 |
Нанотехнология абразивной обработки.
|
|
|
|
Абразивная обработка часто применяется для получения поверхностей с минимальной шероховатостью.
Эффективность абразивной нанообработки, связанной с улучшением эксплуатационных характеристик, а также ее производительность зависят от технологической среды, которая включает полировальник (инструмент для полировки), абразивную и неабразивную составляющие технологического состава и материал заготовки. Особенностью полирования малоразмерным инструментом является сложная зависимость, связывающая профиль удаляемого материала с характеристиками инструмента, обрабатываемого материала и режимами обработки.
В качестве полировальников используют композиционные полировальники на основе полировальных смол, войлок, резину, фетр, замшу и др.
Полировальные составы применяются в виде суспензий или мазеобразных наст. При предварительной обработке в качестве абразивных материалов используют кварц, корунд, наждак, карбиды кремния и бора, окислы циркония, хрома, железа, тория, алюминия, алмаз, кубический нитрид бора. Зернистость порошка абразива (от М40 до МО,5) выбирают исходя из начальной шероховатости заготовки.
При нанополировании применяют порошки карбида хрома, карбид титана, синтетический алмаз, гексанит Р, кубонит зернистостью 1/0, и оксид алюминия зернистостью 0,08/0,1. Получаемая шероховатость от Яг 0,032 мкм до Яг 0,01 (при использовании оксида алюминия до Яг 0,003 мкм). Время полирования до 1 часа.
В качестве жидкости в полирующих суспензиях используют воду, машинное масло, скипидар, спирт, керосин и др. В абразивных пастах применяют олеиновую и стеариновую кислоты, вазелиновое масло, солидол, пчелиный воск и др. Разбавителями и растворителями в пастах служат керосин.
|
|
|
бензин, скипидар, этиленгликоль, касторовое масло и др. Кроме того, вводятся различные добавки для увеличения производительности обработки.
Формирование заданной шероховатости поверхности происходит за несколько циклов. Например, в первом цикле применяют порошки зернистостью 10/7...5/3, во втором цикле применяют алмазные порошки зернистостью 3/2, в третьем - алмазные порошки зернистостью 1/0.
Для абразивного полирования и доводки разработаны и изготавливаются шлифовально-полировальные станки. Предлагаются [66] конструкции гибких производственных модулей с автоматизированными устройствами загрузки-выгрузки и устройствами для промывки.
Наноабразивная обработка позволила обрабатывать сферические детали из металлических материалов с размером сферы 1500 мм с точностью 2...3 мкм и шероховатостью 8...9 нм.
При изготовлении фильер и других аналогичных деталей применяют абразивно-экструзионную обработку. Обработка заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность заготовки вязкоупругой абразивной массы, движущейся возвратно-поступательно вдоль обрабатываемой поверхности.
Существенным недостатком абразивной обработки является внедрение в обрабатываемый материал абразивных частиц. Ультразвуковая обработка, где в качестве рабочего инструмента применяется шарик, позволяет убрать этот недостаток. Создаются и абразивные порошки, имеющие округлую форму зерен, которые не внедряются в обрабатываемую поверхность.
Наноточение. Алмазное наноточение применяют при изготовлении деталей из цветных металлов, например металлических зеркал. Этот вид обработки по сравнению с обработкой свободным абразивом позволяет в
5... 10 раз повысить производительность процесса и исключает шаржирование поверхности абразивными частицами. Алмазный резец выбирается из тех соображений, что, во-первых, его можно заточить с минимальным радиусом скругления режущей кромки. По ГОСТ Р 54787-2011 «радиус кривизны вершины лезвия в плане должен быть в пределах от 20 до 80 нм, а в секущей плоскости - в пределах от 5 до 10 нм». Во-вторых, алмазный резец долго сохраняет форму режущего клина.
|
|
|
Для обработки черных металлов может быть применен резец из сверхтвердого материала, близкий по свойствам к алмазу, например кубический нитрид бора.
При точении резец перемещается по сложной траектории, соответствующей осевому сечению обрабатываемой поверхности (прямая, дуга окружности, парабола и др.). Траектория движения резца с высокой точностью (доли микрометра) должна соответствовать расчетной граектории. Точность вращения шпинделя с обрабатываемой заготовкой также должна быть очень высокой.
Для определения оптимальных режимов резания необходимо провести расчет некоторых характеристик процесса наноточения: минимально возможного параметра шероховатости Яг обрабатываемой поверхности; площади эффективно срезаемого материала; длины контакта стружки с резцом; нормальной и тангенциальной составляющей силы резания при точении.
Минимально возможный параметр шероховатости Я: определяют как высоту выступов, образующихся при точении радиусным резцом с радиусом Я. При небольших значениях подачи 5 <2%/2Т?7, где I - глубина резания. Величина шероховатости определится как: Я: = о/8 Я.
При создании гаммы станков (МК6511...МК6522) для высокоточной обработки были решены вопросы гашения внутренних и внешних вибраций, применены аэростатические сверхточные приводы подач с дискретностью отработки перемещений 10 нм. Для отсчета координат использован двухкоординатный лазерный датчик линейных перемещений (станок МК6521ФЗ). Для управления станком была спроектирована многопроцессорная специализированная система ЧПУ «Прецизион-Т».
При получении высокоточных и сверхгладких поверхностей требуется применение определенных расчетов. При комплексном подходе к проблеме стабилизации формы поверхности обрабатываемого изделия необходимо решение следующих задач [66]:
• проведение численных экспериментов на ЭВМ, которые на этапах проектирования изделия и разработки технологии его формообразования позволяют моделировать их деформированное состояние (отклонение поверхности от расчетной формы), выбирать конструкцию самого изделия;
|
|
|
• разработки и создания систем базирования и технологической разгрузки, создающих условия, приближающиеся к «плаванию» их в жидкости или невесомости;
• разработки методик аттестации технологической или штатнотехнологической системы разгрузки и определения действительных величин реактивных усилий разгрузки, действующих на изделие;
• расчета деформаций изделий, учитывающего действительные (фактические) величины реактивных усилий технологической или штатно-технологической разгрузки; при расчетах был использован метод конечных элементов;
• разработки системы измерений.
Для оптимальной наноразмерной обработки разрабатываются специальные САМ-системы, а для измерения САЬсистемы.
Нанообработку можно разделить на четыре категории [1]:
1 ) детерминированная механическая нанометровая обработка. Этот метод использует фиксированные и контролируемые инструменты, у которых можно указать профили трехмерных компонентов по четко определенной поверхности инструмента и путь прохождения инструмента. Им можно удалить материалы в количествах до десятков нанометров, включает в себя обычно алмазное точение, микрофрезерование, нано / микро измельчение и т. д.;
2) свободная абразивная нанометровая обработка. Этот метод использует свободные абразивные части-цы с удалением небольшого количества материалов. Он состоит из полировки, шлифовки и обтачивания и.т.д.;
3) немеханическая нанометровая обработка. Она включает в себя целенаправленную обработку ионно-го пучка, микро-электроэрозионную обработку и эксимерную лазерную обработку;
4) литографический метод. В нем используется шаблон для определения формы изделия. В результате получаются двумерные изделия, но возникают некоторые ограничения при попытке получения трех-мерных изделий. В основном включает в себя рентге-новскую литографию, LIGA – литографию с помощью ионов Ga, лучевую литографию электронов.
|
|
|
Механическая нанометровая обработка имеет больше преимуществ, чем другие перечисленные способы, так как она способна контролируемым образом обработать сложные 3D-компоненты. Обработка сложной геометрии поверхности является лишь одним из будущих тенденций в нанометровой обработке, которая приведет в интеграции нескольких функций в одном продукте. Например, способ может быть использован в машинных микроформах и штампах со сложными геометрическими характеристиками, высокой размерной точностью и формой, и даже с нано-метровой особенностью поверхности.
Два основных метода нанометрической обработки:
– точечное алмазное точение и ультраточное измельчение.
– ультраточное измельчение
Эти методы способны производить очень тон-кие разрезы. Алмазное точение широко используется в обработке цветных металлов, таких как алюминий и медь. При алмазном точении гальванической меди наблюдается недеформированная толщина стружки около 1 нм. Алмазная шлифовка является важным процессом для обработки хрупких материалов, таких как стекло и керамика для достижения уровня нано-метровых допусков и высокого качества покрытия. Стефенсоном и его соавторами было получено оптическое качество шероховатости поверхности (Ra < 10 нм) при наношлифовании из твердой стали с помо-щью шлифовального круга CBN с 76 мкм на сверх-точном шлифовальном станке [2]. Использование ультратонких зерен твердых металлических инстру-ментов и алмазных покрытий микроинструментов представляет собой многообещающую альтернативу для микрорезания даже из закаленной стали.
Нанометровая обработка очень перспективна в производстве датчиков, акселерометра, приводов, микро-зеркал, оптоволоконных разъемов, и микро-дисплеев. В общем, применение нанопродуктов повы-сит производительность микро-продукции в вопросах чувствительности, селективности и стабильности [3].
MD-моделирование нанометрового процесса обработки (скорость резания – 20 м/с, глубина резания – 1,4 нм, радиус режущей кромки – 0,35 нм) [4]
В нанометровой обработке существуют только точечные дефекты в зоне обработки, поэтому нужно больше энергии, чтобы инициировать атомные тре-щины или атомные дислокации. Уменьшение глубины резания уменьшает возможность режущего инструмента уменьшить точечные дефекты и приводит к увеличению удельной режущей энергии. Нанометровое резание также характеризуется высоким соотношением нормальной к касательной составляющей силы резания, так как глубина резания очень мала, и заготовка в основном обрабатывается режущим кромкой. Работа на сжатие становится доминирующей при деформации материала заготовки, потому что приведет к увеличению силы трения на границе раздела стружки инструмента и относительной высокой степени резания. Из-за их высокой чувствительности и собственной частоты для измерения силы резания используется пьезоэлектрический динамометр или датчик нагрузки. Формирование стружки и поверхностной генерации могут быть смоделированы с помощью моделирования молекулярной динамики. MD-моделирование (метод молекулярной динамики) нанометрового процесса резания монокристаллического алюминия.
|
|
|
|
|
|
