Повышение производительности и качества обработки кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Липатова, Анна Борисовна

• Липатова, Анна Борисовна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Липатова, Анна Борисовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов.

1.2. Технические требования и особенности, предъявляемые к изготовлению пьезокварцевых пластин.

1.3. Состояние серийной технологии механической обработки кварцевых пластин.

1.4. Анализ опубликованных исследований по качеству поверхности и механической обработке пластин из хрупких ^ неметаллических материалов.

1.5. Существующие методы по выбору оптимальных характеристик инструмента и режимов обработки пластин из ^ хрупких неметаллических материалов.

1.6. Выводы. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО

АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ХРУПКИХ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Параметры процесса плоского алмазного шлифования.

2.2. Кинематика движения алмазного зерна.

2.3. Моделирование и фазы работы единичного зерна.

2.4. Моделирование работы группы зёрен.

2.5. Условия диспергирования поверхности ^ хрупких неметаллических материалов. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДА ОБРАБОТКИ И

ХАРАКТЕРИСТИК АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

3.1. Особенности шлифования кварца алмазными кругами и алмазно-абразивными суспензиями.

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований

3.3. Влияние вида алмазно-абразивной обработки на шероховатость поверхности кварцевых пластин.

3.4. Исследование нарушенного слоя на пластинах при алмазном шлифовании суспензиями и кругами.

3.5. Влияние режимов шлифования кварцевых пластин алмазными кругами на глубину нарушенного слоя.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИК АЛМАЗНЫХ КРУГОВ ПРИ ШЛИФОВАНИИ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

ГЛАВА 5. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПЛАСТИН.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Методика экспериментальных исследований.

4.3. Исследование характеристик рельефа режущей поверхности алмазных кругов.

4.4. Исследование влияния изменений характеристик режущей поверхности алмазных кругов на их работоспособность и ^^ шероховатость обрабатываемой поверхности.

4.5. Выводы.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Параметрическая оптимизация режимов алмазного шлифования кварца.

5.3. Алгоритм и методика выбора характеристик инструмента и режимов алмазного шлифования.

5.4. Эффективность шлифования кристаллографически ориенти- ^^ рованных пластин алмазными кругами.

5.5. Технико-экономическая эффективность

5.6. Выводы 173 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 175 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 178 ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение производительности и качества обработки кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами»

В машиностроении, приборостроении и радиоэлектронике, в оптической, часовой и ювелирной промышленностях, в строительстве и быту широкое применение находят конструкционные хрупкие неметаллические материалы - кварц, стекло, керамика, ферриты, ситаллы драгоценные и полудрагоценные камни, граниты и мрамор. Эти материалы отличаются высокой твёрдостью, прочностью, износостойкостью, повышенной хрупкостью и, как следствие, сложностью обработки. Особое место в ряду прецизионных деталей из хрупких неметаллических материалов занимают кристаллографически ориентированные элементы (пластины), изготавливаемые из монокристаллов. Точная ориентация кристаллических пластин относительно кристаллографических осей имеет определяющее значение для производства пьезоэлектрических резонаторов и фильтров, полупроводниковых приборов, твердотельных лазеров, изделий оптоэлектроники и ряда других компонентов электронной техники. Для этих целей используют пластины из монокристаллов кварца, танталата и ниобата лития, кремния, германия, сапфира и др.

Наиболее массовое применение находят пьезокварцевые резонаторы и г" фильтры для стабилизации и фильтрации радиочастот в средствах связи, радиолокации, службы точного времени и др. Прогресс в области разработки устройств для частотной стабилизации требует развития серийного производства высокостабильных и высокодобротных кварцевых резонаторов. Основным элементом кварцевого резонатора является кварцевая пластина. Кварцевые пластины в зависимости от электрических параметров резонаторов отличаются по форме, виду колебаний, углу среза и точности ориентации относительно кристаллографических осей, геометрической точности и качеству обработанной поверхности. Операции механической обработки кварцевых пластин - резка и шлифование имеют большое значение, так как определяют электрические параметры кварцевых резонаторов. Существующий уровень технологии механической обработки кварцевых пластин, основанный на старых методах оптической технологии, не обеспечивает в полной мере всё возрастающих требований к точности, добротности и стабильности резонаторов. Стабильность частоты кварцевого резонатора при изменении температуры окружающей среды зависит от углов ориентации кварцевой пластины относительно кристаллографических осей. Операции исправления угла среза, устранение клиновидности -обеспечивающие получение заданной ориентировки пластин, даже сегодня, выполняется в ряде случаев вручную и целиком зависит от квалификации рабочего.

Одним из путей механизации и автоматизации обработки кварцевых пластин на операции исправления угла среза и устранение клина является применение шлифования кварцевых пластин на плоскошлифовальных станках алмазными кругами. Имеющиеся работы по шлифованию кристаллографически ориентированных пластин алмазными кругами не дают однозначного ответа об условиях эффективного их применению. Основными направлениями данной работы являются:

• исследование качества поверхности кварцевых пластин при шлифовании алмазными кругами;

• выбор оптимальных режимов шлифования и характеристик алмазных кругов для шлифования кварцевых пластин;

• разработка технологических рекомендаций по шлифованию кварцевых пластин алмазными кругами.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Липатова, Анна Борисовна

Общие выводы и результаты

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены технические и технологические решения, заключающиеся в выборе для обработки поверхностей кристаллографически ориентированных кварцевых пластин шлифования алмазными кругами вместо трудоёмкой и нестабильной обработки вручную суспензиями из карбида кремния, выборе рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов шлифования и разработке специального устройства с ЧПУ для исправления угла среза партии пластин с разными поправками по углу среза. Установлено, что с использованием вышеуказанных решений достигнуто повышение производительности обработки в 1,5 раза, требуемой точности и стабильности обрабатываемых пластин, при снижении расходов на инструмент в 2,5 раза и обеспечении требуемого качества обрабатываемой поверхности.

2. Выявлены качественные закономерности механизма хрупкого разрушения (диспергирования) поверхности обрабатываемого материала в зависимости от силы резания. При этом для обеспечения диспергирования поверхности детали напряжения, создаваемые под действием этой силы алмазными рабочими зернами в обрабатываемом материале, должны превышать предел прочности хрупкого разрушения материала.

3. Сформулированы условия н получены результаты, подтверждающие получение в условиях плоского шлифования алмазными кругами меньшей глубины нарушенного слоя кварцевых пластин по сравнению со шлифованием суспензиями на основе карбида кремния зелёного тон же зернистости. Определено, что глубина нарушенного слоя кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами в среднем в 2 раза меньше, чем глубина нарушенного слоя, полученная на пластинах, шлифованных суспензиями той же зернистости, шероховатость поверхности соответственно в 5-8 раз меньше.

4. Получена математическая модель процесса алмазного шлифования деталей из хрупких неметаллических материалов, устанавливающая взаимосвязи сил резания и производительности обработки от режимов алмазного шлифования, которая позволяет поставить и решить оптимизационную задачу получения максимальной производительности. Диапазон изменения сил резания выбирается из условия обеспечения процесса диспергирования поверхности ( РУгкп ) и поддержания стабильности режущих свойств круга (самозатачиваемости) ( РУат ).

5. Шероховатость поверхности и глубина нарушенного слоя кварцевых пластин, шлифованных алмазными кругами, в исследуемом диапазоне не зависит от давления и скорости относительного движения инструмента, а определяется зернистостью алмазного круга, видом связки и сортом алмаза.

6. Получены и исследованы регрессионные модели, описывающие зависимость высоты микронеровностей и глубины нарушенного слоя кварцевых пластин от вида обработки и зернистости алмазно-абразивных инструментов. Полученные соотношения могут быть использованы при установлении межоперационных припусков.

7. Исследования проведённые с использованием метода профилографирования абразивной поверхности и ЭВМ, показали, что геометрия рельефа режущей поверхности является основным параметром алмазного круга, определяющим его работоспособность и качество обрабатываемой поверхности. Получены регрессионные модели зависимости коэффициента режущей способности кругов и шероховатости обрабатываемой поверхности от относительной эффективности контактной поверхности профилей исследуемых кругов.

8. Получена с применением корреляционных функций математическая модель рельефа режущей поверхности кругов и шероховатости обрабатываемой ими поверхности.

9. Разработан алгоритм выбора рациональных характеристик алмазных кругов и оптимальных режимов обработки по заданным показателям качества обработанной поверхности при стабильном ходе процесса диспергирования неметаллических материалов.

10. Для обеспечения большей производительности процесса при требуемом качестве поверхности целесообразно применять алмазные круги зернистостью 165/120 — 63/50 на керамической связке К1, т.к. они имеют более развитый профиль режущей поверхности, самозатачиваются и практически не требуют правки.

11. Алгоритм выбора оптимальных характеристик алмазных кругов и режимов обработки реализован в специальной программе Diamond Quartz Grinding для ЭВМ с ОС Windows, разработанной на языке Visual Basic в среде разработки Microsoft Visual Basic 6.0. и может быть использован в учебном процессе.

12. Разработано и запатентовано приспособление для исправления угла среза кристаллографически ориентированных пластин.

178

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Липатова, Анна Борисовна, 2008 год

1. Абразивная и алмазная обработка материала. Справочник./Под. ред. Резникова А. Н. - М. Машиностроение, 1977, 392 с.

2. Алмазная обработка технической керамики. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1976, 160 с.

3. Алейников Д.К. Влияние некоторых физико-механических свойств хрупких материалов на процесс их шлифования. // Теоретическая физика. 1957. №129 - С.27.

4. Альтигулер Д.Ф., Орлов О.М., Травкина С.Д. К вопросу о применении синтетического кварца в производстве пьезоэлектрических резонаторов. // Электронная техника. 1968. №4 - С. 27-37.

5. Андреев В. П., Сабинин Ю. А Основы электропривода. Госэнергоиздат, 1963.

6. Ардамацкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1978. — 232 с.

7. Ахудзянов Х.А. Исследование процесса плоского шлифования стекла абразивным инструментом на металлообрабатывающих станках. Автореф. дисс. канд. тех. наук, 1955.

8. Балыков А. В. Алмазное сверление отверстий в деталях из хрупких неметаллических материалов. — М.: Наука и технология, 2003, — 188 с.

9. Балыков А.В., Липатова А.Б. Качество поверхностного слоя деталей из хрупких неметаллических материалов// Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности. Брянск, 2008. — С.144-145.

10. Балыков А.В., Липатова А.Б. Эффективная обработка хрупких неметаллических материалов. // Вестник МГТУ «СТАНКИН». — М -2008. №2.-С. 14-19.

11. Балыков А.В., Липатова АБ. Обработка деталей из хрупких неметаллических материалов алмазными кругами. // Технология металлов. М №10, 2008. С.44-50

12. Балыков А.В., Липатова А.Б. Влияние рельефа рабочей поверхности кругов на их работоспособность и шероховатость обработанных поверхностей. // Технология металлов. — М. №11,2008.

13. Бертенев Г. М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла. -М.: «Стройиздат», 1974.

14. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968.

15. Бродский Ю.А, Пруслин Г.Ш. Шлифование стекла и ситалла кругами из алмазов различной прочности.//Стекло и керамика.-!968. №11 -С. 13-14.17.