Разработка технологии алмазной резки заготовок из лейкосапфира

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.9.02-229

Разработка технологии алмазной резки заготовок из лейкосапфира

О.Н.Федонин, А.В. Хандожко, Н.Е. Аверкина

Аннотация

механический лейкосапфир алмазный обработка

Рассмотрены вопросы механической обработки заготовок из лейкосапфира, а также правки алмазных дисковых кругов на металлической связке. Представлена разработанная технология обработки лейкосапфира. Проанализированы проблемы, возникающие при обработке, и предложены пути их решения.

Ключевые слова: лейкосапфир, алмазно-абразивная обработка, алмазный дисковый круг, электроэрозионная правка.

В настоящее время наблюдается быстрый рост производства продукции на основе новых материалов, в том числе лейкосапфира, карбида кремния и т.п. Для производства новых видов продукции требуется прецизионная обработка материалов с высокой точностью и низкой шероховатостью (до 1…10 нм).

Современная промышленность способна выращивать монокристаллы лейкосапфира в больших количествах при разумной стоимости. Например, ОАО «НИИ «Изотерм» (г. Брянск) выпускает установки для выращивания монокристаллов лейкосапфира размером до 30 кг. Это позволяет ставить вопрос о расширении области применения сапфира как конструкционного материала.

Мировой рынок производства лейкосапфира и изготовления из него различного рода изделий развивается очень динамично. Это достигается благодаря уникальному сочетанию свойств: высокая прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, высокие диэлектрические свойства, высокая твердость, износостойкость, теплопроводность, радиационная и химическая стойкость, биоинертность. Лейкосапфир незаменим в оптике, электронной промышленности, медицине, нефтяной, газовой и атомной промышленности, авиации. Наряду с этим уровень отечественных НИОКР и технологический уровень производства по выращиванию монокристаллов лейкосапфира соответствует мировому уровню.

Существующие технологические решения по обработке заготовок из лейкосапфира далеки от оптимальных. Из-за высокой твердости лейкосапфира его обработка возможна лишь алмазным инструментом, она может быть дополнена химической обработкой. В то же время детали, для которых целесообразно использовать лейкосапфир в качестве конструкционного материала, имеют сложную форму, высокую точность, низкую шероховатость [1]. Поскольку практическая реализация процесса обработки сопряжена с трудностями, а теоретическое описание его затруднено, то основным способом отладки технологии алмазно-абразивной обработки является эксперимент [2].

Исходной заготовкой является буля лейкосапфира (монокристалл округлой неправильной конусной формы) (рис.1)

При обработке лейкосапфира нужно принимать во внимание анизотропию свойств. Сапфир имеет гексагональную кристаллическую решетку. Кристаллы в основном выращивают путем вытягивания из расплава. Рост кристалла идет вдоль оси А (1120). Но изделия, как правило, изготовляют в плоскости нормальной оси С (0001). Практически все свойства кристалла различны по разным направлениям [4]. Изделия производят с учетом этого, а в технологию включают многократные операции проверки и уточнения положения этих осей.

Рис. 1. Монокристалл лейкосапфира

Рис. 2. Исходная базовая плоскость

Технологический процесс включает в себя большое число операций резки [2]. Сначала для определения кристаллографических осей на буле алмазным кругом выполняется так называемый базовый срез. Срезанный фрагмент кристалла используют для нахождения кристаллической оси уже с помощью приборов -- оптических или рентгеновских. По результатам измерений положение оси на буле корректируют. Окончательно готовится базовый срез -- плоскость, перпендикулярная оси С, исходная базовая плоскость (рис.2).

Используя базовый срез в качестве технологической базы, из були вырезают заготовки. В основном это либо цилиндры, либо заготовки призматического вида.

При резании нужно обеспечить максимальную производительность, точность реза и отсутствие поверхностных дефектов [5]. Резку обычно осуществляют алмазными дисковыми кругами с внешней режущей кромкой. В кругах используют алмазы высокой прочности с крупным зерном (100 и более мкм) на металлической связке.

Такое резание является разновидностью шлифовальных операций [3]. При этом необходимо сохранение режущих свойств инструмента. В идеале это обеспечивается работой в режиме самозатачивания. При правильно подобранных характеристиках круга и режимах в процессе обработки происходит выкрашивание затупившихся режущих зерен и вступление в работу новых острых граней. Металлическая связка плохо реализует этот механизм. Зерна алмаза практически всегда изнашиваются без выпадания, режущая способность круга снижается, а процесс резания прекращается. Силы резания при этом резко возрастают, что сопровождается повышенным тепловыделением, растрескиванием кристаллов.

В этом случае необходимо производить правку круга принудительно, если оборудование не оснащено устройством для правки круга.

Алмазная резка лейкосапфира выполнялась дисковыми алмазными кругами на универсально-заточном станке мод. 3М642 (рис. 3).

Станок был дополнительно оснащен регулятором частоты питающего тока, который дает возможность бесступенчато изменять частоту вращения инструмента.

Система охлаждения станка была доработана. Был встроен матерчатый фильтр, изменена схема подачи СОТС так, чтобы тонкую струю жидкости можно было направлять непосредственно в зону резания.

Рис. 3. Разрезка лейкосапфира на заготовки

Разрезался монокристалл лейкосапфира (рис. 1) весом 20 кг с габаритными размерами примерно 200 мм. Для установки и надежного закрепления були на станке было спроектировано и изготовлено специальное универсальное приспособление с рядом крепёжных устройств, используемых в зависимости от той или иной технологической операции (рис. 4).

Рис. 4. Приспособление для закрепления и базирования заготовки

В зависимости от установки кристалла фиксация осуществлялась стальной лентой, прихватами через деревянные планки и резинотканевую ленту. Схемы крепления рассчитывались на возможную силу резания. Крепление таким способом позволяет работать с усилием резания до 3100 Н.

Данное приспособление является переналаживаемым и может быть использовано для закрепления кристаллов различной формы и размеров. Возможна установка дополнительных опор, хомутов, планок и т.п. Наличие точных Т-образных пазов позволяет устанавливать кристалл с точностью не менее 0,01 мм на 100 мм длины.

Поскольку режущие свойства алмазных кругов меняются по мере их затупления, резание проводилось с постоянным усилием. Его обеспечивали грузами, которые через блок тянули стол в направлении подачи.

Для резки использовались алмазные круги диаметрами 150, 200, 250, 350 и 400 мм. Толщина круга - 2…4 мм (в зависимости от диаметра).

В экспериментах использованы круги с сегментированной кромкой (рис. 5 а) и со сплошной кромкой (рис. 5 б) на металлической связке, которые должны работать в режиме самозатачивания [6]. Для круга, предназначенного для резки твердых, плотных материалов, требуется более мягкая металлическая матрица. Она изнашивается быстрее, относительно быстро заменяя выработанные алмазы таким образом, чтобы диск продолжал резку. Диск, предназначенный для резки мягких абразивных материалов, должен быть твердым и износостойким, чтобы дольше удерживать алмазы.

а) б)

Рис. 5. Виды алмазных дисковых кругов, использованные при проведении экспериментов

Однако предварительные испытания показали, что для серийных кругов (производители - Институт сверхтвердых материалов (г. Киев) и ОАО «Ниборит» (г. Троицк)) самозатачивания при обработке лейкосапфира не происходит.

Проведенные эксперименты показали, что новые круги имеют хорошие режущие свойства. По мере работы эти свойства ухудшаются.

Силы резания растут, в зоне резания появляется свечение из-за высоких температур. На краях реза появляются вибрации, сколы, резко возрастает шум. В какой-то момент резание прекращается практически полностью.

Это происходило со всеми типами и размерами кругов. Изменения направления и величины скорости резания, подачи, объема СОТС не позволили добиться режима самозатачивания круга и автоматического поддержания режущих свойств на приемлемом уровне. Поэтому основной задачей при реализации технологии алмазной резки лейкосапфира явилось восстановление режущих свойств инструмента, правка.

Правка кругов на металлической связке может выполняться следующими способами [7]:

1) шлифование твердыми абразивными кругами;

2) правка свободным абразивом;

3) электроэрозионная правка;

4) электрохимическая правка.

Чтобы уменьшить биение кругов, правку целесообразно проводить непосредственно на станке.

Первый способ широко применяется в качестве штатного на современных шлифовально-заточных станках с ЧПУ. Он легко реализуется, дает хорошие результаты с точки зрения точности формы и биений. Но при шлифовании круг имеет практически гладкий профиль, нет рельефа, затруднен отвод продуктов шлифования, что особенно важно для процесса резания, когда длина контакта круга и заготовки очень велика.

Рис. 6. Схема установки для электроэрозионной правки алмазных кругов на металлической связке

Остальные три способа нацелены на удаление связки из структуры круга без воздействия на алмазные зерна. Однако правка свободным абразивом сложна, электрохимическая правка требует применения агрессивных электролитов. Поэтому было решено использовать простейшее решение -- электроискровую правку.

Принцип этого метода основан на разрушении материалов электродов при возникновении разряда между ними. На этом принципе работают электроэрозионные станки.

Была сконструирована и изготовлена установка для электроэрозионной правки алмазных кругов. На рис. 6 показана принципиальная схема установки.

Алмазный круг 1 устанавливают на шпиндель установки. Привод обеспечивает вращение шпинделя с частотой 20 мин^-1. К кругу подведены с минимальным зазором два подпружиненных графитовых электрода 3. На электроды подается питание от однопериодного выпрямителя. Напряжение можно менять от 20 до 50 В. Круг частично погружен в ванну 2 со смесью масла и керосина. При вращении круга происходят электрические разряды в местах контакта круга и электродов. В результате разряда происходят микроразрушения электродов и круга. Захватываемая смесь масла и керосина охлаждает зону контакта и вымывает из нее продукты износа.

Вторая схема работы предусматривает подачу напряжения на круг через щетку. В этом случае используют только один правящий электрод. Спроектированная установка показана на рис. 7.

Рис. 7. Установка для электроэрозионной правки алмазных кругов на металлической связке

Полностью затупившийся алмазный круг может быть выправлен за 0,25...0,75 ч.

Также правка была выполнена непосредственно на станке. Для этого с помощью частотного преобразователя устанавливалась частота вращения шпинделя в пределах 100 мин^-1. После этого велась правка по схеме, показанной на рис.7. Правка на станке дала возможность не только восстановить режущие свойства круга, но и снизить биение до величин 0,01…0,02 мм.

Были проведены исследования эффективности такого способа восстановления. На рис. 8 показаны периферия и торец нового алмазного дискового круга (рис.8 а) и круга после правки (рис.8 б). В качестве эталонного размера на фотографиях показана проволока Ш1 мм.

Визуальное сравнение показывает, что электроэрозионная правка создает на рабочей поверхности круга рельеф.

Зерна алмаза при этом освобождаются от связки. Эти два факта являются предпосылкой для восстановления режущих свойств круга. Однако на фотографиях хорошо видны отличия исходной поверхности и заправленной. У кругов в состоянии поставки зерна сильно выступают над профилем. При этом сами зерна имеют неправильную форму с острыми гранями. У круга после правки вид несколько иной. Зерна закруглены, изношены и заглублены относительно номинальной поверхности шлифовального круга.

Увеличение времени правки позволяет сделать рельеф глубже, освободить зерна от связки почти полностью. Но при этом наблюдается устойчивое потемнение цвета режущих зерен. Можно предположить, что под воздействием многочисленных электрических разрядов начинается разложение алмазных зерен, их графитизация.

Рис. 8. Периферия и торец нового и правленого алмазных кругов

Предположение, сделанное на основе визуального осмотра рабочих поверхностей, подтвердилось при испытаниях. Круги после правки в значительной мере восстанавливают свои режущие свойства. Тем не менее по сравнению с новыми кругами период стойкости снижается на 20-30%. Наблюдается и некоторый рост сил резания заправленным кругом.

Правка непосредственно на станке позволяет существенно снизить биения круга. Это, в свою очередь, ведет к улучшению условий резания: снижается шум, вибрации, уменьшаются сколы.

Проведенные исследования позволили получить новые результаты, которые отсутствуют в доступной литературе и сети Интернет. Выявлены основные факторы, влияющие на процесс алмазной резки, и найдены пути управления им.

На данный момент практически полностью разработана технология алмазной резки заготовок из лейкосапфира применительно к станкам общего машиностроения, в частности к универсально-заточным и их аналогам, выработаны рекомендации для проектирования установочных приспособлений, проработана технология восстановления дорогостоящих алмазных отрезных кругов путем электроэрозионной правки, созданы лабораторные установки, которые могут быть основой промышленных решений.

Список литературы

Хандожко, А.В. Обеспечение точности и качества при механической обработке заготовок лейкосапфира / А.В. Хандожко, А.С. Горьков // Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии: сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50-летию каф. технологии машиностроения ЛГТУ (17-19 мая 2012 г.) /под общ. ред. А.М. Козлова. - Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. - Ч.2. - С.41-45.

Хандожко, А.В. Особенности технологии механической обработки лейкосапфира / А.В. Хандожко// Машиностроение и техносфера ХХI века: сб. тр. ХVIII Междунар. науч.-техн. конф. (г. Севастополь, 12-17 сент. 2011 г.). - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т.3. - С.165-167.

Любимов, В.В. Комбинированные методы алмазного шлифования: учеб. пособие / В.В. Любимов, В.А. Могильников, М.Я. Чмир. -2-е изд., испр. и доп. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - 100 с.

Добровинская, Е.Р. Энциклопедия сапфира / Е.Р. Добровинская, Р.А. Литвинов, В.В. Пищик. - Харьков: Ин-т монокристаллов, 2004. - 508 с.

Скрябин, В.А. Особенности обработки деталей из полупроводниковых материалов / В.А. Скрябин, Т.И. Игонина // Машиностроитель. - 2004. - №4.

Муцянко, В.И. Основы выбора шлифовальных кругов и подготовка их к эксплуатации / В.И. Муцянко. - Л.: Машиностроение, 1987. - 134 с.

Кащук, В.А. Справочник заточника / В.А. Кащук, А.Д. Мелихин, Б.П. Бармин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - 232с. - (Серия справочников для рабочих).

Материал поступил в редколлегию 6.06.13.

Размещено на Allbest.ru