Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0042

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0042
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Открытое акционерное общество "ВНИИИНСТРУМЕНТ"
Название доклада
Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания
Докладчик
Захаревич Евгений Мефодьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основная цель исследований: обеспечить обработку поверхностей произвольной формы деталей из оптических материалов, в том числе асферических, с точностью формы менее 10 нм и шероховатостью поверхности менее 1 нм на апертуре не менее 100х100 мм.
Основные задачи прикладных научных исследований:
– анализ основных закономерностей процесса обработки в наноразмерном диапазоне толщин срезаемого слоя, оптимизация режимных параметров и схемы обработки хрупких материалов;
– теоретическое моделирование и исследование процесса резания в нанометровом диапазоне толщин, а также динамическая и вибродиагностика систем и ультрапрецизионных узлов повышенной жесткости;
– разработка методики исследования процесса резания в нанометровом диапазоне толщин в квазипластичном режиме при использовании монокристаллического алмазного режущего инструмента;
– создание Экспериментального образца ультрапрецизионного стенда, состоящего из систем и узлов повышенной жесткости, позволяющего реализовать обработку в квазипластичном режиме деталей различной формы из хрупких и других материалов с оптическим качеством и субмикронной точностью;
– разработка технологии резания в нанометровом диапазоне толщин среза, разработка технических требований к перспективным ультрапрецизионным системам и узлам повышенной жесткости;
– экспериментальное достижение предельных, установленных теоретически показателей по точности и качеству обработки, научное и практическое обоснование пределов и ограничений процесса и метода обработки в нанометровом диапазоне толщин среза в режиме квазипластичного резания.
Актуальность и новизна исследования
На данный момент обработка деталей из хрупких материалов ведется в следующей последовательности: шлифование абразивными кругами с постепенным снижением зернистости, полирование в агрессивной среде. Описанный выше традиционный метод показал себя достаточно эффективным, но все же он имеет некоторые недостатки:
• Усилие прижатия полировальника к обрабатываемой поверхности приводит к ее шаржированию. Последующая обработка вызывает лавинообразное образование трещиноватого (поврежденного) слоя;
• Метод не способен обеспечить шероховатость поверхности менее 20 нм и точность формы менее 200 нм;
• Низкая производительность, метод трудно адаптировать для деталей произвольных форм;
• Применение химических сред при полировании не экологично.
Заменой традиционного метода обработки может служить обработка в квазипластичном режиме. Основой метода является способность хрупкого материала при определенных условиях в зоне резания менять свои свойства на пластичные. Основные преимущества метода:
• Возможность обработки деталей из хрупких материалов, в том числе и произвольной формы, с достижением значения шероховатости не более 1 нм и отклонения формы не более 10 нм;
• Возможность уменьшения трещиноватого слоя на обработанных поверхностях;
• Высокая производительность.
Поскольку технология квазипластичной обработки предусматривает наличие оборудования повышенной жесткости, целесообразно начать разработку и изготовление отечественного ультрапрецизионного оборудования. Этот шаг позволит ликвидировать зависимость от импортируемой продукции и создаст большой потенциал развития различных отечественных отраслей промышленности.
Описание исследования

 

В рамках прикладных научных исследований была разработана функциональная математическая модель, отражающая взаимосвязь физических параметров ультрапрецизионной обработки хрупких материалов в нанометровом диапазоне толщин стружки.
Проведены теоретические исследования по обнаружению границ хрупко-пластичного перехода при обработке хрупких материалов в нанометровом диапазоне толщин срезаемого слоя. Данные исследования направлены на определение свойств материала в зоне резания, а также на определение режимов резания, необходимых для создания условий хрупко-пластичного перехода.
На основе результатов теоретических исследований разработаны методики исследований процесса квазипластичного резания при алмазной лезвийной и абразивной обработке.

Выполнен теоретический и экспериментальный подбор параметров режущих инструментов, разработана и реализована на специальном ультрапрецизионном станке заточка алмазных резцов, обеспечивающая высокое качество и минимальный радиус округления режущей кромки в пределах 50 нм. Выбраны алмазные шлифовальные круги для обработки поверхностей подложек из хрупких материалов с оптическим качеством.Разработана эскизная конструкторская документация на специальный алмазный лезвийный инструмент и абразивный инструмент для обработки хрупких материалов в нанометровом диапазоне толщин срезаемого слоя. Инструмент изготовлен и задействован при проведении экспериментальных исследований.

                                    

Разработаны программы и методики метрологического контроля специального алмазного монокристаллического и абразивного инструмента в процессе обработке.

Разработан комплект эскизной конструкторской документации на ультрапрецизионный экспериментальный стенд, включая эскизную конструкторскую документацию на ключевые узлы станка: шпиндельный узел, инструментальный шпиндельный узел, поворотный стол для смены инструмента, продольный, поперечный и вертикальный суппорта, систему УЧПУ, систему приводов, ультрапрецизионные лазерные голографические датчики обратной связи. Проведены расчеты основных узлов стенда на жесткость, проведен анализ конструкции на надежность и технологичность исполнения.

                                                

Изготовлены узлы экспериментального образца ультрапрецизионного стенда, проведен его монтаж и отладка.

Проведены экспериментальные исследования по определению границ хрупко-пластичного перехода для дигидрофосфата калия, кремния, германия, оптической керамики, монокристаллического кварца. Также были обработаны плоские поверхности образцов кремния, германия, дигидрофосфата калия, сапфира, оптической керамики, кварцевого и оптического стекла. Кроме того обработаны сферические поверхности образцов кремния и оптического стекла, а также структурированные поверхности образцов оптического органического стекла.

Кроме того, проведен анализ стружки, полученной в процессе резания в режиме квазипластичности.
Разработана методика наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в квазипластичном режиме по результатам проведенных исследований, приведены оптимальные параметры режущего инструмента, а также режимы обработки хрупких материалов в режиме квазипластичности.
Разработана программа и методики метрологического контроля поверхностей экспериментальных образцов деталей из хрупких оптических материалов, обработанных в режиме квазипластичного резания.
Проведен метрологический контроль режущего инструмента – алмазного монокристаллического и абразивного, после процесса обработки хрупких оптических материалов режиме квазипластичности, дана оценка величины и характера износа.
Проведены экспериментальные исследования по повышению стойкости алмазного монокристаллического инструмента.
Разработаны технические требования по разработке, производству и эксплуатации сверхточного станка для обработки крупногабаритных кристаллов дигидрофосфата калия.

Результаты исследования

В ходе выполнения прикладных  научных исследований получены следующие научно-технические результаты:
- отчеты о ПНИ, в том числе содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к теме обработки хрупких оптических материалов с толщиной срезаемого слоя в наноразмерном диапазоне;
б) выбор и обоснование направления исследований;
в) результаты теоретических исследований;
г) результаты анализа данных экспериментальных исследований;
д) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
- Методика наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания с субмикронной точностью и оптическим качеством поверхности.
- Экспериментальные образцы деталей из хрупких оптических материалов: оптического стекла, сапфира, кварца, керамики, дигидрофосфата калия и германия, обработанных алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом в режиме квазипластичного резания.
- Функциональная математическая модель, отражающая взаимосвязь физических параметров обрабатываемого материала, режущего инструмента, режимов резания и характеризующая процессы ультрапрецизиооной обработки в наноразмерном диапазоне.
- Программно-алгоритмическое обеспечение для расчета параметров процесса наноразмерной обработки плоских отражателей.
- Экспериментальный образец ультрапрецизионного стенда для реализации и отработки процесса квазипластичного резания.
- Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец ультрапрецизионного стенда для реализации и отработки квазипластичного резания.
- Эскизная конструкторская документация на специальный режущий инструмент, позволяющий реализовать квазипластичное резание: алмазный монокристаллический инструмент и абразивный инструмент.
- Экспериментальные образцы специального режущего инструмента.
- Кинематическая схема резания, обеспечивающая толщину срезаемого слоя в наноразмерном диапазоне.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики.

- Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание ультрапрецизионного технологического комплекса для наноразмерной квазипластичной обработки кристаллов KDP с максимальными размерами 500х500 мм».

Практическая значимость исследования
Области применения ожидаемых результатов:
– оптическая промышленность – изготовление отражателей, оптических элементов, подложек и линз, в том числе и асферических с оптическим качеством;
– оптико-механическая промышленность – обработка деталей инерциальных кварцевых гироскопов, обработка оптических элементов из германия, применяемых в системах теплового видения;
– электронная промышленность, изготовление деталей для электронных приборов различного назначения с ультрапрецизионной точностью и минимальным дефектным слоем;
– обработка водорастворимых кристаллов группы KDP апертурой до 400 мм, которые используются в лазерных установках для генерации фемтосекундных лазерных импульсов тераваттного уровня мощности для термоядерного синтеза;
– создание оборудования, систем и технологии для нанообработки элементов микропроцессорной электроники, подложек кристаллов, сенсорных элементов, микророботов, исполнительных элементов и систем;
– разработка и изготовление аэростатических (гидростатических) узлов повышенной жесткости, создание ультрапрецизионного отечественного оборудования для обработки сложных поверхностей оптических элементов, компонентов машин и приборов.
В рамках проекта должны созданы:
- Ультрапрецизионный стенд для отработки технологии обработки хрупких материалов. Себестоимость стенда – 40 млн рублей. Далее будет разработано ТЗ на ОКР по выпуску промышленных образцов станков для реализации обработки поверхностей изделий из хрупких, в том числе и оптических материалов. До 2018г. для организации Индустриального партнера будет необходимо изготовить 3 станка для обработки различных изделий.Ориентировочная суммарная стоимость станков–120 млн рублей.
- Технология наноразмерной обработки хрупких оптических материалов. Технология будет использована для изготовления крупногабаритных элементов из кварца и KDP-кристаллов, применяемых в качестве выходных окон сверхмощных лазеров умножителей частоты. До 2018 г. для организации индустриального будет необходимо изготовить порядка 1000 изделий. Ориентировочная стоимость изделия 150 тыс. рублей.