Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Шавва Мария Александровна

• Шавва Мария Александровна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Шавва Мария Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ ИЗ ИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Требования к качеству оптических поверхностей элементов приборов из изотропных оптических материалов

1.2. Особенности технологии обработки оптических поверхностей элементов приборов

1.3. Механизмы разрушения изотропных оптических материалов

1.4. Особенности оборудования для обработки оптических поверхностей элементов приборов

1.5. Алмазный инструмент для обработки изотропных оптических материалов

1.6. Состояние вопроса по моделированию процесса алмазного шлифования

1.7. Методы метрологического контроля параметров качества оптической поверхности

1.8. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Моделирование формы алмазного зерна

2.2. Моделирование процесса резания единичным алмазным зерном

2.3. Влияние износа алмазного зерна и свойств связки алмазоносного слоя на процесс резания

2.4. Моделирование поверхности алмазного шлифовального круга

2.5. Выбор кинематической схемы плоского алмазного шлифования

2.6. Расчет суммарных сил резания при шлифовании

2.7. Расчет величины кинематической составляющей шероховатости оптической поверхности

2.8. Расчет глубины трещиноватого слоя оптической поверхности

2.9. Выбор угла наклона оси с учетом параметров круга и глубины трещиноватого слоя

2.10. Влияние связки алмазных шлифовальных кругов при обработке оптических поверхностей

2.11. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АЛМАЗНОМУ ШЛИФОВАНИЮ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Создание экспериментального стенда и разработка методики для измерения сил резания при плоском алмазном шлифовании периферией круга

3.2. Разработка специального режущего инструмента для алмазного шлифования оптических поверхностей

3.3. Создание сверхточного экспериментального стенда

3.4. Разработка методики экспериментальных исследований по выбору параметров алмазных шлифовальных кругов для обработки оптических поверхностей

3.5. Разработка методики проверки расчетных зависимостей шероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя, и метрологического контроля обработанных поверхностей

3.6. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО АЛМАЗНОМУ ШЛИФОВАНИЮ СИТАЛЛА И КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

4.1. Экспериментальная проверка силовых зависимостей влияния режимов резания при плоском алмазном шлифовании материалов периферией круга

4.2. Экспериментальные исследования по выбору параметров алмазных шлифовальных кругов для обработки оптических поверхностей

4.3. Результаты исследований по проверке расчетных зависимостей шероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя

4.4. Сравнение расчетных и экспериментальных значений шероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя

4.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ НА СВЕРХТОЧНЫХ СТАНКАХ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ

5.1. Разработка программы ЭВМ для расчета сил резания и параметров поверхностного слоя при плоском алмазном шлифовании изотропных оптических материалов

5.2. Разработка технологических рекомендаций для повышения производительности обработки и качества поверхностного слоя оптических поверхностей элементов приборов

5.3. Разработка сверхточного станка для алмазного шлифования элементов приборов из оптических изотропных материалов

5.4. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В составе современных изделий машиностроения, авиакосмической, оптико-механической и электронной промышленности широкое применение находят элементы приборов из изотропных оптических материалов: отражатели, резонаторы, подложки измерительных шкал и др. К таким элементам приборов можно отнести диэлектрические зеркала резонаторов лазерных гироскопов. Качество обработки оптических поверхностей зеркал влияет на долговременную стабильность лазерных гироскопов и точность работы навигационной системы.

Традиционная технология обработки элементов приборов из изотропных оптических материалов предусматривает обработку последовательно связанным, а затем свободным абразивом - химико-механическое полирование в среде полировальной суспензии. К основным недостаткам такой технологии относятся: возникновение поврежденного слоя обработанной поверхности; шаржирование обработанной поверхности абразивными частицами; низкая производительность процесса полирования оптических поверхностей. Для изменения технологии, сокращения или исключения операций полирования, травления и ионно-лучевой обработки предлагается использовать алмазное шлифование на сверхточных станках. Однако для алмазного шлифования остается открытым вопрос о возможности достижения предельных требований по качеству обработки.

Существующие математические модели процессов алмазного шлифования изотропных оптических материалов не позволяют использовать их для прикладных расчетов, т.к. в них не учитываются закономерности физических процессов, протекающих в зоне резания, а также отсутствует методика расчета глубины трещиноватого слоя. Кроме того, не описана методика контроля глубины трещиноватого слоя при финишной обработке оптических материалов.

Для решения проблемы повышения качества оптических поверхностей элементов приборов и производительности обработки актуальной является задача по разработке математической модели процесса, которая позволит рассчитать параметры зоны резания, выходные показатели качества обработанной поверхности, режимные параметры, стойкость инструмента и теоретически обосновать использование финишного метода алмазного шлифования на сверхточных станках. Разработанная модель также позволит сформулировать технические требования к сверхточному оборудованию для практической реализации финишного метода алмазного шлифования.

Целью диссертационной работы является уменьшение шероховатости и глубины трещиноватого слоя оптических поверхностей элементов приборов из ситалла и кварцевого стекла за счет использования алмазного шлифования на сверхточных станках.

Задачи работы:

1. Разработать математическую модель процесса алмазного шлифования изотропных оптических материалов для получения расчетных зависимостей сил резания, шероховатости и глубины трещиноватого слоя обработанной поверхности от режимов резания, параметров алмазоносного слоя круга и свойств обрабатываемого материала;

2. Разработать методики и провести экспериментальные исследования для проверки расчетных зависимостей сил резания, шероховатости и глубины трещиноватого слоя, и выполнить контроль параметров качества оптических поверхностей;

3. Создать сверхточный экспериментальный стенд для проведения исследований по алмазному шлифованию образцов из ситалла и кварцевого стекла с преобладающим механизмом пластического деформирования материала, технические характеристики которого будут использованы при разработке технического задания на сверхточный станок;

4. Разработать специальные алмазные круги для обработки оптических поверхностей деталей из ситалла и кварцевого стекла, обеспечивающие

возможность достижения показателей качества исполнительных поверхностей, предусмотренных нормативной технологической документацией -шероховатость Ка 10 нм и глубина трещиноватого слоя 50 нм и менее;

5. Разработать сверхточный станок и технологические рекомендации по обработке оптических поверхностей, обеспечить повышение качества и снижение трудоемкости обработки.

Научная новизна:

1) Установлено, что минимальная шероховатость и глубина трещиноватого слоя достигается при обеспечении перехода от хрупкого разрушения к пластическому деформированию обрабатываемого изотропного оптического материала алмазным зерном. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены условия этого перехода по предельным нагрузкам и толщине срезаемого слоя;

2) Доказано, что предельные требования по качеству обработки достигаются при использовании схемы плоского шлифования с разворотом оси круга, которая позволяет регулировать толщину срезаемого слоя единичным зерном, управлять направлением распространения трещин и обеспечивает минимальную глубину трещиноватого слоя;

3) Установлены рациональные соотношения между свойствами связки инструмента, алмазного зерна и силами резания, действующими на единичное зерно, которые позволяют одновременно обеспечить условия прочности связки и зерна, и расчетную стойкость круга;

4) Разработаны методики: экспериментальных исследований по выбору эксплуатационных параметров абразивного алмазного инструмента для работы на сверхточных станках; для проверки расчетных зависимостей сил резания, шероховатости и глубины трещиноватого слоя; для контроля шероховатости и глубины трещиноватого слоя оптических поверхностей деталей из изотропных оптических материалов.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

1) Разработаны функциональные связи между характеристиками абразивного алмазного инструмента и свойствами обрабатываемого изотропного оптического материала: твердостью, прочностью, трещиностойкостью, эффективной поверхностной энергией, которые позволяют определить рациональные режимные параметры процесса шлифования и выходные показатели качества обработанной поверхности - шероховатость и глубину трещиноватого слоя;

2) Разработаны математические зависимости, характеризующие параметры зоны шлифования, которые позволяют рассчитать длину и площадь контакта круга и заготовки, число режущих зерен, толщину срезаемого слоя, шероховатость обработанной поверхности. Теоретически обосновано использование кинематической схемы с наклоном оси шлифовального круга.

3) На основании выявленных и систематизированных функциональных и математических зависимостей разработана программа ЭВМ «Расчет параметров процесса наноразмерной обработки хрупких материалов алмазным шлифованием», которая позволяет рассчитать параметры зоны резания при шлифовании, силы резания, шероховатость поверхности, глубину трещиноватого слоя и др. Программа ЭВМ прошла государственную регистрацию.

Практическая значимость работы:

1) Разработаны технологические рекомендации по обработке оптических поверхностей подложки диэлектрического зеркала резонатора кольцевого лазерного гироскопа, включающие использование схемы плоского шлифования периферией с наклоном оси круга на сверхточном станке на следующих режимах резания: глубина резания 1...5 мкм, скорость шлифования 10.. .15 м/с, скорость продольной подачи заготовки 0,025...0,06 м/мин, скорость поперечной подачи круга 0,0004.0,0006 м/мин, а также использование специального шлифовального круга с конической фаской. Реализована возможность алмазного шлифования оптических поверхностей деталей из

ситалла и кварцевого стекла с шероховатостью Ra 10 нм и глубиной трещиноватого слоя 50 нм и менее.

2) Создан сверхточный экспериментальный стенд для проведения исследований по алмазному шлифованию ситалла и кварцевого стекла с использованием схемы с наклоном оси шлифовального круга, реализующий возможность шлифования по механизму пластичного деформирования материала с предельно малой глубиной трещиноватого слоя;

3) Разработаны и обоснованы результатами экспериментальных исследований на сверхточном экспериментальном стенде технические и технологические требования к оборудованию и алмазному шлифовальному инструменту для реализации финишной обработки оптических поверхностей деталей из ситалла и кварцевого стекла;

4) Разработаны конструкции специальных алмазных кругов с зернистостью алмазоносного слоя 2/3 мкм на металлической и органической связке. Проведены сравнительные испытания кругов, изготовленных по традиционной технологии и по технологии нанесения многослойного композиционного электролитического покрытия;

5) Разработан и создан сверхточный станок с биением поверхностей шпиндельных узлов не более 0,1 мкм и жесткостью не менее 400 Н/мкм, который реализует схему плоского шлифования периферией с наклоном оси круга.

Методология и методы. Работа включает в себя теоретические и экспериментальные методы исследования и моделирование на ЭВМ. Использованы основные положения теории шлифования материалов, механики разрушения твердого тела, методы теории вероятности и математической статистики, элементы теории инженерного эксперимента и др.

Алгоритмизация и верификация математической модели алмазного шлифования изотропных оптических материалов проведена с использованием метода объектно-ориентированного программирования в среде Turbo Delphi 7. Разработка конструкций узлов и систем сверхточного экспериментального

стенда, а также специальных алмазных кругов и сверхточного станка выполнена с помощью программного комплекса САПР SolidWorks.

Экспериментальные исследования по алмазному шлифованию поверхностей деталей из ситалла и кварцевого стекла выполнены, в том числе на сверхточном экспериментальном стенде. В исследованиях использован микроскоп Zeiss Axio Imager Z2 и трехкомпонентный динамометр Kistler модели 9257B. Исследования шероховатости обработанной поверхности проводились контактным и оптическим методами с использованием портативного профилометра Mitutoyo Surftest SJ-210 и оптического профилометра модели Talysurf CCL 600. Глубина трещиноватого слоя оценивалась методом ионно-лучевого травления с использованием нанотехнологического комплекса HeliosNanolab и сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira 3 LM по разработанным методикам.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Математические уравнения, описывающие функциональные связи между входными переменными, характеризующими обрабатываемый изотропный оптический материал (твердость, прочность, трещиностойкость, эффективная поверхностная энергия, модуль упругости), параметрами зерна и алмазоносного слоя шлифовальных кругов, режимными параметрами процесса шлифования и выходными показателями качества обработанной поверхности -шероховатостью и глубиной трещиноватого слоя;

2) Методики и результаты экспериментальных исследований и метрологического контроля поверхностей образцов из ситалла и кварцевого стекла, подтверждающие достижение минимальной шероховатости и глубины трещиноватого слоя при алмазном шлифовании с преобладающим механизмом пластичного деформирования материала;

3) Технологические рекомендации по характеристикам алмазных кругов и режимам резания, обеспечивающие повышение производительности обработки и качества оптических поверхностей элементов приборов из ситалла и кварцевого стекла;

4) Разработанные и обоснованные методом математического моделирования технические и технологические требования на сверхточный станок, позволяющие реализовать финишный метод плоского алмазного шлифования, в том числе с разворотом оси круга, который обеспечивает механизм пластичного деформирования материала в зоне резания, его обработку с шероховатостью Ка не более 10 нм и глубиной трещиноватого слоя не более 50 нм.

Краткое содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Первая глава посвящена анализу особенностей обработки оптических поверхностей элементов приборов из ситалла и кварцевого стекла, современных технологий, определению цели, основных задач и предметной области исследования.

Во второй главе разработана функциональная математическая модель процесса алмазного шлифования изотропных оптических материалов, которая позволяет проанализировать условия работы единичного зерна и алмазного круга, теоретически рассчитать силы резания, шероховатость обработанной поверхности и глубину трещиноватого слоя.

Третья глава содержит описание экспериментальных стендов и конструкций специального режущего инструмента, применяемых при экспериментальных исследованиях, а также описание методик исследования процесса алмазного шлифования образцов из ситалла и кварцевого стекла, и метрологического контроля показателей качества обработанной поверхности.

Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований по алмазному шлифованию ситалла и кварцевого стекла, которые позволяют провести сравнение теоретических и экспериментально полученных значений сил резания, шероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя.

Пятая глава включает в себя технологические рекомендации по алмазному шлифованию оптических поверхностей элементов приборов,

технические требования на разработанный сверхточный пятикоординатный станок для обработки подложек диэлектрических зеркал лазерных гироскопов и анализ полученных результатов.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных научных результатов основывается на рационально выбранных и примененных методах научного исследования, подтверждается экспериментальной проверкой результатов теоретического моделирования и использованием аттестованных приборов и аппаратуры.

Основные результаты работы докладывались на: Седьмой всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014); Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2015); Специализированной научно-практической конференции «Инновационные оптические технологии для изготовления оптико-электронных приборов и комплексов» в рамках XI международного форума «Оптические системы и технологии - OPTICS-EXPO 2015» (Москва, 2015); Научно-практической конференции V Конгресса ТП «Фотоника» в рамках выставки «Фотоника. Мир лазеров и оптики 2016» (Москва, 2016); на научных семинарах кафедры «Инструментальная техника и технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2013-2017 г. г.

Результаты работы внедрены при выполнении: 1) Соглашения о предоставления субсидии №14.579.21.0042 «Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания» между ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» и Министерством науки и образования РФ, заключенного в рамках Федеральной Целевой Программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20142020 годы";

2) Контракта №555/145 от 05.08.2014 по теме «Создание стенда для ультрапрецизионной финишной обработки элементов мишеней» между ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров);

3) Договора № КС-32/8108/2016 от 17.06.2016 по теме «Разработка и изготовление образцов подложек шкал и дифракционных решеток для экспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений» между ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основное содержание работы отражено в 11 печатных работах, из которых 7 - в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство на программу ЭВМ для расчета параметров процесса алмазного шлифования хрупких материалов.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ ИЗ ИЗОТРОПНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1.Требования к качеству оптических поверхностей элементов приборов из изотропных оптических материалов

Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов из изотропных оптических материалов - уменьшение шероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя является актуальной задачей для оптических элементов различных типоразмеров и назначения.

Рассмотрим несколько наиболее актуальных примеров элементов приборов: подложка для измерительной шкалы голографического датчика линейных перемещений для точных и сверхточных станков, полусферический резонатор твердотельного волнового гироскопа, корпус моноблочного резонатора и подложка диэлектрического зеркала лазерного кольцевого гироскопа.

Эскиз подложки измерительной шкалы для голографического датчика линейных перемещений приведен на Рис. 1.1. В Таблице 1 приведены основные требования к оптической поверхности элемента.

Рис. 1.1. Подложка измерительной шкалы для голографического датчика

линейных перемещений

Таблица 1

Основные требования по шероховатости и погрешности формы для подложки измерительной шкалы для голографического датчика линейных перемещений

Параметр Значение

Материал подложки измерительной шкалы Ситалл СО115М (0СТ3-104-77)

Шероховатость поверхности А,

Оптическая чистота поверхности I класс (ГОСТ 11141-84)

Допуск на отклонение от плоскостности, интерференционных колец л - 1

Местная ошибка, интерференционных полос АЫл - 0,2

Как видно из Рис. 1.1 и Таблицы 1, основными показателями качества поверхности является шероховатость Ка не более 10 нм и погрешность формы: допуск на плоскостность - 1 интерференционное кольцо (0,6 мкм), местная ошибка - 0,2 интерференционных полос (0,12 мкм). После механической обработки на подложку измерительной шкалы наносятся несколько отражающих и защитных слоев, которые позволяют реализовать проекционный метод считывания сигнала и обеспечить работу голографического датчика линейных перемещений.

На Рис. 1.2 приведен чертеж полусферического резонатора твердотельного волнового гироскопа. Резонатор изготавливается из кварцевого стекла марки КУ1. Шероховатость поверхностей Б и В составляет Ка 5 нм, на поверхностях не допускаются царапины и сколы.

Волновой твердотельный гироскоп принадлежит к классу датчиков инерциальной информации [1]. Полусферический резонатор твердотельного гироскопа - чувствительный элемент, в котором возбуждаются изгибные колебания. Твердотельный волновой гироскоп высокой точности характеризуется тем, что его чувствительный элемент имеет высокую

изотропность и добротность. Изотропность резонатора обеспечивается посредством выбора оптимального по свойствам материала - кварцевого стекла. Для увеличения добротности необходимо минимизировать факторы, приводящие к рассеянию энергии упругих колебаний [2].

Рис. 1.2. Чертеж полусферического резонатора твердотельного волнового

гироскопа

Нарушенный слой, полученный после механической обработки резонатора, складывается из шероховатости обработанной поверхности и трещиноватого слоя и является причиной интенсивного внутреннего трения, которое приводит к рассеянию энергии упругих колебаний. Для снижения рассеяния энергии поверхности полусферического резонатора после механической обработки подвергают химическому травлению, которое обеспечивает уменьшение трещиноватого слоя до 600 нм [1].

Кольцевой лазерный гироскоп входит в состав системы спутниковой навигации и является ее ключевым элементом [3-6]. Технологический процесс

изготовления лазерного кольцевого гироскопа включает в себя механическую обработку, контроль и последующую сборку следующих деталей и узлов: корпус резонатора, плоские или сферические зеркала, системы виброподвеса, стабилизации периметра и съема информации и др.

Производство лазерных гироскопов предполагает сочетание инновационных технологических процессов:

• оптические технологии - механическая обработка деталей из стеклокерамических материалов, таких как ситалл и кварцевое стекло, с оптической точностью;

• химические технологии - полирование с химическим воздействием и травление для обработки деталей из кварцевого стекла и ситалла;

• электровакуумные технологии - ионно-лучевое полирование оптических поверхностей;

• технологии вакуумного напыления для нанесения многослойных интерференционных отражающих покрытий зеркал [5].

Ключевыми элементами кольцевого лазерного гироскопа являются корпус резонатора - Приложение П.1, Рис. П.1 и диэлектрические зеркала, которые после сборки и юстировки образуют непосредственно резонатор. Диэлектрическое зеркало, в свою очередь, состоит из подложки, выполненной из стеклокерамического материала и многослойного интерференционного отражающего покрытия [3-6].

На точность работы прибора оказывает непосредственное влияние качество обработки исполнительных поверхностей подложки диэлектрического зеркала - величина шероховатости поверхности и глубина трещиноватого слоя.

Снижение шероховатости обработанной поверхности необходимо для обеспечения минимального рассеяния лазерного излучения на исполнительных поверхностях зеркал в направлении падающего пучка. Это необходимо для уменьшения погрешности измерения угловой скорости и уменьшения порога чувствительности лазерного гироскопа [3]. Качество исполнительной поверхности диэлектрического зеркала целиком определяется шероховатостью

подложки, так как даже после нанесения многослойного интерференционного отражающего покрытия детали рельефа не сглаживаются, а фактически его повторяют [5].

Известно, что процесс механической обработки изотропных оптических материалов тесно связан с механизмом трещинообразования. Именно благодаря образованию и развитию трещин в обрабатываемом материале происходит его разрушение. Факторами появления трещин на поверхности хрупких материалов является наличие начальных дефектов и микротрещин, и его «малопластичность», которая определяется тем, что при нагружении индентором условия хрупкого разрушения достигаются раньше, чем условия пластичного деформирования [7,8].

Наличие трещиноватого слоя на поверхности зеркал отрицательно влияет на долговременную стабильность прибора ввиду того, что при «залечивании» поверхностных трещин отсутствует геометрическое постоянство длины пути пучка лазерного излучения [3]. Следовательно, при уменьшении глубины трещиноватого слоя период «залечивания» трещин сокращается, и долговременная стабильность увеличивается.

На Рис. 1.3 приведен чертеж подложки диэлектрического зеркала (до нанесения интерференционного покрытия), в Таблице 2 указаны основные требования к шероховатости и погрешности формы соответствующих оптических поверхностей.

Из Таблицы 2 и Рис. 1.3 следует, что шероховатость поверхностей А, Б, В не должна превышать: Ка - 10 нм, № - 50 нм. При этом погрешность формы обрабатываемых поверхностей имеет следующие значения: допуск на плоскостность 1.0,5 интерференционное кольцо (0,6.0,3 мкм); местная ошибка 0,1.0,2 интерференционных полос (0,06.0,12 мкм). Кроме того, необходимо обеспечить глубину трещиноватого слоя поверхности не более 50 нм для повышения долговременной стабильности работы лазерного гироскопа.

Рис. 1.3. Чертеж подложки диэлектрического зеркала, используемого в

лазерном гироскопе

Таблица 2.

Основные требования по шероховатости и погрешности формы для подложек

диэлектрических зеркал

Параметр Значение

Материал подложки зеркала Ситалл СО115М (ОСТ3-104-77) Кварцевое стекло КУ1 (ГОСТ 15130-86)

Диаметр, мм 24...30

Шероховатость Ra поверхностей А, Б, В, нм

Оптическая чистота поверхности 1-11 класс (ГОСТ 11141-84)

Клиновидность подложек, сек

Допуск на отклонение от плоскостности, интерференционных колец л - 0,5 Б,Г - 1,0

Местная ошибка, интерференционных полос АЫА - 0,1 Шб,Г - 0,2

Из рассмотренных примеров оптических поверхностей элементов приборов можно сделать вывод, что основными параметрами, определяющими качество поверхности, являются шероховатость поверхности и глубина трещиноватого слоя, которые определяют величину рассеяния направленного на поверхность излучения, и эффективность и точность работы приборов в целом.

Корпуса резонаторов, подложки зеркал и шкал изготавливаются из ситалла и кварцевого стекла, которые склонны к трещинообразованию при механической обработке. Необходимо подробно рассмотреть процессы, приводящие к образованию трещин при механической обработке, и разработать предложения по уменьшению глубины трещиноватого слоя.

1.2. Особенности технологии обработки оптических поверхностей

элементов приборов

Традиционная технология обработки поверхностей элементов из оптических изотропных материалов включает в себя: шлифование связанным абразивом, шлифование и полирование свободным абразивом с применением различных по составу суспензий. Для уменьшения глубины трещиноватого слоя могут быть задействованы процессы химико-механического полирования, травления и ионно-лучевой обработки [5].

Укрупненно рассмотрим типовой процесс обработки оптической поверхности подложки диэлектрического зеркала резонатора лазерного гироскопа из ситалла марки СО115М (Рис. 1.3). Основные операции механической обработки и показатели качества (шероховатость и глубина трещиноватого слоя) обработанной поверхности представлены в Таблице 3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шавва Мария Александровна, 2018 год

источников [15 - 19]

Материал Лейкосапфир (А120З) Ситалл СО115М ОСТ Кварцевое стекло КУ1 ГОСТ Оптическое стекло К8 ГОСТ

Предел прочности при растяжении а, МПа 400 70-130 48,3 80

Предел прочности при сжатии а МПа 2000 20007000 1100 2140

Модуль упругости С С С 93 73,6 82,3

Твердость, МПа н 1 Н Н =8800** м Н Н 1

Коэффициент Пуассона 0,25-0,3 0,236 0,17-0,19 0,209

Эффективная поверхностная энергия у5, Н/м - 0,5 0,2 -

Коэффициент трещино стойко сти 1/2 Кс, МПа*м

* - твердость по Кнупу; ** - микротвердость.

Процессы, протекающие при полировании и шлифовании, упрощенно можно представить в виде взаимодействия алмазного зерна - индентора и поверхности обрабатываемого материала.

Посредством математического моделирования исследователями выявлены закономерности распространения трещин в изотропном оптическом материале при взаимодействии с различными видами инденторов: пирамидального типа, сферического, конического, индентора Берковича [8].

Этапы образования трещин при взаимодействии изотропного оптического материала и сферического индентора показаны на Рис. 1.4.

Рис. 1.4. Этапы образования трещин при взаимодействии сферического индентора и изотропного оптического материала

Для сферического индентора последовательность распространения трещин будет следующая:

1) При приложении нагрузки, имеющиеся на поверхности материала микротрещины, начинают распространяться под углом 20.50° [8] и перерастают в поверхностную трещину, т. е. при взаимодействии индентора и материала имеется некоторый критический уровень нагрузки, соответствующий

появлению первых кольцевых трещин. Увеличение нагрузки ведет к увеличению среднего давления и максимальных главных напряжений;

2) При дальнейшем увеличении нагрузки кольцевая трещина устойчиво распространяется вглубь тела перпендикулярно поверхности. Таким образом, кольцевая трещина переходит в медианную. При достижении критической глубины распространения медианная трещина входит в стадию неустойчивого роста, приводящего к появлению пространственной конической трещины [7, 8].

3) При разгрузке индентора происходит «выламывание» материала по образованным боковым трещинам [8].

Если радиус сферического индентора мал, то при определенных его значениях материал в зоне контакта будет проявлять пластические свойства [8]. Пластическое внедрение происходит тогда, когда максимальное касательное напряжение достигает критического значения, определяемого свойствами материала и наличием поверхностных дефектов [7,8].

Взаимодействие режущей вершины абразивного зерна и оптического изотропного материала можно упрощенно воспринимать как взаимодействие конического индентора со сферической частью с обрабатываемой поверхностью.

По результатам проведенных предварительных исследований по теме диссертации на Рис. 1.5 на фотографии под электронным микроскопом показано образование конических и медианной трещин в поверхностном слое шлифованного ситалла.

Разрушение твердого тела с трещиной характеризуется устойчивым и неустойчивым распространением трещины. Распространение трещины называют устойчивым, если при медленном увеличении нагрузки, трещина медленно распространяется. Для устойчивой трещины соблюдается условие МР А О 7

— > 0, где р - нагрузка на трещину; I - длина трещины, т.е. в предельном М

состоянии равновесия нагрузка является возрастающей функцией длины трещины. При неустойчивом распространении трещины нарушаются условия равновесия в некотором объеме материала, окружающем вершину трещины. В

предельном состоянии равновесия для неустойчивой трещины соблюдается

¿Р л условие —< 0 [7]. ¿1

НВ/У НУ с иг г глад □ WD той« 731 ит ЗООкУ 0 34 пА 35000 * 42тт ЭЕ

-2 рт ■

Не1юь 04

Рис. 1.5. Трещины в ситалле марки СО 115М, образовавшиеся при плоском алмазном шлифовании периферией круга с зернистостью алмазоносного слоя

100 мкм, масштаб (25 000:2)

На Рис. 1.6 приведена кривая, характеризующая сопротивление росту трещины. Данная кривая представляет собой зависимость контурного 3- интеграла, эквивалентного интенсивности высвобождающейся энергии, от прироста трещины А/.

Кривая сопротивления росту трещины состоит из двух участков: линия притупления трещины и линия физического роста после ее страгивания. Наличие линии притупления обусловлено пластическим раскрытием вершины трещины. «Страгивание» трещины происходит после достижения 3-интегралом предельного значения равного 3/с. Предельное значение определяется свойствами материала и зависит от коэффициента трещиностойкости.

Прирост трещины Рис. 1.6. Кривая сопротивления росту трещины

При образовании трещины коэффициент интенсивности напряжений зависит от длины трещины и напряжения, которое ее вызывает:

К1 . (1.1)

Если в некотором материале есть трещина длиной 21, то для образования новых поверхностей трещины необходимо затратить некоторую энергию. Если предположить, что изменение потенциальной энергии поверхности, связанное с деформированием плоскости трещиной, расходуется только на образование новых поверхностей, то критическое значение длины трещины зависит от эффективной поверхностной энергии и модуля упругости обрабатываемого материала, и равно:

1ыг. а2)

При этом величина ^2у5Е называется вязкостью разрушения или коэффициентом трещиностойкости обрабатываемого материала и обозначается Кс . Коэффициент трещиностойкости для материала является его механической характеристикой и принимается постоянным.

Условие страгивания трещины (условие начала быстрого роста трещины) состоит в том, что коэффициент интенсивности напряжений превысит коэффициент трещиностойкости [7,8,20,21]:

К >Кс. (1.3)

Таким образом, существует некоторая критическая нагрузка, при которой трещина начинает резко увеличивать свои размеры. В то же время, существует некоторый критический размер трещины, после которого происходит лавинный рост трещины.

Согласно данным, полученным в работе [22], при моделировании взаимодействия сферического индентора критическая нагрузка, при которой в материале образуется трещина определенного размера, зависит от твердости и коэффициента трещиностойкости обрабатываемого материала и описывается формулой:

л3

РЫг -

54,47%

л2е4

(К.

^ ну

К

с'

(1.4)

У

где % - константа, связанная с индентором и его формой. При этом критический размер медианной трещины, после которого начинает ее лавинный рост, определяется теми же свойствами обрабатываемого материала:

С

1,767 ( К л2

12

-с

ну

(1.5)

У

тЫг 02

где эмпирические параметры зависят от формы индентора, размера поля напряжений и интенсивности напряжений, соответственно равны: ?]-1, 0 - 0,2.

Длина медианной трещины после «страгивания» зависит от величины прикладываемой к индентору нормальной нагрузки и определяется выражением:

Ст ( рп )

г Е Л 2 1

ну

К

. Р 3 1 п .

(1.6)

Также необходимо отметить, что экспериментально установлена связь между размером медианной и боковой трещины:

Выражения (1.4) - (1.7), полученные в работе [22], совпадают с аналогичными выражениями в работах [8, 23-25].

Длина микротрещин, которые распространяются под углом к поверхности на первом этапе нагружения, обычно не учитывается при расчетах, поскольку данные трещины не выходят за предел лунки, образованной при выламывании материала на этапе 3 [8]. При этом длина микротрещин может быть принята как:

Как показывает обзор достижений по обработке оптических материалов за последние десятилетия, эти материалы можно обрабатывать по механизму, схожему с механизмом обработки пластичных металлов, т.е. с пластичным деформированием материала в зоне резания и пониженным трещинообразованием. Выполнение определенных условий и режимов при обработке оптических материалов, при которых образовавшаяся стружка получается путем пластического деформирования, а не скалывания, называется «пластичным» режимом обработки или «квазипластичностью» [26].

Таким образом, под «квазипластичностью» понимается проявление пластичных свойств поверхностным слоем твердых хрупких материалов при обработке на определенных режимах [27].

Впервые возможность обработки хрупких материалов в режиме «квазипластичности» была показана Кингом и Тэбором в 1954 [28]. Явление было обнаружено во время постановки опытов по фрикционному износу кристаллов каменной соли. Ученые установили, что на обработанной поверхности помимо трещин присутствовали также следы пластической деформации.

(1.7)

(1.8)

Бриджмен предположил, что такие хрупкие материалы, как стекло, способны проявлять свою «квазипластичность» под действием высокого гидростатического давления [29-31].

Лаун и Вилшоу исследовали пластичные свойства стекла, которые привели к обнаружению «хрупко-пластичного перехода» [32], т.е. условий, при которых механизм разрушения материала изменяется от хрупкого к пластичному [26, 27,33].

В России вопросами «квазипластичного» удаления поверхностного слоя твердых 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» обработки основана на обеспечении механического воздействия на обрабатываемую поверхность материала при врезной подаче шлифовального круга, составляющей доли мкм/ход. При этом поверхностный слой хрупких твердых материалов проявляет пластичные свойства и преобладающим механизмом становится не хрупкое разрушение, а «квазипластичное» удаление материала. При этих подачах контактное взаимодействие зерен шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью создает «периодическое переменное механическое поле», под воздействием которого происходит направленное «квазипластичное» удаление поверхностного слоя с формированием поверхности нанометровой шероховатости и с минимальными дефектами, внесенными процессом обработки [26,39].

На основании разработанной Тепловой Т.Б. технологии на базе Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков (ЭНИМСа) был создан станочный модуль АН15Ф4 с числовым программным управлением. Станок реализует схему плоского шлифования торцем шлифовального круга. Удаление поверхностного слоя материала в режиме «квазипластичности» достигается при высокой жесткости упругой обрабатывающей системы. На этом станке заготовки из хрупких

кристаллических материалов можно шлифовать с получением обработанной поверхности нанометрового диапазона [38,39].

Первыми исследователями пластичной обработки кристаллов и хрупких аморфных материалов являются Бифано Т. и Доу Т. Этими учеными была создана специальная экспериментальная установка под названием Pegasus [27], которая позволяла осуществлять «квазипластичное» шлифование. Их исследования базировались на положении, что при обработке хрупкие материалы могут разрушаться по нескольким механизмам. Если критическое напряжение превышает упругое напряжение сжатия материала, то меняется механизм разрушения [27, 40, 41].

При хрупком разрушении материала появляются трещины и происходит скалывание, в то время как пластичный механизм приводит к течению материала в направлении схода стружки [42-46]. При этом существует такая глубина (толщина) резания, при которой происходит «хрупко-пластичный» переход [27].

По результатам экспериментальных исследований была сформирована гипотеза «квазипластичного» шлифования, состоящая в предположении, что при достаточно малой толщине срезаемого слоя съем хрупкого материала происходит по механизму пластичного деформирования.

Для расчета критической толщины срезаемого слоя и обеспечения «хрупко-пластичного» перехода Бифано Т. и Доу Т. предложили использовать следующее выражение [27]:

azkrit Х

а

(1.9)

Отношение

'Kl

HV

V HV Д HV j называется «эффективной мерой хрупкости

материала»[27].

Как видно из выражения (1.9), критическая толщина срезаемого слоя зависит от твердости, модуля упругости и коэффициента трещиностойкости обрабатываемого материала.

Таким образом, условие «страгивания» трещины может быть отмечено достижением критической нагрузки, определяемой выражением (1.4), и критической длины медианной трещины по выражению (1.5). Критическая толщина срезаемого слоя для каждого обрабатываемого материала соответствует критической нагрузке, вызывающей лавинное увеличение длины трещины. После достижения условия «страгивания», размеры медианной, боковой трещин и микротрещин определяются выражениями (1.6)-(1.8), соответственно, и находятся в зависимости от величины приложенной нормальной нагрузки.

Выражение (1.9) может быть использовано только с учетом поправочного коэффициента, получаемого экспериментально. Выражение для расчета критической нагрузки (1.4) является универсальным, применимо для любых размеров алмазных зерен и использовано для моделирования процесса в Главе 2 диссертационной работы.

1.4. Особенности оборудования для обработки оптических поверхностей

элементов приборов

В настоящее время в промышленности применяют различные станки, специализирующиеся на обработке оптических поверхностей элементов приборов, как шлифованием, так и полированием. Требования, предъявляемые к точности и жесткости оборудования, обусловлены заявленным качеством обрабатываемых поверхностей и физическими свойствами оптических материалов. Поэтому, как правило, в оптической промышленности применяются станки особо высокой точности, а также сверхточные станки [47].

Сверхточное оборудование, реализующее обработку оптических поверхностей, должно отвечать особым требованиям, которые определены в ГОСТ 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 Ка

от 0,5 до 1 нм кинематическая разрешающая способность систем перемещения и точность позиционирования должна быть в пределах от 5 до 10 нм;

- компоновка станка и точность самих узлов станка и их перемещений должны обеспечивать заданную точность движений формообразования;

- станок должен иметь специальный изолированный фундамент на виброизолирующих опорах;

- в станке должны использоваться прецизионные подшипники с осевым и радиальным биением в пределах нанометрового диапазона;

- плавность перемещений рабочих органов должна быть менее 0,001*g.

Требования по величине радиального биения подвижных узлов, точности

позиционирования и плавности перемещений обеспечиваются за счет использования аэростатических или гидростатических опор [48]. Использование аэростатических и гидростатических опор в шпиндельных узлах позволяет получить радиальное и осевое биение менее 100 нм и жесткость от 200 до 400 Н/мкм [47]. Параметр жесткости обеспечивает постоянство глубины резания в процессе обработки. Для реализации процесса шлифования с преимущественным механизмом пластического деформирования необходимо обеспечить осевую жесткость шпиндельных узлов станка не менее 150 Н/мкм [27].

В течение длительного времени одним из немногих отечественных производителей оборудования для обработки оптических поверхностей был Сморгонский завод оптического станкостроения (г. Сморгонь, Белоруссия). Предприятие производило широкую номенклатуру станков, реализующих традиционную технологию свободного поверхностного притира и скоростной алмазной обработки оптических заготовок [49]. Производством же сверхточных станков в 70-90-ые гг. занимался Московский станкостроительный завод «Красный пролетарий» им. А.И. Ефремова.

В настоящее время лидирующие позиции в области производства сверхточных станков занимают зарубежные производители: Nanotech Moore Nanotechnology Systems, Ametek Precitech, LLC (США); Kugler GmbH, LT - Ultra

Precision Tehnolodgy GmbH (Германия); FANUC, Sodick, TOSHIBA Machine CO., LTD (Япония).

К ведущим мировым фирмам по производству сверхточного оборудования для обработки оптических поверхностей относятся SatisLoh и OptoTech (Германия). Данные фирмы производят станки для предварительного и тонкого алмазного шлифования, и полирования. Жесткость поворотных узлов станков составляет от 100 до 150 Н/мкм, величина биения исполнительных поверхностей - до 500 нм, разрешающая способность систем перемещения и точность позиционирования - 1 нм. На данном оборудовании обрабатываются сферические и плоские поверхности оптических материалов с шероховатостью Ra 2.6 нм после полирования.

Анализ рынка современного отечественного сверхточного оборудования показал, что разработками в этой области занимается ограниченное число предприятий, среди которых лидирующее положение занимают такие, как ООО «Ресурс точности» и АО «ВНИИИНСТРУМЕНТ». В частности, эти предприятия разрабатывают и изготавливают сверхточные станки и стенды по индивидуальным заказам с использованием отечественных комплектующих и систем управления.

Проведенный анализ условий шлифования и технических характеристик сверхточных станков показал, что для обеспечения исследований в этой области необходимо разработать сверхточный стенд для отработки режимов шлифования с механизмом преимущественного пластичного деформирования, а также создать сверхточный станок, реализующий возможность внедрения разрабатываемой технологии. Технические характеристики этого оборудования должны обеспечить:

- разрешающую способность систем перемещения и точность позиционирования - от 1 до 10 нм;

- осевое и радиальное биение шпинделей инструмента и изделия - не более 100 нм;

- кинематика сверхточного станка должна обеспечивать заданную погрешность движений формообразования - не более 1 нм;

- исполнительные узлы должны быть выполнены на аэростатических опорах с жесткостью от 100 до 400 Н/мкм.

1.5. Алмазный инструмент для обработки изотропных оптических

материалов

При выборе абразивного инструмента для алмазной обработки оптических материалов следует учитывать целый ряд факторов: форму круга, его размеры, толщину алмазоносного слоя, зернистость абразива, концентрацию алмазных зерен в связке, а также марку связки. Шлифовальные круги для оптико-механической промышленности регламентированы ГОСТ 17006-71 и ГОСТ 17007-71. Наиболее распространены кольцевые (АК) и плоские (АП, АПВ) алмазные круги. Также могут быть использованы тарельчатые круги с различным углом образующей [50].

Основные характеристики алмазного инструмента для шлифования неметаллических материалов включают в себя: форму и размер инструмента, зернистость алмазного порошка, связку и ее механические свойства [51]. Зернистость алмазного порошка определяет производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности [51,52]. Для предварительного и тонкого шлифования используется алмазный порошок до 20 мкм. Для шлифования неметаллических материалов используют круги на органической, керамической и органической связке. Не существует точных рекомендаций по выбору связок, для обработки каждого материала, свойства связок подбираются экспериментально. Широко распространено также применение алмазного инструмента, изготовленного с применением гальваностегии или гальванопластики.

Для обеспечения условий шлифования с преимущественным механизмом пластичного деформирования обрабатываемого материала режущая вершина алмазного зерна должна иметь радиус величиной не более 0,5 мкм [8, 27]. Кроме того, свойства связки шлифовального круга могут влиять на трение в зоне

резания и температуру. Вследствие этого можно сделать вывод, что для шлифования оптических поверхностей элементов приборов необходимо использовать алмазные круги с зернистостью алмазного порошка менее 5 мкм. Кроме того, необходимо проанализировать влияние свойств связки на толщину срезаемого слоя на единичное зерно при шлифовании и трение в зоне резания, а также провести экспериментальные исследования по алмазному шлифованию кругами на различных связках.

Анализ современного отечественного рынка абразивного инструмента выявил, что производством абразивного инструмента занимаются Научно-производственное объединение "Оптика", ОАО «АлмазИнструмент», НПК «Абразивы и шлифование», ООО НПК «Электрокристалл» и др. Однако, отсутствует серийное производство алмазного инструмента с зернистостью абразива менее 8 мкм.

Таким образом, для обработки оптических поверхностей элементов приборов с обеспечением возможности шлифования по механизму пластического деформирования и достижения шероховатости Ка 10 нм и глубины трещиноватого слоя менее 50 нм необходимо разработать специальные алмазные круги зернистостью менее 5 мкм на различных связках, которые обеспечат необходимую кинематику резания и требуемое качество обработки.

1.6. Состояние вопроса по моделированию процесса алмазного

шлифования

Для снижения трудоемкости экспериментальных исследований и выявления общих закономерностей проводят моделирование процесса резания. Основная особенность моделирования процесса алмазного шлифования состоит в том, что режущая кромка не определена, процесс резания производится одновременно большим количеством режущих зерен, каждое из которых имеет свою геометрию. В разное время такими учеными как Островский В.И. [53], Попов С.А., Малевский Н.П. [54], Резников А.Н. [55] были разработаны модели алмазного шлифования, которые учитывали особенности формы алмазных зерен, закономерности их расположения на поверхности режущего инструмента,

силовые и температурные факторы. Однако разработанные модели были ориентированы на обработку металлических материалов и инструментальных твердых сплавов.

При алмазном шлифовании оптических материалов процессы резания отличаются от процессов при шлифовании металла. Поскольку обрабатывается хрупкий материал, необходимо подробно рассматривать процесс трещинообразования и факторы, которые его вызывают. Процесс трещинообразования проанализирован в разделе теории разрушения сопротивления материалов [8, 23-25], но рассмотренные зависимости носят общий характер и не адаптированы к условиям алмазного шлифования. В работах Калафатовой Л.П. [56-59], Липатовой Л.П. [60] приведены экспериментальные зависимости сил резания и качества обработанной поверхности от режимных параметров процесса для алмазного шлифования оптических материалов кругами с зернистостью от 250 до 60 мкм. Также даны оценки глубины трещиноватого слоя, но не получены зависимости, описывающие взаимосвязь данного параметра с режимами резания и процессами разрушения материала.

Таким образом, не существует полной, с возможностью использования для прикладных расчетов, модели алмазного шлифования изотропных оптических материалов, которая анализирует работу единичного алмазного зерна, работу круга в целом, а также по которой можно рассчитать шероховатость обработанной поверхности и глубину трещиноватого слоя. Все полученные данные по этому вопросу базируются на частных экспериментальных сведениях, что затрудняет их применение в условиях современного производства.

1.7. Методы метрологического контроля параметров качества оптической

поверхности

Существуют различные подходы к оценке глубины трещиноватого слоя образца, обработанного алмазным шлифованием. Для измерения величины нарушенного слоя известны различные методы неразрушающего и

разрушающего контроля [61]. Некоторые неразрушающие методы исследования, как например ультразвуковое измерение с использованием волн Рэлея, хорошо показывают себя в исследовании трещин значительных размеров, однако наиболее точные результаты при контроле трещин микронного и субмикронного размеров дают разрушающие методы контроля, основанные на тонком полировании или травлении поверхности:

- метод плоскопараллельных (косых) сечений с подтравливанием состоит в последовательном удалении частей нарушенного слоя, химическом травлении оставшегося материала и визуальном контроле следов трещин;

- метод циклического травления основан на различии в скоростях травления поверхностного нарушенного слоя и объема материала и заключается в точном определении объема стравленного материала за определенный промежуток времени [62];

- метод микротвердости основан на разнице величины микротвердости нарушенного слоя и объема материала и заключается в послойном химическом стравливании приповерхностных слоев материала и измерении микротвердости оставшейся части пластины [62];

- метод инфракрасной микроскопии основан на различном поглощении излучения ИК-диапазона пластинами с разной глубиной нарушенного слоя [63];

- электронографический метод определения глубины нарушенного слоя основан на приготовлении косого шлифа и сканировании электронным лучом по шлифу от поверхности монокристалла до той точки, начиная с которой дифракционная картина не меняется, с последующим замером пройденного расстояния.

Все перечисленные методы являются либо косвенными, либо предназначены для контроля глубины трещиноватого слоя микрометрического уровня. Кроме того, некоторые методы предварительной обработки для измерения глубины трещиноватого слоя - травление, полирование - вносят в поверхностный слой дополнительные повреждения и искажают картину измерений. Современный уровень измерительного оборудования позволяет

проводить последовательное удаление нарушенного слоя и визуальную регистрацию картины трещин при помощи ионно-лучевого травления и электронной микроскопии [64-65]. Выполнение ступенчатых или косых сечений посредством ионно-лучевого травления не вносит изменение в нарушенный слой и позволяет определять глубину трещиноватого слоя с разрешением до 2 нм.

Однако, до сих пор не разработана методика измерения глубины трещиноватого слоя для оптических изотропных материалов, обработанных посредством шлифования или полирования. Это объясняется тем, что ранее процесс измерения глубины трещиноватого слоя носил скорее оценочный характер, поскольку его размер доходил до десятков микрометров.

Для измерения глубины трещиноватого слоя оптических поверхностей, обработанных методом алмазного шлифования по механизму пластического деформирования, необходимо разработать методику контроля посредством применения ионно-лучевого травления, которая позволит измерить глубину трещиноватого слоя глубиной менее 100 нм с погрешностью ±10 нм.

1.8. Выводы по Главе 1

1. Основными параметрами, определяющими качество оптической поверхности, являются шероховатость и глубина трещиноватого слоя, которые определяют эффективность и точность работы прибора в целом.

2. Традиционная технология механической обработки оптических поверхностей подложек диэлектрических зеркал имеет существенные недостатки - высокую трудоемкость (более 12 часов) и характеризуется глубиной трещиноватого слоя обработанной поверхности 500 нм и более.

3. Установлено, что до достижения критической нагрузки и толщины срезаемого слоя на зерно, взаимодействие зерна с материалом происходит по механизму пластического деформирования. Эти условия обеспечивают минимальную шероховатость и глубину трещиноватого слоя. Превышение критической нагрузки на зерно приводит к переходу от механизма пластического к механизму хрупкого разрушения материала со значительным увеличением глубины трещиноватого слоя.

4. Для определения режимов обработки изотропных оптических материалов с минимальной глубиной трещиноватого слоя необходимо разработать модель процесса алмазного шлифования, связывающую выходные показатели - силы резания, шероховатость и глубину трещиноватого слоя - с режимами резания, параметрами поверхности алмазоносного слоя круга и свойствами обрабатываемого материала.

5. Экспериментальные исследования по алмазному шлифованию оптических материалов в диапазоне нанометровых толщин среза на единичное зерно могут быть реализованы на сверхточном экспериментальном стенде. Для внедрения технологии алмазного шлифования изотропных оптических поверхностей с минимальной глубиной трещиноватого слоя необходимо разработать и создать сверхточный станок.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Моделирование формы алмазного зерна

Зерна синтетических алмазов и других сверхтвердых материалов не имеют строгой формы [55]. Предпринимались попытки классифицировать формы зерен в зависимости от способа их получения [23].

Профиль алмазных зерен состоит из множества больших и малых неровностей и носит случайный характер [66,67]. Различными исследователями предпринимались попытки приближенно представить форму алмазного зерна в качестве сферы, шара [53,67-69], эллипсоида вращения с постоянным соотношением полуосей [53,54], а также с помощью цилиндра, призмы, конуса (с острой или округлой вершиной), пирамиды с определенным углом при вершине или параболоидом вращения [54]. Необходимо более подробно рассмотреть содержание подобных аппроксимаций.

Практически все исследования в данной области указывают на то, что зерна, как природных, так и синтетических алмазов имеют вытянутую форму [30,55,67,70]. Размер зерна по ГОСТ 9206-70 определяют, как полусумму длины и ширины прямоугольника, условно описанного вокруг проекции зерна таким образом, чтобы большая сторона прямоугольника соответствовала большей величине проекции зерна [67]. Аналогичный подход принят и за рубежом - для определения параметров зерна рассматривают его проекцию, находят его максимальный и минимальный размеры [30].

Для создания модели поверхности алмазного шлифовального круга, которая включает в себя расчет числа зерен в объеме алмазоносного слоя и числа работающих зерен на поверхности инструмента, необходимо рассматривать макрогеометрию зерна. Для этих расчётов приемлема аппроксимация формы зерен в виде эллипсоида [53,55,67], сферы [53,69] или в виде «сплошного шара

определенного радиуса, содержащего в среднем величину массы абразивного материала» [68], на основе данных об основных размерах зерна.

В то же время, для рассмотрения процессов микрорезания единичным зерном необходимо рассматривать геометрию не зерна в целом, а его режущего выступа [67]. Как правило, один из этих микровыступов, расположенных на поверхности алмазного зерна, участвует в работе [67,71].

Таким образом, для моделирования поверхности шлифовального круга зерно размером более 10 мкм представляем в виде эллипсоида вращения с постоянным соотношением осей а и Ь (коэффициент, показывающий размерное отношение осей а~0,6) (Рис. 2.1, а) [55,67]. С уменьшением зернистости отношение полуосей эллипсоида стремится к единице [68]. Зерно размером менее 10 мкм представляем в виде сферы (Рис. 2.1, б).

а) б)

Рис.2.1. Форма алмазного шлифовального зерна: а) зерно размером более 10 мкм; б) зерно размером менее 10 мкм

Для расчета сил резания необходимо рассматривать лишь режущий выступ элемента в виде конуса, имеющего радиус округления р и угол заострения у [68,70,72]. Радиус округления и угол при вершине зерна оказывают влияние на диспергирование обрабатываемого материала, величину

действующих сил, износ абразивного зерна и на шероховатость обработанной поверхности [73].

Радиус округления микровыступов связан с размером зерна корреляционной связью:

Р = сх, (2.1)

где х = 0,5 •(a + Ь), c ~ 0,07 - 0,12 [72,75]. Угол заострения при вершине алмазных зерен у составляет 80-85° [68,72].

2.2. Моделирование процесса резания единичным алмазным зерном

При обработке оптических изотропных материалов в зависимости от толщины срезаемого слоя обрабатываемый материал может вести себя по-разному. Рассмотрим два варианта взаимодействия изотропного оптического материала при контакте с режущей вершиной алмазного зерна: пластическое деформирование и хрупкое разрушение.

Иллюстрация работы режущего выступа алмазного зерна в случае пластичного деформирования материала показана на Рис. 2.2. В обрабатываемом материале непосредственно в зоне контакта алмазного зерна и обрабатываемого материала образуется пластически деформируемая зона (при этом условно алмазное зерно считается коническим индентором с малым радиусом округления) [7,22]. В этом варианте моделирование сил резания сводится к определению давления обрабатываемого материала на переднюю поверхность зерна и сил трения поверхности зерна о поверхность материала.

Таким образом, составляющие силы резания, действующие на единичное зерно, в случае пластичного деформирования материла равны:

^ = а-в Лп ( ах ) + М°-в Лп ( ^ ), (2.2)

Fztp =а-в4 (az), (2.3)

где Лп (а2 ), Л1 (а2 ) - проекции площади режущей части выступа зерна;

а-в - предел прочности при сжатии.

Рис. 2.2. Схема взаимодействия режущего выступа алмазного зерна и оптического изотропного материала при пластическом деформировании

Иллюстрация работы алмазного зерна при хрупком разрушении приведена на Рис. 2.3. При этом варианте под зоной контакта зерна и материала образуются трещины, часть из которых распространяется в подповерхностном слое - медианные трещины длиной Ст, а часть выходит на обрабатываемую

поверхность - боковые трещины длиной С.

При хрупком разрушении одновременно протекают процессы пластического деформирования и хрупкого скалывания обрабатываемого материала за счет образования трещин [7,41]. В этом случае силы резания представляют собой сумму давления обрабатываемого материала на переднюю поверхность зерна, сил трения зерна о поверхность материала и сил трещинообразования:

^ = 1пС1г, + 2^ + 4 (^) + А (), (2.4)

= 4С1У* + °-вАп(а2) , (2.5)

где у5 - эффективная поверхностная энергия обрабатываемого материала.

Рис. 2.3. Схема взаимодействия режущего выступа алмазного зерна и оптического изотропного материала при хрупком разрушении

Силы трещинообразования представляют собой произведение периметра проекции контура образовавшихся трещин на эффективную поверхностную энергию. При расчете величины периметра проекции контура трещин необходимо учитывать, что каждая трещина образована двумя поверхностями, следовательно, длина каждой из ее сторон должна быть двукратно увеличена при расчетах.

Активный рост величины трещин происходит при выполнении условия «хрупко-пластичного» перехода. Смысл условия в том, что, если нормальная сила, действующая на единичное зерно при шлифовании, превышает критическое значение, определяемое свойствами материала - выражение (1.4), то имеет место хрупкое разрушение материала. Значение критической силы определяется также критической толщиной срезаемого слоя на единичное зерно . Тогда хрупкое разрушение материала определяется условием -

а2 > а21 , а пластичное деформирование - а2 < а21 . .

Микротрещины, которые присутствуют даже при пластичном деформировании материала, но не учитываются ввиду малых размеров, начинают «страгиваться» и резко увеличиваться в размерах, что приводит к скалыванию материала. При пластичном деформировании считаем, что длина медианной трещины определяется по выражению (1.5).

Для верификации моделирования взаимодействия алмазного зерна и материала при пластичном деформировании и хрупком разрушении были проведены предварительные эксперименты по наноцарапанию.

Наноцарапание (скретч-тест) представляет собой наномеханическое испытание, осуществляемое путем царапания поверхности образца алмазным или карбид-вольфрамовым зондом с возрастающим усилием вплоть до разрушения материала образца.

При проведении экспериментов использовался высокопрецизионный нанотвердомер Nanovea. Царапание осуществлялось на круглых пластинах кварцевого стекла шариковым индентором радиусом 100 мкм.

Для проведения эксперимента образец наклеивался на подложку. Затем на поверхности образца наносилась царапина длиной 3 мм. При этом сила вдавливания индентора изменялась линейно от 0 до 10 Н, а глубина вдавливания - также линейно от 0 до 0,07 мм. Скорость царапания составляла 3 мм/мин.

Затем при помощи оптического микроскопа были выполнены фотографии царапин. На Рис. 2.4 представлен типовой вид царапины.

Из полученных фотографий видно, что на начальных стадиях нагружения индентор оставляет след на поверхности пластины, но трещины отсутствуют.

Изучение профиля царапины осуществлялось с использованием системы NanoFocus

а)

б) в)

Рис. 2.4. Фотографии царапины, выполненной на пластине из кварцевого стекла: а) масштаб (20:1); б) начало зоны хрупкого разрушения -масштаб (300:1); в) зона хрупкого разрушения - масштаб (300:1)

На Рис. 2.5 представлена профилограмма царапины. Видно, что по мере приближения к концу царапины, т.е. с ростом силы внедрения и глубины проникновения индентора в материал образца, поврежденность поверхностного слоя образца возрастает.

Проведенные измерения позволили визуально определить границу «хрупко-пластического» перехода и оценить усилие внедрения, при котором возникает этот переход.

С учетом условия «хрупко-пластичного» перехода составляющие силы резания, действующие на единичное алмазное зерно, равны:

^ =

2кгИ '

-п

С- в Л ( а2 ) + Св А ( а2 ) > а2 ^

2яСьу8 + 2Сту8 + СГ-вА (аг) + в4 (аг), аг > С-в Ап (а2) + МС-в Ап (az) > az ^ 4 Сьу5 + С- в Ап (^) + С в Ап (^)> ^ >

а

zkrit'

а

(2.6)

(2.7)

Необходимо отметить, что в формулах (2.6), (2.7) не учтен износ алмазного зерна, влияние которого рассмотрено ниже.

■13 00 |МШ1

оо

15 00 4400

БРА

«.00

ч.

я,.

к ......

г V.

'1

— РгаПк

0 50 рт

00 1&0 0 Р 5га О 660 0

№т1

Рис. 2.5. Профилограмма поверхности царапины, выполненной на пластине из кварцевого стекла: по оси абсцисс - горизонтальное перемещение индентора, мкм; по оси ординат - профиль царапины, мкм

2.3. Влияние износа алмазного зерна и свойств связки алмазоносного

слоя на процесс резания

Изнашивание шлифовальных кругов можно представить следующими механизмами:

а) микроразрушение зерен:

- механическое истирание вершин режущих кромок зерен при адгезионном и диффузионном взаимодействии поверхности кристаллов алмаза с обрабатываемым материалом - происходит с появлением на зернах плоских площадок износа [54, 72, 73];

- микровыкрашивание рабочей поверхности зерен - поверхность зерна остается шероховатой, единой площадки износа нет [73], на изношенной поверхности зерна появляются риски, параллельные скорости резания [54]. Также данный износ называют абразивным [54].

б) макроразрушение зерен:

- выкрашивание (скалывания) частиц алмазных зерен под действием силовых нагрузок или (и) циклического чередования их быстрого нагрева и охлаждения, создающего термоудары [71];

- раскалывание алмазных зерен под действием ударов - часто встречается при обработке кругами на бакелитовой связке [73].

в) полное разрушение алмазоносного слоя:

- вырыв алмазных зерен из связки, возникающих в том случае, когда глубина заделки зерна оказывается меньше критической [73].

г) изнашивание связки:

- износ связки - приводит к вырыву зерен из связки [72,73];

- засаливание алмазоносного слоя - процесс переноса на рабочую поверхность алмазного инструмента частиц шлама в процессе обработки (ГОСТ 21445). Однако следует иметь в виду, что частицы шлама способны проникнуть и удержаться в пространстве между алмазными зернами и в порах круга (шлам - это отходы шлифования, состоящие из частиц абразива, связки и шлифовальной стружки) [71];

- глубинное вырывание вследствие схватывания связки с обрабатываемым материалом - чаще всего результат засаливания [73].

Также выделяют окислительный износ - окисление зерен кислородом воздуха и их графитизация при высокой температуре [71,75].

В зависимости от того, какой из процессов износа преобладает, абразивный инструмент работает в режиме преобладающего затупления, либо затупления, сопровождаемого «засаливанием», или самозатачивания [72]. Также выделяют смешанный режим - с частичным затуплением и частичным самозатачиванием [73]. Режимы затупления и «засаливания» сопровождаются небольшими изменениями размеров инструмента (незначительным размерным износом), но приводят к быстрому ухудшению его режущих свойств и, как следствие, частой правке [72].

Основным механизмом изнашивания кругов из сверхтвердых материалов является хрупкое разрушение алмазных зерен и вырывание из связки целых зерен. Если алмазные зерна недостаточно прочно удерживаются связкой, то они вырываются прежде, чем успевают затупиться [71]. Такой вид износа алмазных кругов характерен при органических связках и повышенных режимах обработки [69].

На операциях окончательного шлифования, в т. ч. оптических изотропных материалов, необходимо создавать условия и режимы, обеспечивающие работу круга в режиме преимущественного затупления или частичного самозатачивания, когда обеспечивается его незначительный размерный износ [71]. Для этого необходимо использовать шлифовальные круги с природными алмазными зернами, обладающие большой износостойкостью по сравнению с синтетическими [70].

Износ алмазного зерна в первую очередь вызван трением зерна об обрабатываемый материал, при этом работа силы трения равна [77]:

= М^ р1п («г > Кп ) , (2 8)

где Ьг - путь резания алмазного зерна, а нормальная составляющая силы зависит от толщины срезаемого слоя и износа режущей вершины зерна.

Работа силы трения зерна об обрабатываемый материал расходуется на износ алмазного зерна и на выделение теплоты. При этом энергия, затраченная на износ алмазного зерна, может быть записана как [77,78]:

_ 2 у

От • КТ, (2.9)

где сг2 и Е2 - прочность и модуль упругости алмазного зерна;

КТ - коэффициент, учитывающий долю энергии, затраченной на износ алмазного зерна, от работы силы трения.

Объем изношенной части зерна в случае < р нужно рассматривать как сегмент сферы радиусом р и высотой (Рис.2.6):

21 1

V 3

(2.10)

Если считать, что работа силы трения расходуется на изнашивание алмазного зерна и на нагревание зерна, то, приравнивая выражения (2.8) и (2.9), а также подставляя (2.10), получаем:

Г ~ 1 -Л

па„

Ъ12П Р- 1 Кп ■ КТ = ИЕ212Е2п (а2> Ъ12П ) .

1 3

Пренебрегая -Ъ2Г1 , как малым слагаемым, получаем выражение для

расчета величины износа режущей вершины алмазного зерна:

Ъ2П

\

ИЕ2Е2Е2п ( а2>\2П )

Па2 2Р

• Кт.

(2.11)

Износ режущей вершины алмазного зерна влияет, прежде всего, на площадь контакта зерна и обрабатываемого материала, следовательно, он влияет на силы резания и, кроме того, на глубину трещиноватого слоя [79].

Рис. 2.6. Схема расчета объема изношенной части режущего выступа

алмазного зерна

С учетом того, что величина проекций площадей режущего выступа алмазного зерна зависит от величины износа, составляющие силы резания единичным зерном запишутся аналогично выражениям (2.6) и (2.7), но при этом равны:

2

^ =

р = 2п

, (2.12)

(2.13)

с-в А ( «г. Кп ) + Св А ( «г ' ^¡гп )' «г — «г^^ ; 2жСьу8 + 2Сту8 + в ( «г, ) + с в А ( «г > иип ). «г > «1Ш

с- в Ап ( «г, ) + в Ап ( «г, ), «г — «г^^ ' 4СЬГ5 + с-в Ап («г > к1гп ) + Св Ап («г > к1гп ) > «г > «гШ ^

Как было отмечено выше, в процессе резания единичное зерно может вырываться из связки под действием усилий резания. Условие, исключающее вырывание зерна из связки с учетом ее прочности и глубины заделки зерна (условие прочности связки), можно записать в виде [23,24,80]:

> ^ , (2.14)

где суммарная сила резания равна ^ = ф с$у - прочность связки при изгибе;

2 + р 2 ,Г2П + ^

А$у - площадь контакта алмазного зерна и связки.

Поскольку в процессе резания зерно вдавливается в связку перпендикулярно к направлению скорости резания под действием нормальной составляющей силы резания р , а также давит на связку боковой поверхностью

по направлению скорости резания под действием тангенциальной составляющей силы р , условие (2.14) необходимо записать для каждой из составляющих

суммарной силы резания в отдельности:

°svAsvn > \ , (2.15)

> . (2.16)

Кроме того, зерно не может воспринимать усилия больше, чем допускает

предел прочности. Условие прочности алмазного зерна можно записать в виде:

а2А2 > р , (2.17)

где с2 - прочность алмазного зерна на изгиб;

А2 - площадь контакта алмазного зерна и обрабатываемого материала. Аналогичным образом, поскольку с обрабатываемым материалом взаимодействует как боковая сторона режущего выступа зерна, так и его

изношенная часть - площадка износа, для проекций сил резания условие (2.17) можно записать:

а2Ап(*2\, (2.18)

а2Аг («2 ^ . (2.19)

2

Схемы для расчета проекций площади режущего выступа алмазного зерна и взаимодействия зерна и связки в зависимости от толщины срезаемого

слоя и износа приведены: и - в Приложении П.2 (Рис. П.2); Ап(а2),

А1 (а2) - в Приложении П.3 (Рис. П.3 - П.5).

На Рис. 2.7 приведены графики зависимости нормальных сил резания единичным зерном от толщины срезаемого слоя при обработке ситалла марки СО115М при износе зерна равном 0, 300 и 630 нм, рассчитанные по выражениям (2.12) и (2.13) с учетом условий прочности связки и алмазного зерна (2.15), (2.16) и (2.18), (2.19). Графики демонстрируют работу единичного зерна и изменения условий резания при его износе.

В Таблице 5 приведены условия расчета для графиков на Рис. 2.7.

Таблица 5.

Условия расчета для графиков зависимости сил резания единичным зерном

от толщины срезаемого слоя

Коэффициент, учитывающий заделку зерна в связку £ 0,5

Средний диаметр алмазного зерна х, мкм 8

Угол при режущей вершине зерна у, град 85

Прочность обрабатываемого материала при сжатии а-в, ГПа 8,8

Модуль упругости обрабатываемого материала Е, ГПа 93

Коэффициент трещиностойкости обрабатываемого материала Кс, МПа*м1/2 0,7

Эффективная поверхностная энергия у,, Н/м 0,5

Коэффициент трения между зерном и материалом л 0,1

Максимальная толщина срезаемого слоя алмазным зерном а , нм 2тах 48

Критическая толщина срезаемого слоя единичным зерном а , нм 25

Коэффициент, показывающий размерное отношение осей зерна а 1,0

Таблица 5 - продолжение

Ширина алмазоносного слоя В, м 0,01

Прочность связки при изгибе <с$у, МПа 90

Модуль упругости связки Езу, ГПа 8

Прочность на сжатие алмазного зерна а2, ГПа 100

Модуль упругости алмазного зерна е2, ГПа 1246

На Рис. 2.7, а приведен график зависимости нормальной составляющей силы резания единичным зерном размером 8 мкм от толщины срезаемого слоя для ситалла марки СО115М, рассчитанной по выражению (2.12) с износом зерна Ь^2п = 630 нм, иллюстрирующий условие «хрупко-пластичного» перехода.

Нормальная составляющая силы увеличивается с ростом толщины срезаемого слоя и достигает критического значения по выражению (1.4) - 19 мН. Пластический характер взаимодействия заменяется хрупким разрушением материала, происходит скачок нормальной составляющей силы, связанный с появлением сил трещинообразования. Для кварцевого стекла критическое значение нормальной силы по выражению (1.4) - 5 мН.

На Рис. 2.7, б приведены графики: 1 - нормальная составляющая силы резания, рассчитанная по формуле (2.12) при износе зерна Щ2п = 0 нм.

Составляющая силы резания в данном случае не достигает своего критического значения Р^, разрушение материала происходит по пластичному механизму; 2 - ограничение по прочности связки, рассчитанное по формуле (2.15); 3 -ограничение по прочности зерна, рассчитанное по формуле (2.18).

На Рис. 2.7, в приведены графики зависимости нормальной составляющей силы резания единичным зерном с различным износом при пластическом характере взаимодействия: 1 - }ц2п = 0 нм; 2 - Щ2п = 100 нм; 3 - Рц2п = 200 нм; 4 -Рц2п = 300 нм. График 5 выражает ограничение по прочности связки круга. Из графиков следует, что при износе зерна более 200 нм под действием нормальной составляющей силы происходит разрушение связки круга, что приводит к выпадению зерен из связки.

Н

0,023 0,022 0,021 0,02 0,019 0,018

0

Н 0,015

0,01

0,005

0

0

(0,015 0,012 0,009 0,006 0,003 0

0

8

16

24

32

а)

2

3

8

16

24

32

б)

2

3

■4

8

16

24

32

в)

40

40

40

48

а, нм

48

а,, нм

•5

48

а,, нм

Рис. 2.7. Нормальная составляющая силы резания ситалла единичным алмазным зерном в зависимости от толщины срезаемого слоя: а) Ь^2п = 630 нм; б) 1 -Ъц2п =0 нм; 2 - ограничение по прочности связки; 3 - ограничение по прочности зерна; в) 1 - Ъц2п =0 нм; 2 - Ц2п = 100 нм; 3 - Ъц2п = 200 нм; 4 - Ъц2п = 300 нм; 5 - ограничение по прочности связки

1

1

Анализ выражений (2.15) и (2.18) показывает, что для обработки оптических поверхностей алмазным шлифованием должны быть обеспечены следующие условия работы зерна: соблюдение условия прочности связки круга; соблюдение условия прочности зерна; преимущественное затупление зерна, когда обеспечивается его незначительный размерный износ, и работа зерна при пластичном разрушении обрабатываемого материала. При работе зерен размерами менее 8 мкм, стойкость режущего инструмента ограничивает, в первую очередь, условие прочности связки круга.

При расчетах использованы механические характеристики связок шлифовальных кругов, заимствованные из литературных источников [73,74], и приведенные в Таблице 6.

Таблица 6.

Механические характеристики связок

Связка

Многослойное

Параметр Бакелитовая Металлическая композиционное

Б1 М5 электролитическое покрытие

Предел прочности при изгибе , МПа 70-90 153 160

Коэффициент трения (образец связки - 0,21 0,3 0,2

ситалл) ¡и8у

Модуль упругости ,103 МПа 4 - 10 110 190

Коэффициенты трения в Таблице 6 приведены с учетом использования смазочно-охлаждающей жидкости.

2.4. Моделирование поверхности алмазного шлифовального круга