Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Процессы механической обработки, станки и инструменты

Диссертационная работа:

Дормушев Антон Емилевич. Повышение эффективности операции разрезания заготовок из хрупких неметаллических материалов путем активации элементов технологической системы : Дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 : Ульяновск, 2004 224 c. РГБ ОД, 61:05-5/948

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список основных сокращений и символов 5

Введени е 11

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКА РАЗРЕЗАНИЯ СЛИТКОВ
И ЗАГОТОВОК ИЗ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14

  1. Место операции разрезания в современных технологических процессах изготовления изделий из хрупких неметаллических материалов 14

  2. Технология и техника разрезания слитков и заготовок из хрупких неметаллических материалов на

пластины 21

  1. Многолезвийное разрезание 22

  2. Разрезание бесконечной ленточной пилой 26

  3. Разрезание абразивом с помощью проволоки 29

  1. Разрезание слитков и заготовок из хрупких неметаллических материалов алмазными отрезными кругами с наружной режущей кромкой 32

  2. Разрезание заготовок на пластины алмазными отрезными кругами с внутренней режущей кромкой 38

  3. Способы повышения эффективности разрезания отрезными кругами АКВР 50

  4. Выводы. Цель, задачи исследований 71

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА РАЗРЕЗАНИЯ ЗАГОТОВОК АЛМАЗНЫМИ
ОТРЕЗНЫМИ КРУГАМИ 74

2,1. Математическая модель формирования параметров
качества пластин на операции разрезания заготовок
кругами АКВР 74

  1. Формирование прогиба пластин 74

  2. Математическая модель формирования нарушенного

слоя на операции разрезания слитков кругами АКВР 75

2.2. Аналитическое решение задачи теплообмена при
разрезании неметаллических заготовок отрезными

кругами АКВР 87

2.3. Численное решение задачи теплообмена при
разрезании неметаллических заготовок отрезными

кругами АКВР 105

2.4. Численное моделирование тепловой напряженности

процесса разрезания с применением устройств активации 118

2.5. Выводы 126

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ. НАУЧНАЯ АППАРАТУРА И
ОБОРУДОВАНИЕ 128

  1. Показатели эффективности процесса разрезания 128

  2. Контролируемые параметры. Методы и средства

измерения 128

  1. Условия проведения исследований и техника эксперимента ....129

  2. Метрологическая оценка показателей эффективности

процесса разрезания 136

3.5. Планирование экспериментов, состав и количество опытов 138

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИИ РАЗРЕЗАНИЯ
ЗАГОТОВОК ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.
ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ 143

4.1. Влияние состава и способа подачи СОТС на микро-
и макрогеометрию пластин и производительность
разрезания заготовок кругами АКВР 143

  1. Исследование влияния наложения УЗ-колебаниЙ на заготовку на качество отрезанных пластин и производительность операции разрезания кругами АКВР 154

  2. Исследование влияния наложения УЗ-колебаниЙ на заготовку на производительность разрезания и качество отрезанных пластин при одновременной подаче аэрозоли перед

зоной резания 158

  1. Опытно-промышленные испытания технологии разрезания заготовок из хрупких неметаллических материалов кругами АКВР с наложением УЗ-колебаний на заготовку и подачей в зону резания аэрозоли 160

  2. Источники и методика расчета экономической эффективности 162

4.6. Выводы 166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 168

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 170

ПРИЛОЖЕНИЯ 190

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АБЛП - Алмазная бесконечная ленточная пила;

АКВР - Алмазный отрезной круг с внутренней режущей кромкой;

АОК - Алмазный отрезной круг с наружной режущей кромкой;

БЗП - Бестигельная зонная плавка;

СОЖ - Смазочно-охлаждающая жидкость;

СОТС - Смазочно-охлаждающие технологические средства;

ТП - Технологический процесс;

ТС — Технологическая система;

ХМП - Химико-механическое полирование;

аоб - Норма амортизационных отчислений на оборудование;

Кд - Коэффициент, учитывающий дополнительную зарплату;

Кив - Коэффициент использования оборудования по времени;

K,1V, - Коэффициент использования оборудования по мощности;

Кп„ - Коэффициент перевыполнения норм;

КГф - Коэффициент, учитывающий премии;

Кс - Коэффициент сужения зазора;

Ксс - Коэффициент, учитывающий отчисления в соцстрах;

П - Коэффициент, определяющий относительную объемную

долю пор в алмазонесущем режущем слое круга;

Скр - Стоимость одного круга АКВР, руб.;

С0б - Стоимость отрезного станка «Алмаз-6М», руб.;

Ссож Стоимость 1 м питьевой хозяйственной воды, исполь-

зуемой в качестве СОЖ, руб.;

Сэ - Стоимость I кВт-ч электроэнергии, руб.;

Зу — Дополнительные затраты на устройство для подачи аэ-

розоли, руб.;

Зуї — Дополнительные затраты на УЗ генератор и УЗ излуча-

тель, руб.;

Фоб - Действительный годовой фонд времени работы обору-

дования, ч;

Чст - Часовая тарифная ставка резчика, руб.;

Э - Годовой экономический эффект, руб.;

а - Постоянная, зависящая от формы зерна;

аа - Размер абразивных зерен, мкм;

аз - Коэффициент теплоотдачи к поверхности заготовки,

Вт/(м2-К);

ак - Местный коэффициент теплоотдачи к свободной поверхно-

сти отрезного круга, Вт/(м -К);

Внешний радиус круга с наружной режущей кромкой, м; Местный коэффициент теплоотдачи к свободной поверхно-сти режущей кромки отрезного круга, Вт/(м -К); Скорость распространения УЗК в излучателе, м/с; Скорость распространения УЗК в пьезокерамике, м/с; Удельная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/(кг-К);

Удельная теплоёмкость содержимого пор в алмазонесущем слое круга, Дж/(кг-К);

Коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала и условий резания;

Удельная теплоёмкость материала заготовки, Дж/(кг-К); Удельная теплоёмкость круга, Дж/(кг-К); Теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К)

Удельная теплоёмкость алмазонесущего слоя круга, Дж/(кг-К);

Эффективная удельная теплоёмкость алмазонесущего слоя круга, Дж/(кг-К);

Диаметр пятна капли после ее деформации на поверхности нагрева, м. Средний диаметр капли, м; Диаметр капли, м; Диаметр разрезаемого слитка, мм; Посадочный диаметр круга АКВР, м;

Соответственно наружный и внутренний диаметры режущей кромки отрезного круга АКВР, мм; Модуль упругости Юнга материала заготовки, МПа; Модуль упругости алмаза, МПа; Прогиб пластины, мкм;

Коэффициент трения абразивного зерна по обрабатываемому материалу; Частота УЗ-колебаний, Гц; Модуль сдвига, МПа;

Вязкость разрушения, определяющая способность материала сопротивляться распространению трещины, Дж/м2; Объемный расход СОЖ из сопла, м3/с;

Соответственно массовый расход СОЖ и ее пара через зону резания, кг/с; Высота режущей кромки, м;

Микротвердость, МПа; Толщина отрезаемой пластины, м;

Толщина нарушенного слоя пластины после разрезания, мкм;

Глубина залегания боковых трещин, м; Толщина круга с наружной режущей кромкой, м; Критическая глубина заделки зерна, м; Толщина нарушенного слоя при увеличении трещины, м. Глубина залегания радиальных трещин, м; Жесткость круга с наружной режущей кромкой; Концентрация алмаза в инструменте; Критический коэффициент интенсивности напряжений; Коэффициент, учитывающий объем, занимаемый алмазными зернами, выступающими из связки;

Эмпирический коэффициент, учитывающий степень нарушения поверхностного слоя в зависимости от марки обрабатываемого материала; Длина контакта, м;

Расстояние между каплями в аэрозоли, м; Глубина царапины, м;

Межосевое расстояние заготовки и круга АКВР, м; Количество режущих зерен на единице площади, 1/м2; Количество зерен в объеме V = 1 мм3; Годовая программа выпуска, тыс. шт.; Годовая потребность в кругах АКВР, шт.; Нормаль к рабочей поверхности режущей кромки круга и поверхности заготовки соответственно; Сила резания, приходящаяся на единичное абразивное зерно, Н;

Давление в зоне контакта, Па;

Осевая, радиальная и касательная составляющие силы резания, Н;

Припуск на механическую обработку пластин, мкм; Расход воздуха, м /ч;

Поверхностная плотность теплового потока, выделившегося в зоне контакта, Вт/м ; Расход жидкости, дм3/мин;

Поверхностная плотность теплового потока, затрачиваемого на нагрев и парообразование СОЖ в зоне контакта, Вт/м2; Поверхностная плотность теплового потока, уносимого вме-

сте со стружкой, Вт/м ;

Осож - Расход СОЖ на один станок, м /ч;

г - Теплота испарения жидкости, Цж;

R - Радиус абразивного зерна, м;

R0 - Радиус сопла для подачи аэрозоли, м;

Rb Ьрк - Соответственно радиус и ширина режущей кромки круга

АКВР, м;

R3 - Радиус разрезаемой заготовки, м;

Ra - Среднее арифметическое отклонение профиля поверхности

пластины, мкм;

Rmax - Наибольшая высота неровностей профиля, мкм;

Rz - Высота неровностей профиля по десяти точкам, мкм;

S - Площадь контакта режущей кромки круга с отрезанной пла-

стиной, м ;

S, Sm - Средний шаг неровностей профиля соответственно по вер-

шинам и по средней линии, мкм;

Si ~ Расстояние от охлаждаемой поверхности до сопла, м;

SPK - Площадь контакта режущей кромки с заготовкой при разре-

зании, м2;

Sc - Площадь выходного сечения сопла, м2;

Т - Период стойкости отрезных кругов, ч;

Т0 - Температура торможения, К;

Tf - Температура потока охладителя, К;

Тт - Мгновенная температура в зоне контакта, К;

Ts - Температура насыщения СОЖ, К;

Тв - Температура воздуха на выходе из сопла, К;

tK - Время, необходимое на нагревание и полное испарение

капли, с;

tn - Трудоемкость изготовления 1000 пластин, ч;

иж - Скорость истечения СОЖ из сопла, м/с;

V], V2 - Объемы веществ, входящих в смесь (аэрозоль), м3;

V3 - Объем зерна, мкм3;

Vk - Окружная скорость отрезного круга, м/с;

Vm - Скорость в центре струи аэрозоли, м/с;

Vs - Скорость врезной подачи отрезного круга, мм/мин;

Va - Скорость истечения аэрозоли из сопла, м/с;

VB - Скорость выхода струи из сопла, м/с;

VpK - Окружная скорость режущей кромки круга, м/с;

W06 - Мощность привода отрезного станка, кВт;

Х3 - Средневероятный размер зерна, мкм;

Длина непрорезанной части пластины, м; Длина защемленной консоли (отрезанной части пластины), м;

Величина осевого смещения круга в процессе разрезания, мкм;

Соответственно минимальная и максимальная зернистость абразива, м;

Коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к капле при свободном ее испарении;

Относительная величина, определяющая размеры пластической зоны;

Удельная поверхностная энергия, Дж/м ; Отклонение от параллельности сторон пластины, мкм; Отклонение пластины от заданной формы при разрезании, мкм;

Относительная критическая глубина заделки алмазного зерна;

Динамическая вязкость жидкости, Н;

Начальная температура жидкости, используемой для получения аэрозоли, К; Температура кипения жидкости, К; Угол при вершине абразивного зерна, град.; Угол половины дуги контакта, рад.;

Коэффициенты теплопроводности веществ, входящих в смесь, Вт/(м-К);

Теплопроводность материала заготовки, Вт/(м-К); Теплопроводность круга, Вт/(м-К); Теплопроводность режущей кромки, Вт/(м-К); Эффективная теплопроводность режущей кромки круга, Вт/(м-К);

Коэффициент теплопроводности бинарной смеси, Вт/(м-К);

Теплопроводность содержимого пор режущей кромки круга (воздуха или СОЖ), Вт/(м-К); Коэффициент Пуассона; Коэффициент Пуассона алмаза;

Коэффициент, учитывающий заполнение круга связкой; Динамический коэффициент вязкости СОЖ, Па-с; Динамический коэффициент вязкости распыляемой жидко-

сти, Па-с;

Кинематический коэффициент вязкости СОЖ, Пас; Кинематический коэффициент вязкости распыляемой жидкости, Па-с;

Плотность жидкости, кг/м3; Плотность материала заготовки, кг/м ; Плотность корпуса отрезного круга, кг/м3; Плотность алмазонесущего слоя круга, кг/м ; Эффективная плотность алмазонесущего слоя круга, кг/м ; Поверхностное натяжение, Н/м; Напряжения в нарушенном слое, МПа; Дополнительные растягивающие напряжения, вносимые расклинивающим действием СОЖ, МПа; максимальные растягивающие напряжения, которые способна выдержать пластина, МПа; Предел текучести материала, МПа; Время, с.

Безразмерная упругая постоянная;

Угол между направлением УЗ-колебаний и вектором скорости врезной подачи, град.; Амплитуда УЗ-колебаний на выходе УЗ-генератора, В.

Введение к работе:

Стремительное развитие полупроводниковой электроники, создание новых видов и классов приборов, резкое уменьшение размеров их активных областей заметно отразилось на росте требований к качеству изготовления полупроводниковых подложек, что привело к повышению уровня развития техники и технологической оснащенности операций обработки заготовок из полупроводниковых материалов по сравнению с обработкой заготовок из других неметаллических материалов. В связи с этим анализ технологии обработки заготовок из полупроводниковых материалов дает наиболее полное представление о процессах обработки заготовок из хрупких неметаллических материалов.

Операция разрезания заготовок из хрупких неметаллических материалов на пластины, являясь основной заготовительной операцией, в ходе выполнения которой происходит формообразование пластин, не может обеспечить требуемого их качества. В силу технологической наследственности дефекты микро- и макрогеометрии пластин переносятся с заготовительной операции (разрезания) на отделочные (алмазное и химико-механическое полирование). Поэтому важно уже на операции разрезания получить пластины с наименьшими дефектами.

Уменьшение размеров элементов современных интегральных схем позволяет увеличить плотность упаковки приборов на полупроводниковой пластине, что приводит к ужесточению требований не только к качеству поверхностного слоя (толщине нарушенного слоя и шероховатости поверхности), но и к геометрическим и электрофизическим параметрам полупроводниковой пластины (толщине, клину, прогибу). Исследования также показывают, что толщина наращиваемых эпитаксиальных пленок зависит от величины и формы прогиба пластины, поэтому выход годных кристаллов зависит от геометрических параметров полупроводниковых пластин. Обеспечение минимального прогиба пластины после разрезания - основное условие для качественного проведения литографического процесса на готовых подложках.

Наблюдающаяся в последние годы тенденция к увеличению диаметров подложек и плотности размещения на них элементов топологии в свою очередь приводит к ужесточению требований к геометрической форме и качеству поверхностей пластин. Следователь-

но, проблема получения на операции разрезания совершенных пластин становится еще более актуальной.

Существенно улучшить характеристики отрезанных пластин можно путем рационального применения смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), роль которых, как обязательного элемента технологического обеспечения операции разрезания, об-щепризнана. Между тем, несмотря на то, что применение тонкораспыленных жидкостей на операциях механической обработки показало в свое время значительную технологическую эффективность, возможность и эффективность применения на операции разрезания заготовок из хрупких неметаллических материалов в качестве СОТС аэрозоли не исследованы. Не выявлена также эффективность ультразвуковой активации при разрезании. В связи с этим необходимы исследования, направленные на разработку различных способов УЗ-ой активации элементов технологической системы (ТС) при разрезании и выявление их технологической эффективности.

В настоящей диссертационной работе представлен комплекс теоретико-экспериментальных исследований влияния наложения УЗ-колебаний на элементы ТС и использования в качестве СОТС аэрозоли на качество пластин из неметаллических материалов и производительность операции разрезания заготовок (слитков) из этих материалов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований:

влияния тепловой напряженности процесса разрезания на формирование макро- и микропрофиля пластин из хрупких неметаллических материалов; влияния различных способов подачи аэрозоли в зону резания на тепловую напряженность процесса разрезания, толщину нарушенного слоя, шероховатость и прогиб отрезанных пластин; формирования нарушенного слоя, микро- и макрогеометрии пластин в ходе разрезания заготовок (слитков) с наложением интенсифицирующих УЗ-колебаний.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния на
качество пластин и производительность разрезания

способа подачи аэрозоли в зону обработки и ее расхода;

наложения УЗ-колебаний на заготовку в процессе разрезания;

наложения УЗ-колебаний на заготовку в процессе разрезания и одновременной подачи аэрозоли в зону обработки.

3. Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения
разработок в промышленность.

Подобные работы
Игнатьев Дмитрий Анатольевич
Повышение эффективности процесса торцового шлифования за счет использования СОТС в качестве элемента виброгасящей системы
Есаян Павел Микаелович
Повышение устойчивости технологической системы при различных схемах резания воздействием на пространственную ориентацию элементов автоколебательного контура станка с ЧПУ
Самохина Наталья Станиславовна
Повышение точности технологических систем горизонтальных координатно-расточных станков методом стабилизации положения их элементов
Никифоров Игорь Петрович
Повышение эффективности внутреннего шлифования в условиях пониженной жесткости технологической системы
Барсуков Геннадий Валерьевич
Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы
Пургин Валерий Павлович
Повышение эффективности сверления малоразмерных неполнопрофильных отверстий на основе оптимизации структуры и параметров технологических систем
Панова Оксана Геннадьевна
Повышение эффективности операций хонингования на основе анализа температурных деформаций инструмента и детали
Шигорин Сергей Александрович
Повышение эффективности операций сверления и внутреннего резьбонарезания в углеродистой стали путем применения масляных СОТС с присадками гетероциклических соединений
Никуленков Олег Викторович
Повышение эффективности строгальных операций при обработке крупногабаритных деталей на основе оценки состояния газовоздушной среды в зоне резания
Антюфеева Тамара Павловна
Повышение эффективности обработки алюминийсодержащих материалов на отделочных операциях путем применения экологически улучшенных СОТС

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net