Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1. Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов. 7
1.2. Технические требования и особенности, предъявляемые к изготовлению пьезокварцевых пластин. 15
1.3. Состояние серийной технологии механической обработки кварцевых пластин. 20
1.4. Анализ опубликованных исследований по качеству поверхности и механической обработке пластин из хрупких неметаллических материалов.
1.5. Существующие методы по выбору оптимальных характеристик инструмента и режимов обработки пластин из хрупких неметаллических материалов.
1.6. Выводы. Цель и задачи исследования. 39
Глава 2. Моделирование процесса плоского алмазного шлифования деталей из хрупьсих ю неметаллических материалов .
2.1. Параметры процесса плоского алмазного шлифования. 42
2.2. Кинематика движения алмазного зерна. 44
2.3. Моделирование и фазы работы единичного зерна. 47
2.4. Моделирование работы группы зёрен. 50
2.5. Условия диспергирования поверхности хрупких неметаллических материалов. Выводы.
Глава 3. Исследование влияния вида обработки и характеристик алмазно-абразивных инструментов на параметры качества поверхностного слоя
3.1. Особенности шлифования кварца алмазными кругами и алмазно-абразивными суспензиями.
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 60
3.3. Влияние вида алмазно-абразивной обработки на шероховатость поверхности кварцевых пластин. 71
3.4. Исследование нарушенного слоя на пластинах при алмазном шлифовании суспензиями и кругами. 85
3.5. Влияние режимов шлифования кварцевых пластин алмазными кругами на глубину нарушенного слоя. 95
3.6. Выводы. 101
Глава 4. Оценка работоспособности и выбор характеристик алмазных кругов при шлифовании хрупких неметаллических материалов .
4.1. Постановка задачи. 103
4.2. Методика экспериментальных исследований . 109
4.3. Исследование характеристик рельефа режущей поверхности алмазных кругов. 113
4.4. Исследование влияния изменений характеристик режущей поверхности алмазных кругов на их работоспособность и ^, шероховатость обрабатываемой поверхности.
4.5. Выводы. 146
Глава 5. Выбор оптимальных режимов алмазного шлифования кристаллографически ориентированных пластин .
5.1. Постановка задачи. 149
5.2. Параметрическая оптимизация режимов алмазного шлифования кварца. 153
5.3. Алгоритм и методика выбора характеристик инструмента и режимов алмазного шлифования. 163
5.4. Эффективность шлифования кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами.
5.5. Технико-экономическая эффективность 172
5.6. Выводы 173
Общие выводы и результаты 175
Список литературы 178
Приложение 185
- Технические требования и особенности, предъявляемые к изготовлению пьезокварцевых пластин.
- Кинематика движения алмазного зерна.
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Методика экспериментальных исследований
Введение к работе
В машиностроении, приборостроении и радиоэлектронике, в
оптической, часовой и ювелирной промышленностях, в строительстве и быту
широкое применение находят конструкционные хрупкие неметаллические
материалы - кварц, стекло, керамика, ферриты, ситаллы драгоценные и
полудрагоценные камни, граниты и мрамор. Эти материалы отличаются
высокой твёрдостью, прочностью, износостойкостью, повышенной
хрупкостью и, как следствие, сложностью обработки. Особое место в ряду
прецизионных деталей из хрупких неметаллических материалов занимают
кристаллографически ориентированные элементы (пластины),
изготавливаемые из монокристаллов. Точная ориентация кристаллических пластин относительно кристаллографических осей имеет определяющее значение для производства пьезоэлектрических резонаторов и фильтров, полупроводниковых приборов, твердотельных лазеров, изделий оптоэлектроники и ряда других компонентов электронной техники. Для этих целей используют пластины из монокристаллов кварца, танталата и ниобата лития, кремния, германия, сапфира и др.
Наиболее массовое применение находят пьезокварцевые резонаторы и
фильтры для стабилизации и фильтрации радиочастот в средствах связи, радиолокации, службы точного времени и др. Прогресс в области разработки устройств для частотной стабилизации требует развития серийного производства высокостабильных и высокодобротньтх кварцевых резонаторов. Основным элементом кварцевого резонатора является кварцевая пластина. Кварцевые пластины в зависимости от электрических параметров резонаторов отличаются по форме, виду колебаний, углу среза и точности ориентации относительно кристаллографических осей, геометрической точности и качеству обработанной поверхности. Операции механической обработки кварцевых пластин - резка и шлифование имеют большое значение, так как определяют электрические параметры кварцевых резонаторов. Существующий уровень технологии механической обработки
кварцевых пластин, основанный на старых методах оптической технологии, не обеспечивает в полной мере всё возрастающих требований к точности, добротности и стабильности резонаторов. Стабильность частоты кварцевого резонатора при изменении температуры окружающей среды зависит от углов ориентации кварцевой пластины относительно кристаллографических осей. Операции исправления угла среза, устранение клиновидности -обеспечивающие получение заданной ориентировки пластин, даже сегодня, выполняется в ряде случаев вручную и целиком зависит от квалификации рабочего.
Одним из путей механизации и автоматизации обработки кварцевых пластин на операции исправления угла среза и устранение клина является применение шлифования кварцевых пластин на плоскошлифовальных станках алмазными кругами. Имеющиеся работы по шлифованию кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами не дают однозначного ответа об условиях эффективного их применению.
Основными направлениями данной работы являются:
исследование качества поверхности кварцевых пластин при шлифовании алмазными кругами;
выбор оптимальных режимов шлифования и характеристик алмазных кругов для шлифования кварцевых пластин;
разработка технологических рекомендаций по шлифованию кварцевых пластин алмазными кругами.
Технические требования и особенности, предъявляемые к изготовлению пьезокварцевых пластин.
Кварцевой пластиной называется деталь, вырезанная из кристалла кварца и имеющая определённую геометрическую форму, размеры и ориентацию относительно кристаллографических осей [23].
Номенклатура выпускаемых пьезокварцевых резонаторов, как и кварцевых пластин, огромна. Так для обеспечения диапазона частот от 4 кГц до 90 МГ необходимо изготовить 1 000 типов резонаторов. На рис. 1.2 показан широко распространенный вакуумированный кварцевый резонатор, пьезоэлемент и кварцевая пластина среза yxl/+ 35"!5 .
Для обеспечения широкого диапазона частот работы резонаторов используются колебания сдвига, изгиба, растяжения и кручения кварцевых пластин [83]. Различные виды колебаний возникают в зависимости от формы кварцевой пластины, угла среза и способа возбуждения. Основным требованием, предъявляемым к работе кварцевого генератора, в схеме которого работает кварцевый резонатор, является долговременная стабильность его частоты при изменении внешних климатических условий.
Долговременная стабильность частоты кварцевого генератора зависит, прежде всего, от добротности, температурного коэффициента частоты и старения кварцевого резонатора [70, 84, 99]. Основной мерой диссипации энергии в кварцевом резонаторе является добротность [23, 70, 99], которая определяется отношением мощности, запасенной колебательной системой, к мощности потерь за один период колебаний: где со — циклическая частота колебаний кварцевого резонатора; Ьэ эквивалентная индуктивность; RD — эквивалентное активное сопротивление; S - логарифмический декремент затухания. Активное эквивалентное сопротивление состоит из ряда составляющих: R3 - RJ+R2+R3+R4+R5+R6+R? (1.8) где Ri - потери энергии на излучение ультразвука; R2 - потери энергии на ионизацию; R3 - потери энергии на трение в опорах; Rj - потери энергии на связанные колебания; R5 - потери энергии в металлизированном слое; Re -потери энергии на внутреннее трение в кристалле; R? - потери энергии в нарушенном слое кварцевой пластины.
Потери энергии на излучение ультразвука Ri и ионизацию R2 меняются с изменением давления среды и практически могут быть устранены вакуумированием кварцевого резонатора в баллоне с разрежением 10"2 мм рт.ст.
Для потерь на трение в опорах R3 присуща большая неустойчивость эквивалентного сопротивления и частоты. Однако эти потери можно свести до минимума выбором определенной формы кристалла и вида колебаний, а главное - правильным определением точек крепления по контуру кварцевой пластины.
Влияние крепления меньше у резонаторов, частота колебаний которых определяется их малым размером. Установлено, что у круглых пластин среза yxl/+35 с фасками вдоль оси Z можно практически избежать трения в опорах. В работе [28] показано, что для среза ух1/-1324У+35 потери на крепление еще меньше, чем для среза yxl/+35. Потери энергии на связанные колебания Rj можно исключить выбором оптимальной геометрической формы пьезоэлемента. Например, при выборе размеров плоских круглых кварцевых пластин среза yxl/+35 следует иметь в виду, что чем больше диаметр пластины, тем выше активность [24]. Однако отношение диаметра к толщине должно быть не менее 50 -100. В этом случае можно пренебречь связью контурных колебаний по толщине. Если это соотношение меньше, то значительного ослабления контурных колебаний добиваются за счет формообразования фасок на ребрах пластин.
Потери энергии в металлизированном слое Rs в общем случае снижают добротность вследствие поглощения упругих волн в металле. Кроме того, металлические пленки легко адсорбируют газы, склонные к окислению, что может явиться дополнительным источником нестабильности резонатора.
Однако, потери энергии этого вида разных типов резонаторов различны. При сдвиговых колебаниях по толщине слишком тонкий электрод обладает большим собственным электрическим сопротивлением, а слишком толстый - вызывает дополнительное затухание колебаний пьезоэлемента вследствие потерь в нём [100]. Оптимальное значение толщины электрода определяется экспериментально.
Внутренние потери Re, обусловленные диссипативными процессами внутри кристалла, весьма незначительны, но могут возрасти при наличии дефектов и примесей в кристалле.
Основным источником потерь энергии в кварце являются потери R7 в поверхностном слое, образующемся в процессе механической обработки. Анализ результатов исследований [47, 83, 121] показывает, что причиной этих потерь является нарушенный слой, в котором происходит рассеяние упругих волн, распространяющихся по поверхности кристалла в процессе колебаний резонатора.
Стабильность частоты кварцевого резонатора при изменении температуры окружающей среды зависит от углов ориентации кварцевой пластины относительно кристаллографических осей. Характеристикой стабильности частоты является температурный коэффициент частоты (ТКЧ). Коэффициент устанавливает среднее изменение частоты кварцевого резонатора при изменении температуры на 1.
Кинематика движения алмазного зерна.
В процессе плоского шлифования круг совершает равномерное вращательное движение со скоростью Ущ и деталь имеет равномерное поступательное движение со скоростью Кд. В некоторый момент начинается микроцарапание детали в точке А (рис. 2.2) шлифующим зерном круга.
Рассмотрим зерно (некоторую точку А на нем), связанное с подвижной с подвижной полоидой радиуса г, причем зерно (точка А) лежит вне полоиды (r R). При качении без скольжения полоиды радиуса г по прямой линии, параллельной направлению поступательного движения детали, точка А опишет удлиненную циклоиду-трохоиду (рис. 2.3).
Для вывода уравнения траектории относительного движения точки А используем систему прямоугольных координат [53], вершину которых (точку А) отнесем к началу резания (царапания).
Перейдем теперь к описанию работы единичного алмазного зерна. В процессе работы круг находится в сложном напряженном состоянии под действием суммарной динамической нагрузки, возникающей как при его вращении и осевом перемещении, так и при взаимодействии с обрабатываемым материалом.
Процесс динамического взаимодействия системы зерно-связка с обрабатываемым материалом сопровождается появлением сложного напряжённого состояния, которое зависит от многих факторов: геометрии зерна, глубины его залегания в связке, наличия (отсутствия) пор в структуре круга, взаимодействия зерна с соседними зернами и т.д.
Находящиеся на периферии круга абразивные зерна многократно встречаются с обрабатываемой деталью, причем время контакта измеряется десятками микросекунд, из-за ударных нагрузок на отдельные абразивные зерна, требуется связка, которая позволила бы частицам «качаться» под действием этих ударных нагрузок и, кроме того, обладала бы свойствами частичного поглощения удара.
Процесс работы единичного зерна (рис. 2.5) можно представить следующим образом. Зерно, заглубленное в металлическую связку на определенную глубину, совершает сложное движение вглубь обрабатываемого материала. Результирующее перемещение определяется сложением перемещений круга, как общей системы зерно-связка, и перемещениями самого зерна в процессе контакта с обрабатываемым материалом.
Исследованиями установлено, что в начальный момент времени алмазное зерно скользит по материалу детали, затем наблюдается упругая деформация [96]. На рис. 2.6 представлен график зависимости усилия резания от угла поворота круга и графическое определение фаз процесса микрорезания единичным зерном. Встречаясь с обрабатываемым материалом, выступающая поверхность зерна начинает внедряться в него. При этом на зерно начинает действовать система сил резания, которая стремится вырвать зерно из связки. Условно назовем эту часть процесса резания фазой 1.
Так как процесс деформирования поверхности представляет собой хрупкое разрушение, то, как только напряжения в материале детали достигают критической величины, происходит скалывание некоторой части материала. При этом образуются микротрещины, которые облегчают дальнейшее скалывание стружки и обуславливают дефекты обработанной поверхности. Сразу после скалывания усилие резания падает до нуля (фаза 3), и зерно, под действием упругой деформации связки, возвращается в исходное положение. При этом за счет остаточной деформации материала металлической связки (например, Ml) может происходить увеличение посадочного места алмазного зерна на величину dy (рис. 2.5).
В некоторых случаях, когда предел прочности связки на сжатие превышает предел прочности скалывания материала детали, фаза 2 может отсутствовать. В этом случае за фазой 1 сразу следует хрупкое разрушение материала.
В дальнейшем процесс повторяется снова, имеет циклический характер с частотой определяемой несколькими факторами: размером единичного скола, наличием поверхности раздела фаз материала детали (дислокаций на пути движения зерна), скоростью резания и величиной подачи.
Подтверждением зависимости диспергирования поверхности хрупких неметаллических материалов от силы резания являются опыты [8], проведенные на специальном стенде со стабилизацией осевой силы резания. На рис. 2.7 и 2.8 представлены записи сигналов акустической эмиссии (АЭ) для частот 100 и 200 кГц, величины подачи и осевой силы резания при сверлении плат из ситалла толщиной 1 мм подковообразными сверлами диаметром 3 мм из алмазов АС20, зернистостью 100/80, концентрацией 100%, изготовленными методом порошковой металлургии. Процессы реализованы в условиях адаптивной системы управления с рабочими стабилизируемыми осевыми силами резания Р равными 35 Н и 50 Н. Величина вертикальной подачи регулируется от 0 до 10 мм/мин. На акустограммах прослеживается изменение сигналов АЭ во времени, причем эти изменения различны для частот 100кГци200кГц.
В первом случае (рис.2.7) при осевой силе 50 Н процесс сверления обеспечивается при постоянной подаче, равной для установившегося режима 10 мм/мин, постоянной силе резания и постоянной амплитуде АЭ.
Изображенная на рис. 2.6 кривая показывает идеальный случай взаимодействия единичного зерна и материала детали. В процессе реального сверления, переход от фазы к фазе, наличие фаз и усилия резания могут существенно отличаться от рассматриваемых. Эти отличия будут определяться действием факторов, определенных в разделе 2.1. Поэтому, будем использовать понятие фаз как основу будущей модели, уточняя ее в процессе рассмотрения действия остальных факторов процесса.
Методика проведения экспериментальных исследований
Цель экспериментальных исследований Целью настоящей главы является исследование качества поверхности кварцевых пластин при шлифовании алмазными кругами и алмазно-абразивными суспензиями и определение возможности и эффективности шлифования кварцевых пластин алмазными кругами и суспензиями. В пределах главы намечено исследовать: а) влияние вида алмазно-абразивной обработки на шероховатость шлифованной поверхности кварцевых пластин; б) структуру и глубину нарушенного слоя кварцевых пластин при шлифовании алмазными кругами и суспензиями; в) влияние режимов шлифования кварцевых пластин алмазными кругами на глубину нарушенного слоя,
Плоскошлифовальный станок мод.ЗГ71М, оснащенный тензометрическим динамометром и вакуумным столом. Станок был приведен в соответствие с нормами точности и жесткости на применяемые для алмазного шлифования станки по ГОСТ 2424-83. Радиальное биение шпинделя не более 0,004мм, осевое биение шпинделя не более 0,005-0,01мм, неплоскосность стола (на всей длине) не более 0,005мм. Для проведения экспериментов станок был оснащен следующими устройствами: - вакуумным столом; - вакуумной станцией; - динамометрической станцией, состоящей из динамометра, усилительного и регистрирующего устройства; - индикатором с ценой деления 0,01мм со стойкой для контроля величины вертикальной подачи. Станок имеет систему охлаждения поливом. Опыты по шлифованию кварцевых пластин алмазно-абразивными суспензиями проводились на шлифовально-доводочных станках: двухстороннего шлифования планетарного типа мод. 3940, эксцентрикового типа мод. 3927 и одностороннего шлифования типа «Lapmaster» мод. 3930. Б. Контролируемые параметры, методы и средства их измерения 1. Контроль номинальных режимов шлифования и их соответствие фактическим режимам шлифования осуществлялся с помощью универсальных или специальных приборов и устройств по принятой методике: а) при шлифовании алмазными кругами: - число оборотов шпинделя - п об/мин - с помощью тахометра или датчика числа оборотов; - продольная подача - S„pod. м/мин - с помощью масштабной линейки и секундомера; - поперечная подача - Snotu мм/ход и глубина резания - / мм - с помощью индикаторов, закрепленных на станине и вертикальной стойке; б) при шлифовании алмазно-абразивными суспензиями: - число оборотов наружного и внутреннего зубчатых венцов - п об/мин -с помощью тахометра; - усилие давления на пластины Р — взвешиванием верхнего притира на весах «АДВ-200»; - количество алмазного микропорошка — g мг/мин и количество рабочей жидкости (СОЖ) - W мг/мин, подаваемых в зону обработки с помощью дозатора. 2. Продолжительность опытов по машинному времени — секундомером 3. Фактический съем обрабатываемого материала за опыт по объему W„MM3, определялся как произведение обрабатываемой площади образца на фактическую высоту сошлифованного слоя. Линейный съем с образцов измерялся при помощи измерительной скобы с индикатором с точностью 0,002мм. Точность определения сошлифованного объема составляла не менее ±2%. Фактический съем обрабатываемого материала по весу GM г, определялся путем взвешивания образцов до, и после обработки на аналитических весах АДВ-200 с точностью ±1 мг. 4. Запись и измерение параметров шероховатости шлифуемой поверхности производились «щуповым» и интерференционным методами [29Б]. В первом случае использовались профилографы-профилометры блочной конструкции мод. 201 завода «Калибр» для рабочих измерений и «Talysurf- III» фирмы «Taylor Hobson» для контрольных измерений.
На профилографе-профилометре мод. 201 можно производить запись микронеровностей поверхностей с 5 по 14 классов шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-83, а по отклонению стрелки показывающего прибора среднее арифметическое отклонение профиля Ra в пределах 5-Н2 классов включительно. Радиус закругления алмазной иглы, полученной с прибором, составлял 10±2 мкм, при измерительном усилии 0,12 г. Одним из недостатков щупового метода, лимитирующим его разрешающую способность, является искажение микропрофиля действительной поверхности, вследствие невозможности проникновения острия иглы относительно большого радиуса (10-42 мкм) в узкие впадины поверхностных неровностей. Поэтому в процессе опытов старая игла была заменена новой с радиусом 2±2 мкм. Погрешность вертикального увеличения записывающего прибора ±4%, погрешность измерения показывающего прибора ±10%.
Методика экспериментальных исследований
Исходя из положений, изложенных в 4.1, исследование рельефа элементарных режущих профилей алмазных кругов и шероховатости обработанной поверхности кварца, проводили в два этапа. На первом этапе сравнивались и оценивались характеристики рельефа режущей поверхности алмазных кругов кумулятивными параметрами [76]. Круги разных характеристик предварительно правились в одинаковых условиях. Устанавливалось влияние характеристик рельефа и шероховатость обработанной поверхности.
На втором этапе исследовали изменение характеристик рельефа шероховатости обработанной поверхности и алмазных кругов на трех основных связках: металлической, органической и керамической — за период их стойкости. Оценку характеристик рельефа с точки зрения входных и выходных факторов производили корреляционно-спектральным методом [20]. Одновременно с помощью кумулятивного метода фиксировали изменение характеристик рельефа элементарных режущих профилей алмазного круга. Контроль за изменением условий шлифования осуществляли с помощью измерения сил резания и наблюдения режущей поверхности алмазных кругов.
Опыты проводили на плоскошлифовальном станке мод. ЗГ71М. Основные технические требования, предъявляемые к станку, и оснастка, по необходимая для проведения экспериментальных работ, изложены в 2.2 главы 2.
В процессе проведения опытов фиксировали следующие параметры: рельеф режущей поверхности алмазного круга и шероховатости обработанной поверхности, силы резания, фактический съем обрабатываемого материала и расход алмаза.
Запись рельефа алмазного круга производили в осевом направлении круга на профилографе-профилометре блочной конструкции мод. 201 завода «Калибр». Крепление и базирование алмазного круга на столе профилографа осуществлялось с помощью специально сконструированного устройства (рис. 4.2), состоящего из основания, центров и делительного диска.
Устройство для записи профиля режущей поверхности алмазного круга на профилографе-профилометре мод.201 завода «Калибр». Диск с помощью базовых пальцев точно соединялся с фланцем измеряемого круга, а в одно из его восьми делительных отверстий вводился конический фиксатор основания. Этим достигалось идентичное крепление алмазного круга на столе профилографа относительно записывающей иглы. Радиальное биение алмазного круга, установленного в центрах устройства и подготовленного для измерения, не превышало 5 мкм.
Запись и измерение параметров шероховатости обработанной поверхности производили в направлении, перпендикулярном продольной подаче круга на этом же приборе. Измерение составляющих сил резания Ру кг и Р2 кг производилось с помощью тензометрической станции.
При шлифовании периферией круга прямого профиля измерялись нормальная сила Ру, перпендикулярная поверхности обработки, и тангенциальная сила Р2 в направлении продольной подачи. Сила, параллельная поперечной подаче, не фиксировалась. Пределы измерения составляющих сил резания 2,5 - 250 Н. Усилительная и регистрирующая аппаратура рассчитана на непрерывную работу в течение 4-5 часов. Чувствительность динамометра при наибольшем усилии и использовании гальванометров типа M001-I обеспечивала отклонение в 100мм светового луча на экране визуального наблюдения осциллографа при нагружении Ру в 100 Н и в направлении Рг в 50 Н.
Перед началом каждой серии опытов производилась тарировка динамометра и проверка фактического усиления усилительной аппаратуры. Для этого нагружался динамометр в направлении Ру и Pz грузами в 50Н и 25Н и записывалось полученное отклонение на осциллограмме.
Фактический съем обрабатываемого материала за опыт по объему РГд/мм3, определялся как произведение обрабатываемой площади образца на фактическую высоту сошлифованного слоя.
Радиальный износ алмазного круга определяли линейным способом на вертикальном длинномере «ИЗВ-2» с точностью ±0,001мм. Алмазный круг устанавливали в центрах устройства (рис. 4.4), позволяющего с помощью делительного диска, точно поворачивать круг и производить измерения в 8 равноудаленных точках его рабочей поверхности.
Правку алмазных кругов производили методом круглого шлифования на универсальном круглошлифовальном станке мод. ЗБ12 абразивным кругом АПП 300x40x125 из карбида кремния зеленого К325 СМ2. - число оборотов алмазного круга #, =36 об/мин; - число оборотов абразивного круга пк=\ 800 об/мин; - глубина шлифования /=0,01 мм/ход; - продольная подача 5=0,5 м/мин.
В зависимости от поставленных целей были реализованы различные схемы шлифования. Определение влияния характеристик рельефа режущей поверхности алмазного круга на шероховатость поверхности пластин, режущую способность и удельный расход алмаза осуществляли при шлифовании на проход. При исследовании изменения характеристик элементарных профилей алмазного круга и шероховатости поверхности шлифование производили методом врезного шлифования.
