eng
В теории обработки резанием часто встречается термин "труднообрабатываемые материалы". Это и закаленные или нержавеющие стали, и твердые сплавы. Однако, отдельным классом среди всех труднообрабатываемых материалов можно, пожалуй, выделить хрупкие материалы: оптические стекла, кристаллы различных солей, монокристаллический кварц, кварцевые стекла, германий и т.д. Их высокая твердость и хрупкость вызывает большие трудности при обработке резанием – хрупкое разрушение материалов сопровождается активным трещинообразованием, появлением сколов и различных дефектов на обрабатываемых поверхностях. В то же время, специфика деталей, изготавливаемых из данных материалов, такова, что вопрос зачастую состоит не только в возможности обработки хрупких материалов на имеющемся оборудовании, но и в получении сверхточных поверхностей с нанометровой шероховатостью и минимальными внутренними напряжениями.
Теги: hard-to-cut materials high-precision roughness of surfaces ultrahigh-precision equipment труднообрабатываемые материалы ультрапрецизионноточные станки хрупкие материалы шероховатость поверхности
Н
а данный момент большинство отечественных предприятий, занимающихся производством сверхточных деталей из хрупких материалов для оптической, электронной, медицинской, авиационной промышленности, в качестве основополагающей технологии использует технологию многократного шлифования обрабатываемых поверхностей с их последующей притиркой и доводкой (полированием) (рис.1). Эта технология весьма эффективна и испытана временем. Она позволяет получить необходимую точность и шероховатость для простых поверхностей (плоскость, сфера) практически во всех случаях. Однако на полную обработку времени зачастую не хватает. Обработка одной детали с точностью формы не более 100 нм и шероховатостью не более 10 нм требует иногда десятков часов. Двадцать первый век не терпит временных потерь, перед современными технологами стоит важная задача: сократить время обработки сверхточных деталей из хрупких материалов, обеспечив при этом необходимую точность и шероховатость. Задача не простая, но сложные задачи тем и интересны, что их нестандартное решение позволяет увидеть проблему под другим углом.
Квазипластичность, пластичное резание, обработка в режиме квазипластичности (ductile cutting) – режимы механической обработки хрупких материалов, при которых поверхностные слои материала проявляют пластичные свойства [1]. То есть, возможно назначить такую скорость, глубину резания, подачу режущего инструмента или заготовки, при которых в обрабатываемом материале возникнет настолько высокое напряжение, что механизм хрупкого разрушения сменится механизмом пластичного деформирования. Иными словами, при определенных режимах резания обработка деталей из монокристаллического кварца будет эквивалентна обработке деталей из конструкционной стали. Необходимо только понять, как назначить такие режимы резания и какое оборудование позволит их осуществить? Ответ на данный вопрос кроется в предыстории пластичного резания.
Итак, ductile cutting (пластичное резание) впервые было обнаружено в 1954 году. При экспериментальных исследованиях по фрикционному износу кристаллов каменной соли совершенно случайно было отмечено, что границы некоторых следов контакта образованы не сколами с характерными трещинами по краям, а словно оплавлены. Налицо были пластичные деформации хрупкого материала. Явление это, если не уникальное, то, по крайней мере, удивительное. Но как его использовать и как воспроизвести в зоне резания условия, аналогичные тем, что имели место при трении многочисленных граней солевых кристаллов?
Ответ на данный вопрос пытались дать Т. Бифано и Т. Доу. В конце 80-х годов двадцатого века, они ставят многочисленные опыты по пластичному шлифованию (ductile grinding).
В процессе экспериментальных работ, ученые выдвигают теорию о том, что глубина резания, при которой наблюдается пластическая деформация хрупких материалов прямопропорциональна квадрату коэффициента интенсивности напряжений (трещиностойкости) и модулю упругости материала и обратнопропорциональна кубу твердости [2]. Как это часто бывает, практика лишь частично доказала выдвинутую теорию. Однако, Т. Бифано и Т. Доу смогли сделать главное – они обнаружили границы хрупко-пластичного перехода для кварца, германия, ситалла, кварцевого стекла, оптического стекла и других материалов (рис.2).
Несмотря на то, что данные Бифано и Доу получены более двадцати лет назад, многие зарубежные исследования до сих пор базируются на приведенных ими режимах.Параллельно с экспериментами по пластичному шлифованию развивается технология пластичного точения хрупких материалов. Toh и McPherson [3] обнаружили, что пластически деформированная стружка при обработке керамических материалов появлялась тогда, когда глубина резания составляла менее 1 мкм. В то же время Blake и Scattergood [4], изучавшие обработку германия и кремния, пришли к выводу, что главным параметром, который управляет переходом от хрупкого разрушения к пластичному, является толщина срезаемого слоя, т.е. глубина резания. Puttick [5], проводивший алмазное точение стекла с глубиной резания порядка 100 нм, достиг шероховатости поверхности Ra 0,6 мкм. Leung [6] выполнил непосредственно обработку кремния на прецизионном токарном станке с шероховатостью 2,86 нм и также пришёл к выводу, что для того, чтобы получить высококачественную поверхность, необходимо проводить обработку в пластичном режиме и толщина стружки (глубина резания) должна быть меньше критического значения, назначенного Бифано и Доу.
При пластичном точении стружка, образующаяся в зоне радиуса округления режущей кромки, имеет форму "запятой". Размеры стружки изменяются от нуля вблизи вершины инструмента до максимального значения у торца стружки (рис.3). Как уже было сказано выше, Blake пришел к выводу, что переход от хрупкого к пластичному режиму съёма стружки определяется критической толщиной стружки. Повреждения, которые прогнозируются при пластичной обработке, не распространяются на обработанную поверхность, так как они постепенно устраняются при последующем перебеге, что обусловлено согласованностью величины радиуса инструмента и подачи, которые в свою очередь определяют поперечное сечение стружки.
Таким образом, пластичное резание, объединяющее пластичное шлифование и пластичное точение – это явления, наблюдаемые при очень малой, нанометровой, глубине резания. Для осуществления обработки в режиме квазипластичности необходимо обеспечить:
использование сверхжесткого ультрапрецизионного станка, способного обеспечить необходимые режимы резания;
кинематику резания, которая позволит добиться минимальной толщины, срезаемой стружки;
использование алмазного монокристаллического с остротой режущей кромки – 20–50 нм или абразивного инструмента с микронной зернистостью.
ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" совместно с ООО "Ресурс точности" и МГТУ им. Н.Э. Баумана более трех лет ведут разработки и исследования в области создания ультрапрецизионного оборудования для обработки широкого спектра материалов. В 2014 году в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы" ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" заключил Соглашение на выполнение прикладных научных исследований по теме "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания".
В рамках проекта запланировано создание сверхжесткого ультрапрецизионного экспериментального стенда для алмазного точения и шлифования в квазипластичном режиме (рис.4), а также предназначенного для отработки технологии обработки хрупких материалов методом пластичного резания.
На данный момент на имеющемся ультрапрецизионном оборудовании проведены предварительные экспериментальные исследования по обработке дигидрофосфата калия, сапфира, монокристаллического кварца, кварцевого стекла и ситалла. Обработка материалов проводилась путем фрезерования алмазным монокристаллическим инструментом и алмазным шлифованием (рис.5, 6) при реализации специальной кинематической схемы резания, которая обеспечивала толщину снимаемой стружки в пределах от 4 до 34 нм.
В результате экспериментов по алмазному шлифованию кругом зернистостью 2/3 мкм были получены участки обработанных поверхностей с шероховатостью от 2 до 34 нм (в зависимости от материала и режимов обработки) (рис.7). На поверхностях ярко выражены "следы подачи" режущего инструмента и отсутствие сколов и трещин. Это гарантирует, что в зоне резания при обработке материал находился в состоянии квазипластичности.
При алмазном фрезеровании дигидрофосфата калия шероховатость обработанной поверхности составила 1–3 нм (рис.8). Также были видны следы подачи режущего инструмента. На рис.7 также видна граница хрупко-пластичного перехода.
В дальнейших планах ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" стоит разработка технологии изготовления плоских, сферических, асферических и произвольных поверхностей методами алмазного точения и шлифования в режиме квазипластичного резания. Кроме того, планируется изготовление узлов и монтаж специального ультрапрецизионного стенда для реализации режимов квазипластичного резания при обработке хрупких материалов.
Таким образом, обработка методом пластичного резания с использованием специального инструмента (алмазный круг на металлической связке, резец или фреза) позволяет получить оптическую поверхность при обработке практически любого хрупкого материала, на поверхностях практически любой формы (решетки, поверхности свободной формы с нанометровой точностью и шероховатостью при практически полном отсутствии нарушенного слоя). При этом операция полировки или совсем исключается, или минимальна по времени.
Статья подготовлена в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы" по Соглашению № 14.579.21.0042 от 25.08.2014 "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания" между ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" и Министерством образования и науки РФ.
Литература
Теплова Т.Б. Квазипластичное удаление поверхностного слоя твердых хрупких материалов с получением нанометрового рельефа поверхности.– Научный вестник МГГУ, 2010, №8, с. 73–88.
Bifano T. Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials/ T. Bifano, T. Dow, R. Scattergood. –Transaction of ASME, 1991, v.113 №5, p.184–189.
Toh, S. Fine scale abrasive wear of ceramics by a plastic cutting process, in science of hard Materials / S.B. Toh, R. McPherson, ed. E.A. Almond, C.A. Brookes and R.Warren.– Bristol and Boston: Adam Hilger Ltd, 1986, p. 865–871.
Blake P.N. Ductile regime machining of germanium and silicon/ P.N. Blake, R. Scattergood. – Journal of American Ceramic Socciety, 1990, v.73, №4, p. 949–957.
Puttick, K.E. Energy scaling transitions in machining of silicon by diamond/ K.E. Puttick, L.C. Whitemore, P. Zhdan. – Tribology International, 1995, v.28, p. 349–355.
Leung T.P. Diamond turning of silicon substrates in ductile-regime/ T.P. Leung, W.B. Lee. – Journal of Materials Processing Tecnology, 1998, v.73, p.42–48.
а данный момент большинство отечественных предприятий, занимающихся производством сверхточных деталей из хрупких материалов для оптической, электронной, медицинской, авиационной промышленности, в качестве основополагающей технологии использует технологию многократного шлифования обрабатываемых поверхностей с их последующей притиркой и доводкой (полированием) (рис.1). Эта технология весьма эффективна и испытана временем. Она позволяет получить необходимую точность и шероховатость для простых поверхностей (плоскость, сфера) практически во всех случаях. Однако на полную обработку времени зачастую не хватает. Обработка одной детали с точностью формы не более 100 нм и шероховатостью не более 10 нм требует иногда десятков часов. Двадцать первый век не терпит временных потерь, перед современными технологами стоит важная задача: сократить время обработки сверхточных деталей из хрупких материалов, обеспечив при этом необходимую точность и шероховатость. Задача не простая, но сложные задачи тем и интересны, что их нестандартное решение позволяет увидеть проблему под другим углом.
Квазипластичность, пластичное резание, обработка в режиме квазипластичности (ductile cutting) – режимы механической обработки хрупких материалов, при которых поверхностные слои материала проявляют пластичные свойства [1]. То есть, возможно назначить такую скорость, глубину резания, подачу режущего инструмента или заготовки, при которых в обрабатываемом материале возникнет настолько высокое напряжение, что механизм хрупкого разрушения сменится механизмом пластичного деформирования. Иными словами, при определенных режимах резания обработка деталей из монокристаллического кварца будет эквивалентна обработке деталей из конструкционной стали. Необходимо только понять, как назначить такие режимы резания и какое оборудование позволит их осуществить? Ответ на данный вопрос кроется в предыстории пластичного резания.
Итак, ductile cutting (пластичное резание) впервые было обнаружено в 1954 году. При экспериментальных исследованиях по фрикционному износу кристаллов каменной соли совершенно случайно было отмечено, что границы некоторых следов контакта образованы не сколами с характерными трещинами по краям, а словно оплавлены. Налицо были пластичные деформации хрупкого материала. Явление это, если не уникальное, то, по крайней мере, удивительное. Но как его использовать и как воспроизвести в зоне резания условия, аналогичные тем, что имели место при трении многочисленных граней солевых кристаллов?
Ответ на данный вопрос пытались дать Т. Бифано и Т. Доу. В конце 80-х годов двадцатого века, они ставят многочисленные опыты по пластичному шлифованию (ductile grinding).
В процессе экспериментальных работ, ученые выдвигают теорию о том, что глубина резания, при которой наблюдается пластическая деформация хрупких материалов прямопропорциональна квадрату коэффициента интенсивности напряжений (трещиностойкости) и модулю упругости материала и обратнопропорциональна кубу твердости [2]. Как это часто бывает, практика лишь частично доказала выдвинутую теорию. Однако, Т. Бифано и Т. Доу смогли сделать главное – они обнаружили границы хрупко-пластичного перехода для кварца, германия, ситалла, кварцевого стекла, оптического стекла и других материалов (рис.2).
Несмотря на то, что данные Бифано и Доу получены более двадцати лет назад, многие зарубежные исследования до сих пор базируются на приведенных ими режимах.Параллельно с экспериментами по пластичному шлифованию развивается технология пластичного точения хрупких материалов. Toh и McPherson [3] обнаружили, что пластически деформированная стружка при обработке керамических материалов появлялась тогда, когда глубина резания составляла менее 1 мкм. В то же время Blake и Scattergood [4], изучавшие обработку германия и кремния, пришли к выводу, что главным параметром, который управляет переходом от хрупкого разрушения к пластичному, является толщина срезаемого слоя, т.е. глубина резания. Puttick [5], проводивший алмазное точение стекла с глубиной резания порядка 100 нм, достиг шероховатости поверхности Ra 0,6 мкм. Leung [6] выполнил непосредственно обработку кремния на прецизионном токарном станке с шероховатостью 2,86 нм и также пришёл к выводу, что для того, чтобы получить высококачественную поверхность, необходимо проводить обработку в пластичном режиме и толщина стружки (глубина резания) должна быть меньше критического значения, назначенного Бифано и Доу.
При пластичном точении стружка, образующаяся в зоне радиуса округления режущей кромки, имеет форму "запятой". Размеры стружки изменяются от нуля вблизи вершины инструмента до максимального значения у торца стружки (рис.3). Как уже было сказано выше, Blake пришел к выводу, что переход от хрупкого к пластичному режиму съёма стружки определяется критической толщиной стружки. Повреждения, которые прогнозируются при пластичной обработке, не распространяются на обработанную поверхность, так как они постепенно устраняются при последующем перебеге, что обусловлено согласованностью величины радиуса инструмента и подачи, которые в свою очередь определяют поперечное сечение стружки.
Таким образом, пластичное резание, объединяющее пластичное шлифование и пластичное точение – это явления, наблюдаемые при очень малой, нанометровой, глубине резания. Для осуществления обработки в режиме квазипластичности необходимо обеспечить:
использование сверхжесткого ультрапрецизионного станка, способного обеспечить необходимые режимы резания;
кинематику резания, которая позволит добиться минимальной толщины, срезаемой стружки;
использование алмазного монокристаллического с остротой режущей кромки – 20–50 нм или абразивного инструмента с микронной зернистостью.
ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" совместно с ООО "Ресурс точности" и МГТУ им. Н.Э. Баумана более трех лет ведут разработки и исследования в области создания ультрапрецизионного оборудования для обработки широкого спектра материалов. В 2014 году в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы" ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" заключил Соглашение на выполнение прикладных научных исследований по теме "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания".
В рамках проекта запланировано создание сверхжесткого ультрапрецизионного экспериментального стенда для алмазного точения и шлифования в квазипластичном режиме (рис.4), а также предназначенного для отработки технологии обработки хрупких материалов методом пластичного резания.
На данный момент на имеющемся ультрапрецизионном оборудовании проведены предварительные экспериментальные исследования по обработке дигидрофосфата калия, сапфира, монокристаллического кварца, кварцевого стекла и ситалла. Обработка материалов проводилась путем фрезерования алмазным монокристаллическим инструментом и алмазным шлифованием (рис.5, 6) при реализации специальной кинематической схемы резания, которая обеспечивала толщину снимаемой стружки в пределах от 4 до 34 нм.
В результате экспериментов по алмазному шлифованию кругом зернистостью 2/3 мкм были получены участки обработанных поверхностей с шероховатостью от 2 до 34 нм (в зависимости от материала и режимов обработки) (рис.7). На поверхностях ярко выражены "следы подачи" режущего инструмента и отсутствие сколов и трещин. Это гарантирует, что в зоне резания при обработке материал находился в состоянии квазипластичности.
При алмазном фрезеровании дигидрофосфата калия шероховатость обработанной поверхности составила 1–3 нм (рис.8). Также были видны следы подачи режущего инструмента. На рис.7 также видна граница хрупко-пластичного перехода.
В дальнейших планах ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" стоит разработка технологии изготовления плоских, сферических, асферических и произвольных поверхностей методами алмазного точения и шлифования в режиме квазипластичного резания. Кроме того, планируется изготовление узлов и монтаж специального ультрапрецизионного стенда для реализации режимов квазипластичного резания при обработке хрупких материалов.
Таким образом, обработка методом пластичного резания с использованием специального инструмента (алмазный круг на металлической связке, резец или фреза) позволяет получить оптическую поверхность при обработке практически любого хрупкого материала, на поверхностях практически любой формы (решетки, поверхности свободной формы с нанометровой точностью и шероховатостью при практически полном отсутствии нарушенного слоя). При этом операция полировки или совсем исключается, или минимальна по времени.
Статья подготовлена в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы" по Соглашению № 14.579.21.0042 от 25.08.2014 "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания" между ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" и Министерством образования и науки РФ.
Литература
Теплова Т.Б. Квазипластичное удаление поверхностного слоя твердых хрупких материалов с получением нанометрового рельефа поверхности.– Научный вестник МГГУ, 2010, №8, с. 73–88.
Bifano T. Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials/ T. Bifano, T. Dow, R. Scattergood. –Transaction of ASME, 1991, v.113 №5, p.184–189.
Toh, S. Fine scale abrasive wear of ceramics by a plastic cutting process, in science of hard Materials / S.B. Toh, R. McPherson, ed. E.A. Almond, C.A. Brookes and R.Warren.– Bristol and Boston: Adam Hilger Ltd, 1986, p. 865–871.
Blake P.N. Ductile regime machining of germanium and silicon/ P.N. Blake, R. Scattergood. – Journal of American Ceramic Socciety, 1990, v.73, №4, p. 949–957.
Puttick, K.E. Energy scaling transitions in machining of silicon by diamond/ K.E. Puttick, L.C. Whitemore, P. Zhdan. – Tribology International, 1995, v.28, p. 349–355.
Leung T.P. Diamond turning of silicon substrates in ductile-regime/ T.P. Leung, W.B. Lee. – Journal of Materials Processing Tecnology, 1998, v.73, p.42–48.
Отзывы читателей
