Обработка алмазным инструментом

Обработка алмазным инструментом независимо от выполняемой операции представляет собой процесс хрупкого разрушения стекла, кото­рое происходит в результате царапающего воздействия закрепленных ал­мазных зерен. Когда режущая кромка зерна вступает в контакт со стек­лом, в его поверхностном слое под действием сил, совпадающих с на­правлением подачи и направлением движения инструмента, возникают напряжения. По мере нарастания силы резания, напряжения увеличива­ются, достигают предела прочности стекла и разрушают его (рис. 2). При

этом перед режущей кромкой зерна появляются трещины, направлен­ные в сторону его движения. Про­исходит хрупкое разрушение стек­ла - выкалывание частиц, отделяе­мых от основной массы. При даль­нейшем движении зерно вновь входит в контакт со стеклом, про­цесс нарастания усилий, напряже­ний и разрушения повторяются. Вдоль пути пройденного зерном остается царапина. Взаимное пересечение большого числа царапин, нане­сенных всеми одновременно работающими зернами, приводит к отделе­нию множеств частиц. Образуется шероховатая шлифованная поверх­ность.

На работающее алмазное зерно действует сила Р_р (рис. 3), с кото­рой стекло сопротивляется оказываемому на него разрушающему воздей­ствию. Составляют ее Р_у - осевая сила, направленная в сторону противо­положную усилию прижима зерна к стеклу; Р_д - сила, действующая в плоскости движения зерна по стрелке V₃ и направленная в сторону проти­воположную этому движению; P_z - сила, действующая в плоскости дви­жения зерна по стрелке V_K и направленная в сторону, противоположную

этому движению. Силы Р,, Р, и Р₂ возникают как следствие сопротивле­ния стекла его разрушению, так и в результате трения зерен и связки о поверхность стекла и о продукты его износа. При этом сила Р_у стремится

переместить зерно в мате­риал связки, что, встречая сопротивление последней, вдавливает его в стекло. Сила Р_х и P_z стремятся вы­рвать зерно из связки, соз­давая опрокидывающие моменты на плече, равном высоте его выступающей части /г_вч. Для зернистостей алмаза от 125/100 она про­порциональна максималь­ному размеру зерна основ­ ной фракции и составляет 0,3d₃a- При большей крупности зерна алмаза, из-за возрастающих усилий Р* и Р₂, уровень погружения зерна в связку увеличивается. В отдельных случаях (при распиливании, сверлении и других операциях) одна из тан­генциальных составляющих может отсутствовать.

В процессе работы инструмента режущая кромка зерен притупля­ется, а удерживающая их связка изнашивается. При этом под воздействи­ем возрастающего сопротивления стекла прочность закрепления зерен достигает критического значения, и они могут быть вырваны из связки. Взамен их в работу вступают новые. Происходит самозатачивание инст­румента. Условием самозатачивания является сбалансированный износ зерен с износом связки. Если этот баланс нарушен, то нарушается и ре­жим самозатачивания. Режущая способность инструмента снижается.

1.2. ПОЛИРУЮЩИЕ АБРАЗИВЫ

В качестве полирующих абразивов используют находящиеся в по­рошкообразном состоянии окислы некоторых веществ, в частности:

Крокус - безводная окись железа Ре₂Оз тождественная природному гематиту а-модификации. Получают осаждением солей железа (сульфат­ного, углекислого, щавелевокислого) из раствора и их последующим про­каливанием при 700 - 800° С. Форма зерен изомёпгрическая, средний раз­мер 0,6 - 1,0 мкм. Применение ограничивает низкая, по сравнению с дру­гими порошками, полирующая способность. Используют при полирова­нии деталей, поверхности которых должны удовлетворять первому клас­су чистоты (сетки, шкалы и др.). Концентрация суспензии Т:Ж=1:5 - 1:10.

Полирит оптический - порошок, состоящий в основном из оки­слов редкоземельных металлов. Полирующим веществом является окись Церия СеО₂, содержание которой составляет 50%. Размер зерен основной фракции 1,3-1,4 мкм. Область применения - полирование деталей из хи­мически стойких и химически нестойких стекол, в том числе стекол типа ФФС. Концентрация водной суспензии Т:Ж=1:10.

Порошок ПФ - тонкодисперсный порошок, зерна которого, как и зерна полирита оптического, представляют твердый раствор окиси церия в окислах и фторидах редкоземельных элементов. Массовая доля СеОт составляет 81 - 99%. Размер зерен основной фракции 0,9 - 1,4 мкм. Ис­пользуют при полировании деталей из химически стойких стекол (за ис­ключением стекол типа СТК, ФФС) на эластичных полировальниках. Концентрация водной суспензии Т:Ж=1:15 - 1:20. Порошок токсичен. Его пыль действует на слизистую оболочку верхних дыхательных путей и внутренние органы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) порошка в воздухе - 5 мг/м³. При работе с порошком необходимо соблюдение пра­вил техники безопасности и промышленной санитарии.

Церыт - порошок с содержанием окиси церия 99,9%. Размер зерен основной фракции 0,7 -1,2 мкм. Отсутствие остаточных напряжений в зернах определяет высокую полирующую способность порошка. Его от­личительной особенностью является устойчивость суспензии к осажде­нию и вспениванию. Область применения - полирование деталей из хи­мически нестойких стекол с высокой твердостью по сошлифовыванию, в частности стекол типа СТК. Могут быть применены полировальники из пенополиуретана и интенсивные режимы полирования. Концентрация водной суспензии Т:Ж=1:10.

Фотопол - порошок, состав которого аналогичен порошку церит. Размер зерен основной фракции 0,4 - 0,75 мкм. Полирующая способность примерно на 40% ниже, чем у церита. Используют для полирования и до­водки поверхностей деталей из химически нестойких стекол (ЛФ, Ф, ТФ, ОК, ФФС) и некоторых кристаллов (Si, Ge, ДКДП), к точности формы поверхности которых предъявляются высокие требования. Материал ра­бочей поверхности полировальников - полировочные смолы. Концентра­ция водной суспензии порошке Т:Ж=1:10.

Окись тория - ТЬОг- Тонкодисперсный порошок, получаемый прокаливанием гидроокиси тория или его органических солей. Поли­рующая способность выше, чем у полирита оптического и порошка ПФ. Трудоемкость изготовления порошка определяет его высокую стоимость ограничивающую применение.

При полировании борлантановых стекол типа ТК, ОТК, БФ, ТБФ, на пекоканифолевых подложках порошками на основе окиси церия, к об­рабатываемой поверхности "прилипают" частицы абразива. Причиной яв­ляется образование малорастворимых карбоновых мыл, которые и при­клеивают эти частицы к поверхности стекла. Для полирования стекол указанных типов разработан ряд композиций на основе соединений цир­кония, в частности:

Цироспол - порошок, представляющий механическую смесь окиси циркония ZrOj (80 - 70%) и двойного основного сульфата циркония Zr(OH)₂SO₄ (20 - 30%). Оптимальная концентрация суспензии Т:Ж=1:3.

Для стекол разных марок содержание основного сульфата изменяется в пределах от 10 до 60%. Двойной основной сульфат циркония может быть заменен на двойной основной сульфат циркония и титана. Присутствие последнего в количестве 1,3 -1,5% ускоряет процесс полирования.

Недостаток циркониевых полировальных композиций, их кислот­ность, которая приводит к быстрому износу оборудования находящего в контакте с суспензией.

Качество абразивов оценивают по их полирующей способности и чистоте полированной поверхности.

2,2. ОБРАБОТКА ПОЛИРУЮЩИМИ АБРАЗИВАМИ

Полирование является завершающей стадией механической обра­ботки отражающих и преломляющих поверхностей, в результате которой неровности поверхности оказываются меньше длины волны видимой об­ласти спектра (< 0,05 мкм), а ее форма приобретает заданную точность. Полирование является сложным физико-химическим процессом, в кото­ром превалирующую роль играет разрушение стекла зернами абразива, закрепленными в поверхностном слое материала, образующего рабочую поверхность инструмента. При относительном перемещении изделия и инструмента зерна полирующего абразива, подобно резцам, срезают ультрамикроскопические частицы, пластически деформируя поверхност­ный слой стекла. Размер образующихся зтеровностей мал, и поэтому они не видны при обычном наблюдении. Условия, необходимые для такого процесса, создаются совокупностью одновременного действия несколь­ких факторов: упругопластическимк свойствами материала рабочей по­верхности инструмента, которые определяют возможность нивелирова­ния уровня выступающей части зерен, малым размером последних, не­сжимаемым слоем жидкости в зазоре между притираемыми поверхностя­ми и ограничивающим глубину врезания зерен в стекло. Определенную роль в процессе играют и химические реакции, в частности: химическое действие суспензии полирующего абразива на стекло и инструмент, что подтверждается замедлением или ускорением процесса в зависимости от марки стекла и состава суспензии; гидролиз ультрамикроскопических (<• 10"² мкм) частиц стекла, срезаемых зернами абразива. Продукты гид­ролиза заполняют дефекты (царапины, точки) на полируемой поверхности.

2.3. ОБРАБОТКА СТЕКЛА ПУЧКАМИ ИОНОВ

В основе процесса обработки лежит распыление поверхности стекла при бомбардировке ее пучками ионов разогнанных до необходи­мой энергии, лежит передача импульса. Ионы газа, источником которых является плазма, попадая в поверхностный слой стекла, сталкиваются с атомами его решетки и смещают их. Последние, в свою очередь, сталки­ваясь с соседними атомами, производят вторичные смещения. Если в ре­зультате таких ударов атомы решетки получат энергию, превышающую энергию связи, они покинут поверхность как распыленные. Вероятность вылета зависит от энергии приходящих ионов и от направления передачи импульса. С уменьшением угла падения ионов, отсчитываемого от нор­мали к бомбардируемой поверхности, коэффициент распыления (число вылетевших атомов на один падающий ион) уменьшается и при скользя­щем падении имеет нулевое значение. Происходит это вследствие того, что ионы не проникают в поверхностный слой вещества, а отражаются от него. Критическая величина угла зависит, в основном, от массы и энергии ионов. Недостаток способа - низкая производительность. Средняя ско­рость распыления поверхностного слоя стекла марки К8 в среде инертно­го газа составляет 1-2 мкм/час.

Скорость распыления возрастает при использовании химически активных ионов. Такой процесс назван ионно-химической обработкой- В качестве рабочего газа используют в частности С?4- В электрическом по­ле С?4 легко диссоциирует образуя свободный фтор и радикалы CF₃, CF2> CF. При этом в плазме высокочастотного разряда протекает реакция:

Плазма разряда в атмосфере CF₄ состоит в основном из ионов CF₃. При бомбардировке ими поверхности стекла происходит процесс физиче­ского распыления, эффективность которого определяется массой и энер­гией ионов. Вместе с тем бомбардировка повышает активность поверхно­стного слоя стекла, способствуя его химическому взаимодействию со свободным фтором. Это взаимодействие изменяет энергетическое со­стояние молекул поверхностного слоя за счет образования летучих со­единений SiF₃, PF₃, BF₃, PF₅. Сочетание ударного и химического меха­низмов воздействия бомбардирующих частиц при ионно-химической об­работке увеличивает скорость распыления стекла и других диэлектриков на силикатной основе типа Si, SiO₂, Si₃N4 примерно на порядок по срав­нению с высокочастотным травлением этих же веществ в инертных газах.

Установка для ионной обработки представляет собой вакуумную камеру, в которой размещены мишень и металлический электрод. На ва­куумной камере размещены две катушки Гельмгольца, которые создают дополнительное магнитное поле. Это поле, воздействуя на траекторию электронов, увеличивает длину их пути за счет закручивания вокруг си­ловых линий магнитного поля. В результате этого вероятность столкно­вения электронов с молекулами газа, а соответственно, и концентрация ионов увеличиваются.

В процессе работы в камеру, откачанную до вакуума 5-10"³ Па, по­дается рабочий газ. Затем на электрод подают ВЧ напряжение (0,3 - 0,5 кВ). Между электродом и корпусом камеры возникает газовый разряд, положительный столб которого служит источником ионов. Под действием сил электрического притяжения в соответствующий полупери­од высокочастотного напряжения ионы вытягиваются электродом из плазмы и, ускоряясь в темном катодном пространстве, бомбардируют по­верхность мишени, осуществляя ее распыление: При смене полярности высокочастотного напряжения на электроде, мишень подвергается элек­тронной бомбардировке, в результате которой нейтрализуется обрабаты­ваемая поверхность. Для предотвращения тени от электрода, мишень вращается.

Дата добавления: 2015-07-11