eng
Выпуск #1/2016
Е.Захаревич, В.Горохов, В.Лапшин, М.Шавва
Механика разрушения хрупких оптических материалов
Механика разрушения хрупких оптических материалов
Просмотры: 3923
Обработка хрупких материалов путем резания в режиме квазипластичности при создании фотонных устройств позволяет снизить вероятность образования трещин, что ведет к уменьшению глубины дефектного слоя и повышению качества обрабатываемой поверхности.
Теги: the quality of the surfaces obtained after polishing treatment of brittle optical materials качества обрабатываемой поверхности. обработка хрупких оптических материалов
И
зделия и компоненты из хрупких материалов – ситалла, керамики, кварцевого стекла и лейкосапфира – широко используются в приборостроении, оптической, электронной и оборонной отраслях. Обработка хрупких оптических материалов при изготовлении деталей заданных форм поверхностей с шероховатостью и точностью в нанометровом диапазоне – основная задача промышленной технологии. Для повышения производительности обработки хрупких материалов необходимо уменьшить долю основного времени, приходящегося на черновые и получистовые операции, и повысить качество поверхностей, получаемых после полирования и химико-механической обработки.
Процесс взаимодействия хрупкого материала с режущей поверхностью инструмента при обработке как лезвийным, так и абразивным инструментом, можно разделить на несколько стадий. Первая стадия сопровождается образованием трещин. Во время второй стадии рост трещины продолжается, приводя к сколу фрагмента материала и его отрыву от обрабатываемой поверхности. Во время роста трещины наблюдается увеличение силы резания. На этапе третьей стадии материал, отделившийся в результате скола, покидает обрабатываемую поверхность, и сила резания падает до нуля [1]. Процесс обработки хрупких материалов, проходящий через все три стадии, характеризует образование боковых и конических трещин. Боковые трещины непосредственно приводят к сколу материала. Размер конических трещин определяет глубину дефектного слоя после обработки.
Таким образом, обработка хрупких материалов, основанная на скалывании частиц с обработанной поверхности, приводит к появлению дефектного слоя и увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности. Многие зарубежные и отечественные исследователи отмечают, что между процессами пластического деформирования материала, наблюдаемыми, например, при обработке металлов, и процессами хрупкого скалывания существуют какие-то промежуточные состояния, когда хрупкий обрабатываемый материал ведет себя как пластичный. Эти состояния обусловливают процесс пластического деформирования стружки и обрабатываемого хрупкого материала [2, 3]. Доказательством данного состояния может служить тот факт, что при царапании твердого сплава, керамики и ситаллов наблюдается выдавленная и вырезанная царапина [2].
Обработка хрупких материалов путем пластического деформирования позволяет снизить вероятность образования трещин, что приводит к уменьшению глубины дефектного слоя и повышению качества обрабатываемой поверхности. Отпадает необходимость в дополнительном полировании. Это преимущество дает большой эффект при обработке поверхностей сложной формы.
Условия пластического деформирования хрупкого материала при резании могут определяться многими факторами: свойствами обрабатываемого материала, геометрическими параметрами режущего инструмента, скоростью деформации материала, величиной приложенной нагрузки [2]. Все перечисленные факторы определяют границу хрупко-пластичного перехода материала, однако наиболее важным параметром, также связанным с понятием границы, является критическая толщина срезаемого слоя.
Была предпринята попытка экспериментального определения критической толщины срезаемого слоя для дигидрофосфата калия, монокристаллического кремния и германия.
Работы проводились на экспериментальном сверхточном стенде [4], оснащенном бесконтактными емкостными датчиками, необходимыми для измерения величины упругих отжатий режущего инструмента в процессе обработки.
Критическую толщину срезаемого слоя определяли путем нанесения резов различной глубины на поверхность заготовки алмазным монокристаллическим инструментом. Из литературных источников [5–7] известно, что для лезвийной обработки хрупких материалов в режиме резания, обеспечивающем его пластическую деформацию, необходимо использовать алмазный инструмент с нулевым или отрицательным передним углом, а также с радиусом округления порядка 30–50 нм [8]. В экспериментах определения критической толщины срезаемого слоя использован монокристаллический алмазный лезвийный инструмент с радиусом округления менее 50 нм (по данным измерений на сканирующем электронном микроскопе Tescan Mira3).
На образцах дигидрофосфата калия, кремния и германия были выполнены серии царапин с различной глубиной резания (рис.1). Перед выполнением царапины место ее будущей локализации обрабатывали тем же инструментом с последовательным уменьшением глубины резания и выхаживанием. Глубина предварительной обработки составляла 15 мкм. Данные действия были предприняты для удаления дефектного слоя, образовавшегося на поверхности заготовки после предыдущей обработки. Скорость резания составляла 300 мм/мин. В таблице приведена глубина резания царапин на заготовках, а также величина упругого отжатия режущего инструмента.
В связи с наличием упругого отжатия инструмента введены понятия номинальной глубины резания – как величины подачи режущего инструмента в тело заготовки, сообщаемой посредством оператора, и реальной глубины резания – как величины внедрения режущего инструмента в тело заготовки с учетом упругих отжатий. Иллюстрирует результаты рис.2а–д, где представлены поверхности царапин (№№1–5), выполненные на образце дигидрофосфата калия.
Если за критерий пластичности обрабатываемого материала принять качество обработанной поверхности царапины, то оно определяется числом хрупких сколов. Анализ изображений (см. рис.2) показал, что лучшее качество наблюдается на поверхности царапины № 5. Из этого следует, что при глубине резания 0,08 мкм механизм обработки данного материала определяется пластическим деформированием.
Внешний вид поверхности царапин, нанесенных на образец, выполненный из монокристаллического кремния, приведен на рис.3. Видно, что при глубине резания 100 мкм (царапина №1) материал находится в пограничном состоянии. Хрупкое скалывание и пластическое деформирование протекает одновременно. Однако, при уменьшении глубины резания до 80 мкм (царапина №3) на поверхности царапины практически не наблюдается трещин и сколов.
Результаты, полученные при обработке германия, были аналогичны результатам, полученным на образцах кремния.
При выполнении резов на образцах хрупких материалов было зафиксировано образование сливной стружки, что является одним из доказательств перехода материала в пограничное состояние.
По итогам экспериментов можно утверждать, что разработана методика определения критической толщины срезаемого слоя хрупких оптических материалов. Определена критическая толщина срезаемого слоя для дигидрофосфата калия, кремния и германия. Ее величина лежит в пределах 80–100 нм. Однако, при обработке указанных хрупких материалов стоит учитывать не только выбранный нами параметр, но и состояние режущего инструмента, жесткость оборудования, а также скорость резания обрабатываемого материала.
Статья выполнена в рамках Соглашения № 14.579.21.0042 от 25.08.2014 (уникальный идентификатор RFMEFI57914X0042) между ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" и Министерством образования и науки РФ по теме "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания".
Литературы
1. Балыков А.В. Формообразование отверстий в деталях из неметаллических материалов алмазным инструментом. – М.: ИЦ ГОУ МГТУ "Станкин", 2007.
2. Хрульков В.А., Головань А.Я., Федотов А.И. Алмазные инструменты в прецизионном приборостроении. – М.: Машиностроение, 1977.
3. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. – М.: Машиностроение,1968.
4. Shavva M.A., Lapshin V.V., Grubyy S.V. Processing of brittle materials in the nanometer range of thickness of layers cut. – IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 91 (2015) 012062, DOI:10.1088/1757–899X/91/1/012062.
5. Blackley W.S., Scattergood. R.O. Ductile-regime machining model for diamond turning of brittle materials. – Precision Engineering Center, North Carolina State University: Campus Box 7918, Raleigh, NC 27695–7918, USA, doi:10.1016/0141–6359 (91) 90500.
6. Goelab S., Luoab X., Comleyc P., Reubena R.L., Coxd A. Brittle-ductile transition during diamond turning of single crystal silicon carbide. – International Journal of Tool and Manufacture, 2013, v. 65.
7. Pattena J.A., Gao W. Extreme negative rake angle technique for single point diamond nano-cutting of silicon. – Precision Engineering Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology 2001, v.25, p.165–167.
8. Ohta T., Yan J., Yajima S., Takahashi Y., Horikawa N., Kuriyagawa T. High-efficiency machining of single-crystal germanium using large-radius diamond tools. – Int. J. Surface Science and Engineering, 2007, v.1, № . 4.
зделия и компоненты из хрупких материалов – ситалла, керамики, кварцевого стекла и лейкосапфира – широко используются в приборостроении, оптической, электронной и оборонной отраслях. Обработка хрупких оптических материалов при изготовлении деталей заданных форм поверхностей с шероховатостью и точностью в нанометровом диапазоне – основная задача промышленной технологии. Для повышения производительности обработки хрупких материалов необходимо уменьшить долю основного времени, приходящегося на черновые и получистовые операции, и повысить качество поверхностей, получаемых после полирования и химико-механической обработки.
Процесс взаимодействия хрупкого материала с режущей поверхностью инструмента при обработке как лезвийным, так и абразивным инструментом, можно разделить на несколько стадий. Первая стадия сопровождается образованием трещин. Во время второй стадии рост трещины продолжается, приводя к сколу фрагмента материала и его отрыву от обрабатываемой поверхности. Во время роста трещины наблюдается увеличение силы резания. На этапе третьей стадии материал, отделившийся в результате скола, покидает обрабатываемую поверхность, и сила резания падает до нуля [1]. Процесс обработки хрупких материалов, проходящий через все три стадии, характеризует образование боковых и конических трещин. Боковые трещины непосредственно приводят к сколу материала. Размер конических трещин определяет глубину дефектного слоя после обработки.
Таким образом, обработка хрупких материалов, основанная на скалывании частиц с обработанной поверхности, приводит к появлению дефектного слоя и увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности. Многие зарубежные и отечественные исследователи отмечают, что между процессами пластического деформирования материала, наблюдаемыми, например, при обработке металлов, и процессами хрупкого скалывания существуют какие-то промежуточные состояния, когда хрупкий обрабатываемый материал ведет себя как пластичный. Эти состояния обусловливают процесс пластического деформирования стружки и обрабатываемого хрупкого материала [2, 3]. Доказательством данного состояния может служить тот факт, что при царапании твердого сплава, керамики и ситаллов наблюдается выдавленная и вырезанная царапина [2].
Обработка хрупких материалов путем пластического деформирования позволяет снизить вероятность образования трещин, что приводит к уменьшению глубины дефектного слоя и повышению качества обрабатываемой поверхности. Отпадает необходимость в дополнительном полировании. Это преимущество дает большой эффект при обработке поверхностей сложной формы.
Условия пластического деформирования хрупкого материала при резании могут определяться многими факторами: свойствами обрабатываемого материала, геометрическими параметрами режущего инструмента, скоростью деформации материала, величиной приложенной нагрузки [2]. Все перечисленные факторы определяют границу хрупко-пластичного перехода материала, однако наиболее важным параметром, также связанным с понятием границы, является критическая толщина срезаемого слоя.
Была предпринята попытка экспериментального определения критической толщины срезаемого слоя для дигидрофосфата калия, монокристаллического кремния и германия.
Работы проводились на экспериментальном сверхточном стенде [4], оснащенном бесконтактными емкостными датчиками, необходимыми для измерения величины упругих отжатий режущего инструмента в процессе обработки.
Критическую толщину срезаемого слоя определяли путем нанесения резов различной глубины на поверхность заготовки алмазным монокристаллическим инструментом. Из литературных источников [5–7] известно, что для лезвийной обработки хрупких материалов в режиме резания, обеспечивающем его пластическую деформацию, необходимо использовать алмазный инструмент с нулевым или отрицательным передним углом, а также с радиусом округления порядка 30–50 нм [8]. В экспериментах определения критической толщины срезаемого слоя использован монокристаллический алмазный лезвийный инструмент с радиусом округления менее 50 нм (по данным измерений на сканирующем электронном микроскопе Tescan Mira3).
На образцах дигидрофосфата калия, кремния и германия были выполнены серии царапин с различной глубиной резания (рис.1). Перед выполнением царапины место ее будущей локализации обрабатывали тем же инструментом с последовательным уменьшением глубины резания и выхаживанием. Глубина предварительной обработки составляла 15 мкм. Данные действия были предприняты для удаления дефектного слоя, образовавшегося на поверхности заготовки после предыдущей обработки. Скорость резания составляла 300 мм/мин. В таблице приведена глубина резания царапин на заготовках, а также величина упругого отжатия режущего инструмента.
В связи с наличием упругого отжатия инструмента введены понятия номинальной глубины резания – как величины подачи режущего инструмента в тело заготовки, сообщаемой посредством оператора, и реальной глубины резания – как величины внедрения режущего инструмента в тело заготовки с учетом упругих отжатий. Иллюстрирует результаты рис.2а–д, где представлены поверхности царапин (№№1–5), выполненные на образце дигидрофосфата калия.
Если за критерий пластичности обрабатываемого материала принять качество обработанной поверхности царапины, то оно определяется числом хрупких сколов. Анализ изображений (см. рис.2) показал, что лучшее качество наблюдается на поверхности царапины № 5. Из этого следует, что при глубине резания 0,08 мкм механизм обработки данного материала определяется пластическим деформированием.
Внешний вид поверхности царапин, нанесенных на образец, выполненный из монокристаллического кремния, приведен на рис.3. Видно, что при глубине резания 100 мкм (царапина №1) материал находится в пограничном состоянии. Хрупкое скалывание и пластическое деформирование протекает одновременно. Однако, при уменьшении глубины резания до 80 мкм (царапина №3) на поверхности царапины практически не наблюдается трещин и сколов.
Результаты, полученные при обработке германия, были аналогичны результатам, полученным на образцах кремния.
При выполнении резов на образцах хрупких материалов было зафиксировано образование сливной стружки, что является одним из доказательств перехода материала в пограничное состояние.
По итогам экспериментов можно утверждать, что разработана методика определения критической толщины срезаемого слоя хрупких оптических материалов. Определена критическая толщина срезаемого слоя для дигидрофосфата калия, кремния и германия. Ее величина лежит в пределах 80–100 нм. Однако, при обработке указанных хрупких материалов стоит учитывать не только выбранный нами параметр, но и состояние режущего инструмента, жесткость оборудования, а также скорость резания обрабатываемого материала.
Статья выполнена в рамках Соглашения № 14.579.21.0042 от 25.08.2014 (уникальный идентификатор RFMEFI57914X0042) между ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" и Министерством образования и науки РФ по теме "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания".
Литературы
1. Балыков А.В. Формообразование отверстий в деталях из неметаллических материалов алмазным инструментом. – М.: ИЦ ГОУ МГТУ "Станкин", 2007.
2. Хрульков В.А., Головань А.Я., Федотов А.И. Алмазные инструменты в прецизионном приборостроении. – М.: Машиностроение, 1977.
3. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. – М.: Машиностроение,1968.
4. Shavva M.A., Lapshin V.V., Grubyy S.V. Processing of brittle materials in the nanometer range of thickness of layers cut. – IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 91 (2015) 012062, DOI:10.1088/1757–899X/91/1/012062.
5. Blackley W.S., Scattergood. R.O. Ductile-regime machining model for diamond turning of brittle materials. – Precision Engineering Center, North Carolina State University: Campus Box 7918, Raleigh, NC 27695–7918, USA, doi:10.1016/0141–6359 (91) 90500.
6. Goelab S., Luoab X., Comleyc P., Reubena R.L., Coxd A. Brittle-ductile transition during diamond turning of single crystal silicon carbide. – International Journal of Tool and Manufacture, 2013, v. 65.
7. Pattena J.A., Gao W. Extreme negative rake angle technique for single point diamond nano-cutting of silicon. – Precision Engineering Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology 2001, v.25, p.165–167.
8. Ohta T., Yan J., Yajima S., Takahashi Y., Horikawa N., Kuriyagawa T. High-efficiency machining of single-crystal germanium using large-radius diamond tools. – Int. J. Surface Science and Engineering, 2007, v.1, № . 4.
Отзывы читателей
