Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках (1025559), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

При неустойчивом распространении трещины нарушаются условияравновесия в некотором объеме материала, окружающем вершину трещины. В28предельном состоянии равновесия для неустойчивой трещины соблюдаетсяусловиеdP 0 [7].dlРис. 1.5. Трещины в ситалле марки СО 115М, образовавшиеся при плоскомалмазном шлифовании периферией круга с зернистостью алмазоносного слоя100 мкм, масштаб (25 000:2)На Рис. 1.6 приведена кривая, характеризующая сопротивление ростутрещины. Данная кривая представляет собой зависимость контурногоJ- интеграла, эквивалентного интенсивности высвобождающейся энергии, отприроста трещины l .Кривая сопротивления росту трещины состоит из двух участков: линияпритупления трещины и линия физического роста после ее страгивания.

Наличиелинии притупления обусловлено пластическим раскрытием вершины трещины.«Страгивание»трещиныпроисходитпоследостиженияJ-интеграломпредельного значения равного JIC. Предельное значение JIC определяетсясвойствами материала и зависит от коэффициента трещиностойкости.29Рис. 1.6. Кривая сопротивления росту трещиныПри образовании трещины коэффициент интенсивности напряженийзависит от длины трещины и напряжения, которое ее вызывает:K I   tr  l .(1.1)Если в некотором материале есть трещина длиной 2l , то для образованияновых поверхностей трещины необходимо затратить некоторую энергию. Еслипредположить, что изменение потенциальной энергии поверхности, связанное сдеформированием плоскости трещиной, расходуется только на образованиеновых поверхностей, то критическое значение длины трещины зависит отэффективной поверхностной энергии и модуля упругости обрабатываемогоматериала, и равно:lkrit При этом величина2 s E2 s E krit2.(1.2)называется вязкостью разрушения иликоэффициентом трещиностойкости обрабатываемого материала и обозначаетсяKc .

Коэффициент трещиностойкости для материала является его механическойхарактеристикой и принимается постоянным.30Условие страгивания трещины (условие начала быстрого роста трещины)состоит в том, что коэффициент интенсивности напряжений превыситкоэффициент трещиностойкости [7,8,20,21]:K I  Kc .(1.3)Таким образом, существует некоторая критическая нагрузка, при которойтрещина начинает резко увеличивать свои размеры. В то же время, существуетнекоторый критический размер трещины, после которого происходит лавинныйрост трещины.Согласно данным, полученным в работе [22], при моделированиивзаимодействия сферического индентора критическая нагрузка, при которой вматериале образуется трещина определенного размера, зависит от твердости икоэффициента трещиностойкости обрабатываемого материала и описываетсяформулой:354,47  Kc Pkrit  Kc , 2 4  HV (1.4)где  - константа, связанная с индентором и его формой.При этом критический размер медианной трещины, после которогоначинает ее лавинный рост, определяется теми же свойствами обрабатываемогоматериала:21,767  Kc Cm ,krit 2  HV (1.5)где эмпирические параметры зависят от формы индентора, размера полянапряжений и интенсивности напряжений, соответственно равны:   1,   0,2 .Длина медианной трещины после «страгивания» зависит от величиныприкладываемой к индентору нормальной нагрузки и определяется выражением:1 E  22321 Cm  Fn    Fn 3 . HVKc(1.6)31Также необходимо отметить, что экспериментально установлена связьмежду размером медианной и боковой трещины:Cm  7CL .(1.7)Выражения (1.4) – (1.7), полученные в работе [22], совпадают саналогичными выражениями в работах [8, 23-25].Длинамикротрещин,которыераспространяютсяподугломкповерхности на первом этапе нагружения, обычно не учитывается при расчетах,поскольку данные трещины не выходят за предел лунки, образованной привыламывании материала на этапе 3 [8].

При этом длина микротрещин можетбыть принята как:Cmikr  CL .(1.8)Как показывает обзор достижений по обработке оптических материаловза последние десятилетия, эти материалы можно обрабатывать по механизму,схожему с механизмом обработки пластичных металлов, т.е. с пластичнымдеформированиемматериалавзонерезанияипониженнымтрещинообразованием. Выполнение определенных условий и режимов приобработке оптических материалов, при которых образовавшаяся стружкаполучается путем пластического деформирования, а не скалывания, называется«пластичным» режимом обработки или «квазипластичностью» [26].Таким образом, под «квазипластичностью» понимается проявлениепластичных свойств поверхностным слоем твердых хрупких материалов приобработке на определенных режимах [27].Впервые возможность обработки хрупких материалов в режиме«квазипластичности» была показана Кингом и Тэбором в 1954 [28].

Явлениебыло обнаружено во время постановки опытов по фрикционному износукристаллов каменной соли. Ученые установили, что на обработаннойповерхности помимо трещин присутствовали также следы пластическойдеформации.32Бриджмен предположил, что такие хрупкие материалы, как стекло,способны проявлять свою «квазипластичность» под действием высокогогидростатического давления [29-31].Лаун и Вилшоу исследовали пластичные свойства стекла, которыепривели к обнаружению «хрупко-пластичного перехода» [32], т.е. условий, прикоторыхмеханизм разрушенияматериалаизменяетсяотхрупкогокпластичному [26, 27,33].В России вопросами «квазипластичного» удаления поверхностного слоятвердых хрупких материалов занимается Теплова Т.Б. и ее коллеги [26,34-39].Основной объект исследования в ее работах – кристаллические материалы,обладающие большой твердостью и высокой теплопроводностью (кремний,лейкосапфир, алмаз и др.).

Разработанная технология «квазипластичной»обработкиосновананаобеспечениимеханическоговоздействиянаобрабатываемую поверхность материала при врезной подаче шлифовальногокруга, составляющей доли мкм/ход. При этом поверхностный слой хрупкихтвердых материалов проявляет пластичные свойства и преобладающиммеханизмом становится не хрупкое разрушение, а «квазипластичное» удалениематериала. При этих подачах контактное взаимодействие зерен шлифовальногокруга с обрабатываемой поверхностью создает «периодическое переменноемеханическое поле», под воздействием которого происходит направленное«квазипластичное»удалениеповерхностногослоясформированиемповерхности нанометровой шероховатости и с минимальными дефектами,внесенными процессом обработки [26,39].На основании разработанной Тепловой Т.Б. технологии на базеЭкспериментального научно-исследовательского института металлорежущихстанков (ЭНИМСа) был создан станочный модуль АН15Ф4 с числовымпрограммным управлением.

Станок реализует схему плоского шлифованияторцем шлифовального круга. Удаление поверхностного слоя материала врежиме «квазипластичности» достигается при высокой жесткости упругойобрабатывающейсистемы.Наэтомстанкезаготовкиизхрупких33кристаллических материалов можно шлифовать с получением обработаннойповерхности нанометрового диапазона [38,39].Первыми исследователями пластичной обработки кристаллов и хрупкихаморфных материалов являются Бифано Т. и Доу Т. Этими учеными быласоздана специальная экспериментальная установка под названием Pegasus [27],котораяпозволялаосуществлять«квазипластичное»шлифование.Ихисследования базировались на положении, что при обработке хрупкиематериалы могут разрушаться по нескольким механизмам. Если критическоенапряжение превышает упругое напряжение сжатия материала, то меняетсямеханизм разрушения [27, 40, 41].При хрупком разрушении материала появляются трещины и происходитскалывание, в то время как пластичный механизм приводит к течению материалав направлении схода стружки [42-46].

При этом существует такая глубина(толщина) резания, при которой происходит «хрупко-пластичный» переход [27].По результатам экспериментальных исследований была сформированагипотеза «квазипластичного» шлифования, состоящая в предположении, что придостаточно малой толщине срезаемого слоя съем хрупкого материалапроисходит по механизму пластичного деформирования.Для расчета критической толщины срезаемого слоя и обеспечения«хрупко-пластичного» перехода Бифано Т. и Доу Т.

предложили использоватьследующее выражение [27]:2 E   Kc  .azkrit   HV  HV Отношение Kc  HV называется«эффективной(1.9)меройхрупкостиматериала»[27].Как видно из выражения (1.9), критическая толщина срезаемого слоязависит от твердости, модуля упругости и коэффициента трещиностойкостиобрабатываемого материала.34Таким образом, условие «страгивания» трещины может быть отмеченодостижением критической нагрузки, определяемой выражением (1.4), икритической длины медианной трещины по выражению (1.5). Критическаятолщина срезаемого слоя для каждого обрабатываемого материала соответствуеткритической нагрузке, вызывающей лавинное увеличение длины трещины.После достижения условия «страгивания», размеры медианной, боковой трещини микротрещин определяются выражениями (1.6)-(1.8), соответственно, инаходятся в зависимости от величины приложенной нормальной нагрузки.Выражение (1.9) может быть использовано только с учетом поправочногокоэффициента, получаемого экспериментально.

Выражение для расчетакритической нагрузки (1.4) является универсальным, применимо для любыхразмеров алмазных зерен и использовано для моделирования процесса в Главе 2диссертационной работы.1.4. Особенности оборудования для обработки оптических поверхностейэлементов приборовВ настоящее время в промышленности применяют различные станки,специализирующиеся на обработке оптических поверхностей элементовприборов, как шлифованием, так и полированием. Требования, предъявляемые кточности и жесткости оборудования, обусловлены заявленным качествомобрабатываемыхповерхностейифизическимисвойствамиоптическихматериалов. Поэтому, как правило, в оптической промышленности применяютсястанки особо высокой точности, а также сверхточные станки [47].Сверхточноеоборудование,реализующееобработкуоптическихповерхностей, должно отвечать особым требованиям, которые определены вГОСТ Р 54787:- должна быть обеспечена изоляция от внешних воздействий:вибрационных, акустических и температурных;- для обеспечения точности линейных размеров в пределах ±50 нм,точности формы поверхности в пределах ±25 нм, шероховатости поверхности Ra35от 0,5 до 1 нм кинематическая разрешающая способность систем перемещения иточность позиционирования должна быть в пределах от 5 до 10 нм;- компоновка станка и точность самих узлов станка и их перемещенийдолжны обеспечивать заданную точность движений формообразования;- станок должен иметь специальный изолированный фундамент навиброизолирующих опорах;- в станке должны использоваться прецизионные подшипники с осевым ирадиальным биением в пределах нанометрового диапазона;- плавность перемещений рабочих органов должна быть менее 0,001*g.Требования по величине радиального биения подвижных узлов, точностипозиционирования иплавностиперемещенийобеспечиваютсяза счетиспользования аэростатических или гидростатических опор [48].

Использованиеаэростатических и гидростатических опор в шпиндельных узлах позволяетполучить радиальное и осевое биение менее 100 нм и жесткость от 200 до400 Н/мкм [47]. Параметр жесткости обеспечивает постоянство глубины резаниявпроцессеобработки.Дляреализациипроцессашлифованияспреимущественным механизмом пластического деформирования необходимообеспечитьосевуюжесткостьшпиндельныхузловстанканеменее150 Н/мкм [27].В течение длительного времени одним из немногих отечественныхпроизводителей оборудования для обработки оптических поверхностей былСморгонский завод оптического станкостроения (г.

Сморгонь, Белоруссия).Предприятие производило широкую номенклатуру станков, реализующихтрадиционную технологию свободного поверхностного притира и скоростнойалмазной обработки оптических заготовок [49]. Производством же сверхточныхстанков в 70-90-ые гг. занимался Московский станкостроительный завод«Красный пролетарий» им. А.И. Ефремова.В настоящее время лидирующие позиции в области производствасверхточных станков занимают зарубежные производители: Nanotech MooreNanotechnology Systems, Ametek Precitech, LLC (США); Kugler GmbH, LT - Ultra36Precision Tehnolodgy GmbH (Германия); FANUC, Sodick, TOSHIBA Machine CO.,LTD (Япония).Кведущиммировымфирмампопроизводствусверхточногооборудования для обработки оптических поверхностей относятся SatisLoh иOptoTech (Германия).

Характеристики

Список файлов диссертации