металлургиздат, 1958.- 267с.

17. Кудинов В.А. Динамика станков. М. Машиностроение, 1967.

18. Куланов Ю.М., Хрульков В.А., Дудин-Барковский П.В. Предотвращение дефектов при шлифовании. М. Машиностроение, 1975,144 с.

19. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации- Киев: Наукова думка, 1989- - 320с

20. Лихачев В.А., Хайров Р.Ю. Введение в теорию дислокаций. -Л.: Мзд-во ЛГУ, 1975.- 183с.

21. Лурье Г.В. Шлифование металлов. М. Машиностроение,1969, 175с.

22. Лурье Г.В., Гичан В.В. Адаптивная система управления процессом круглого врезного шлифования. Станки и инструмент, 1974, N 7, с. 17 - 18.

23. Лурье Г-Б. Оптимизация цикла обработки на круглошлифовальных станках. В кн.: Оптимизация технологических процессов механосборочного производства. Материалы Всесоюзн. научно-тех-нич. конф., М., 1977, М., 1978, с. 99 - 105.

24. МРТУ 2-037-1-73. Сырье алмазное. Основные размеры и технические требования. М., 1974, с.6 7.

25. Маслов Е.Н. Теория шлифования металлов. М. Машиностроение, 1974, 320 с.

26. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. М. Машиностроение^ 1975, 304 с.

27. Нестеренко В.Ф., Бондарь М.П. // Физика горения и взрыва. -1994. N4. - С. 99-111.

28. Новиков В.Ю., Брятова Л.И. Исследование алгоритма управления шлифованием с использованием коррекции при временном и размерном выхаживании. Вестник машиностроения, 1978, N 5, с. 37 - 41.

29. Невельсон М.С. Автоматическое управление точностью металлообработки. Л. Машиностроение, 1973, 176 с.

30. Обработка алмазов. Сб. переводов ВНИИ Госзнака Ш СССР. М., 1962 1969 г.г. 343 с.

31. Панин В.Е, Егорушкон В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф. // Изв. вузов. Физика. 1982. - N12. - С. 5-28.

32. Панин В.Е.//Изв. вузов. Физика. 1987. - Т.30. - N1. - С. 3-8.

33. Панин В.Е.// В : Физика хрупкого разрушения. Ч. 1. Киу ■ев: изд-во ИМП АН УССР, 1976. С. 3-16.

34. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск:'Наука, 1985. - 229с.

35. Петров B.C. Драгоценные и цветные камни. М., 1963, 486 с.

36. Попов Г.М., Шафроновский И.И. Кристаллография. М.,1964, 284с.

37. Разработка модели адаптивной системы управления размерной настройкой упругой технологической системы шлифовального станка и алгоритма тестового диагностирования процесса резания. Отчет ЭНИМС 1994, Г.Р. N 01860019168.

38. Ратмиров В.А. Основы программного управления станками. М. Машиностроение, 1978, 240 с.

39. Рид В.Т. Дислокации в кристаллах.- М.: Металлургиздат, 1957.- 279с.

40. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986. - 224с.

41. Сильченко О.Б., Кудинов В.А. Критический анализ существующих теорий о причинах завивания стружки. Сб. научн. трудов Университета им. П.Лумумбы. Москва, 1994, 7с.

42. Сильченко О.Б., Коньшин А.С., Кудинов В.А. Способ размерногопрофильного микрошлифования твердоструктурных минераллов и » монокристаллов на станках с CNC. Положительное решение НИИГ

43. ПЭ по заявке N 5030920/08 от 22.07.94г., 12с.

44. Сильченко О.Б. Автоматизация процесса обработки алмазов. Тез. докл. на Международной конф. "Горная техника на пороге XXI века". Моск. Гос. Горн. Универс. М.- 1995г., 9с.

45. Сильченко О.Б. Новая технология суперпрецизионной бездефектной обработки твердоструктурных материалов. Тез. докл. на V-й Межд. конф. 'Торное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология". С-Петербург, 7-10 окт. 1997г.1. У '

46. Сильченко О.Б., Коньшин А.С., Продедович Ю.В., Морозов В.И. Элементы точной механики в прецизионных обрабатывающих станках. Тез. докл. на 23-й Межд. конф. "Моделирование машиностроительного производства". Польша, Варшава- 1998г., 9с:.

47. Сильченко О.Б., Коньшин А.С., Морозов В.И. Технология и оборудование для автоматизированной обработки алмазов. Тез. докл. на VI-й научн.-практ. конф. "Состояние и перспективы развития алмазно-бриллиантового комплекса России". Смоленск- 1998г., 6с.

48. Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Станки для бездефектной ограшш алмазов на базе компьютерных технологий. Тез. докл. на научн.-практ. конф. "Неделя горняка-98". Горный информ.-ана-лит. бюллетень N6, М.: МГТУ, 4с.

49. Сильченко О.'З. Моделирование процессов бездефектного реваншалмазов на принципах физической мезомеханики. Научно-практ. конф. "Неделя горняка -99". Горный информ.-аналит. бюллетень 1999г. N8., М.: МГГУ, Зс.

50. Сильченко О.Б. Технологические алгоритмы управления бездефектным микрошлифованием кристаллов на станочных модулях с ЧПУ. Научно-практ. конф. "Неделя горняка -99". Горный информ.-аналит. бюллетень 1999г. N12., М.: МГГУ, 6с.

51. Сильченко О.Б., Коньшин А.С., Морозов В.Л. Новое направление в огранке алмазов. М.: Горный журнал, 1999г. N5.

52. Сильченко О.Б. Новая технология и оборудование с ЧПУ для бездефектного размерного микрошлифования материалов и минералов (алмазов) наукоемких изделий. М.: Горный информ.-ана-лит. бюллетень 1999г. N12., М.: МГГУ.

53. Судзуки Т., Есйнага X., Таксути С. Динамика дислокаций и пластичность. -М.: Мир, 1989. 294с. ;

54. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. Киев: Наукова думка, 1975. - 315с.

55. Тяпкин Ю.Д., Лясоцкий И. В. // В кн.: Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1981. - Т.15. - С. 47-110.

56. Убеллоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. М.: Металлургия, 1982. 374с.

57. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х т.// Под ред. В.Е. Панина. Новосибирск: Наука, 1995. - 297 и 320с.

58. Фикс-Марголин Б.Г. Обеспечение требуемой шероховатости при круглом врезном шлифовании на станках с ЧПУ. Автореф. на со-иск. ученой степени канд. техн. наук. Отд. научно-техн. инф. ЭНИМС, М., 1982. *

59. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. Ленинград, Машиностроение, 1979, 245 с.

60. Филимонов Л.Н. Стойкость шлифовальных кругов. Ленинград, Машиностроение, 1973, 131 с.

61. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 2. М. Физматгиз, 1962, 807 с.

62. Фридель Ж. Дислокации.- М.: Мир, 1967.- 643с.

63. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. -М.: Атомиздат, 1972. -599с.

64. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. -М.: Мир, 1972. -408с.

65. Чубуков А.С., Ратмиров В.А., Коньшин А.С. Способ адаптивного управления. Авт. свид. N 878540 М. кл. В 24В 49/00. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1981, N 41.

66. Чубуков А.С., Коньшин А.С., Ратмиров В.А., Гельфельд О.М.

67. Создание устройства числового программного управления тор-цекруглошлифовальным станком с оптимизацией режимов обработки. Отчет по теме 34-75. ЭНИМС, М., 1975, 106 с.

68. Ящерицын П.Я., Жалнерович Е.А. Шлифование металлов. Минск, Беларусь, 1970, 463 с.

69. Abstracts of Intern. Workshop on Materials Instability unter

70. Mechanical Loading / St. Petersburg: Preprint. 1996.65p.

71. Abstracts of Intern. Conference Mesofracturer96 / Tomsk: Preprint. 1996. - 200p.

72. Abstracts of 2-nd Euroconf. and Intern. Symp. on Material Instabilities in Deformation and Fracture / Ed. by E.C. Ai-fantis. Tessaloniki: HELLAS. - 1997. - 35p.

73. Bifano, T.G., 1988, "Ductile-Regime Grinding of Brittle Materials", Ph.D. Thesis, NC State University, Raleigh, NC.

74. Bifano, T.G., and Dow, T.A., 1985, "Real-Time Control of Spindle Runout", Optical Engineering, Vol. 24, No.5.

75. Chandrasekar, S., and Sathyanarayanan, G., 1987, "An Investigation into the Mechanics of Diamond Grinding of Brittle Materials", 15th North American Manufacturing Research Conference Proceedings, Vol. 2, Manufacturing Technology Review, pp. 499-505.

76. Daniluk, S., 1986, "Smoother Scribing of Silicon Wafers", NASA Tech Briefs, September/October.

77. De Borst R., Geers M., Peerlings R. // Absract of 2-nd Euro-conf. and Intern. Symp. on Material Instabilities in Deformation and Fracture / Ed. by E.C. Aifantis. Tessalonlki: HELLAS. - 1997. r P. 3.

78. Dow, Т.Л., Bifano, T.G., and Cagle, C.M. 1989,"Spindle Error Compensation", Proceedings of International Machine Tool Research Forum, Chicago.

79. Essman U. // Phys. Stat. Sol. 1965. - V. 12.'- N2. - P. 723-747.

80. Harren S.V., Deve H.E., Asaro R. J.// Acta Met. 1988.-V.36.- N9. - P. 2435-2480.

81. Huerta, M., and Malkin, S., 1976, "Grinding of Glass: The Mechanics of the Process", ASME Journal of Engineering for Industry, May, pp. 459-467.

82. King, R.F., and Tabor, D., 1954, "The Strength Properties and Frictional Behaviour of Brittle Solids", Proc. of the Roy. Soc. London, A223, p.225.

83. Kroner E. Gauge Field Theories of Defekts in Solids. -Stuttgart: Max Plank Inst., 1982. 102p.

84. Kroner E. // Mechanica. 1996. - V.31. - P. 577-587.

85. Kroner E. // Int. J. Theor. Phys. 1990. - V.29. - P. 1219-1237.

86. Kroner E. and Lagoudas D.C. // Int. J. Engng. Sci. 1992. -• V.30. - N1. - P. 47-53.t 100. Lawn.B.R., Jersen, Т., and Aurora, A., "Brittleness as an1.dentation Sixe Effect", J. Matl. Sci. Lett., Vol. 11, p.575, 1976.

87. Marshall, D.B., and Lawn, B.R., 1986, "Indentation of Brittle Materials", Microindentation Techniques in Materials Science and Engineering, ASTM STP 889, P.J. Blau and B.R. Lawn, eds., ASTM, Philadelphia, pp. 26-46.

88. Miyashita, M., .1985, 1st Annual Precision Engineering Conference, North Carolina State Univ., Raleigh, NC.

89. Molloy, P., Schinker, M.G., and Doll, W., 1987, "Brittle Fracture Mechanisms in Single-Point Glass Abrasion", Intl. Tech. Symp. on Optical and Electro-Optical Appl. Sci. and Eng., The Hague, NL, (SPIE Vol. 802).

90. Panin V.E. // A Topical Encyclopedia of Current Knowledge Dedicated to A Griffith / Ed.by G. Cherepanov. Melbourne, USA: Krieger Publishing Company, 1998. - P. 772 - 793.

91. Panin V.E., Derevyagina L.S., Deryugin Ye. Ye. et al. // Abstracts of CADAMT'97. Tomsk: 1SPMS, 1997. - P. 158-159.

92. Physical Mesomechanics of Heterogeneous Media and Computer- Aided Desing of Materials / Ed. by V.E. Panin. Cambridge: Cambridge Interscience Publishing, 1998. - 450p.

93. Scattergood, R.O., Srinivasan, S., and Bifano, T.G., 1988, "R-Curve Effects for Machining and Wear of Ceramics", 7th International Symposium on Ceramics, Bolonia, Italy.

94. Schinker, M.G., and Doll, W., 1987, "Turning of Optical Glasses at Room Temperature", Intl. Tech. Symp. on Optical and Electro-Optical Appl. Sci. and Eng., The Hague, NL, (SPIE Vol. 802).

95. Swain, M.V., 1979, "Microfracture About Scratches in Brittle

96. Solids", Proc. Roy. Soc. London, A366, pp. 575-597.

97. Toh, S.B., and McPherson, R., 1986, "Fine Scale Abrasive Wear of Ceramics by a Plastic Cutting1 Process", Science of Hard Materials, Inst. Phys. Conf. Serf. No. 75, Chap. 9, Adam Hilder, Ltd., Rhodes, pp. 865-871.

98. Yoshioka, J., Koizumi, K., Shimizu, M., Yoshikawa, H., Mi-yashita, M., and Kanai, A., 1982, "Surface Grinding with1. V •

99. Newly Developed Ultra Precision Grinding Nachine", SME Technical Paper MR82-930.

100. Yoshioka, J., Miyashita, M., Hashimoto, F., and Daitoh, M., 1984, "High Precision Centerless Grinding of Glass as a Preceding Operation to Polishing", SME Technical Paper MR84-542.к

101. V.N. Pilipchuk,4 A.F. Vakakis, M.A.F. Azeez. Study of class of subharmonik motions using a non-smooth temporal transformation (NSTT).// Physica D 100 (1997) pp. 145-164.