Механическая нанометровая обработка

Секция « Технология производства ракетно-космической техники»

УДК 539.422.33:62-294-2

В. А. Галеева, А. Е. Саклакова Научный руководитель - Г. В. Кочкина Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МЕХАНИЧЕСКАЯ НАНОМЕТРОВАЯ ОБРАБОТКА

Приведены основные виды нанообработки, рассмотрены механическая нанометровая обработка, формирование стружки и формообразование поверхности с помощью метода молекулярной динамики.

Нанообработку можно разделить на четыре категории [1]:

1) детерминированная механическая нанометровая обработки. Этот метод использует фиксированные и контролируемые инструменты, у которых можно указать профили трехмерных компонентов по четко определенной поверхности инструмента и путь прохождения инструмента. Им можно удалить материалы в количествах до десятков нанометров, включает в себя обычно алмазное точение, микрофрезерование, нано / микро измельчение и т. д.;

2) свободная абразивная нанометровая обработка. Этот метод использует свободные абразивные частицы с удалением небольшого количества материалов. Он состоит из полировки, шлифовки и обтачивания и т. д.;

3) немеханическая нанометровая обработка. Она включает в себя целенаправленную обработку ионного пучка, микро-электроэрозионную обработку и эк-симерную лазерную обработку;

4) литографический метод. В нем используется шаблон для определения формы изделия. В результате получаются двумерные изделия, но возникают некоторые ограничения при попытке получения трехмерных изделий. В основном включает в себя рентгеновскую литографию, LIGA - литографию с помощью ионов Ga, лучевую литографию электронов.

Механическая нанометровая обработка имеет больше преимуществ, чем другие перечисленные способы, так как она способна контролируемым образом обработать сложные 3Б-компоненты. Обработка сложной геометрии поверхности является лишь одним из будущих тенденций в нанометровой обработке, которая приведет в интеграции нескольких функций в одном продукте. Например, способ может быть использован в машинных микроформах и штампах со сложными геометрическими характеристиками, высокой размерной точностью и формой, и даже с нано-метровой особенностью поверхности.

Два основных метода нанометрической обработки - точечное алмазное точение и ультраточное измельчение. Эти методы способны производить очень тонкие разрезы. Алмазное точение широко используется в обработке цветных металлов, таких как алюминий и медь. При алмазном точении гальванической меди наблюдается недеформированная толщина стружки около 1 нм. Алмазная шлифовка является важным процессом для обработки хрупких материалов, таких как стекло и керамика для достижения уровня нано-метровых допусков и высокого качества покрытия. Стефенсоном и его соавторами было получено опти-

ческое качество шероховатости поверхности (Ra < 10 нм) при наношлифовании из твердой стали с помощью шлифовального круга CBN с 76 мкм на сверхточном шлифовальном станке [2]. Использование ультратонких зерен твердых металлических инструментов и алмазных покрытий микроинструментов представляет собой многообещающую альтернативу для микрорезания даже из закаленной стали.

Нанометровая обработка очень перспективна в производстве датчиков, акселерометра, приводов, микро-зеркал, оптоволоконных разъемов, и микродисплеев. В общем, применение нанопродуктов повысит производительность микро-продукции в вопросах чувствительности, селективности и стабильности [3].

(в) ЗО.й ПС (г) 37,2 пс

МО-моделирование нанометрового процесса обработки (скорость резания - 20 м/с, глубина резания - 1,4 нм, радиус режущей кромки - 0,35 нм) [4]

В нанометровой обработке существуют только точечные дефекты в зоне обработки, поэтому нужно больше энергии, чтобы инициировать атомные трещины или атомные дислокации. Уменьшение глубины резания уменьшает возможность режущего инструмента уменьшить точечные дефекты и приводит к увеличению удельной режущей энергии. Нанометро-вое резание также характеризуется высоким соотношением нормальной к касательной составляющей силы резания, так как глубина резания очень мала, и заготовка в основном обрабатывается режущим кромкой. Работа на сжатие становится доминирующей при деформации материала заготовки, потому что приведет к увеличению силы трения на границе раздела стружки инструмента и относительной высокой сте-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

пени резания. Из-за их высокой чувствительности и собственной частоты для измерения силы резания используется пьезоэлектрический динамометр или датчик нагрузки.

Формирование стружки и поверхностной генерации могут быть смоделированы с помощью моделирования молекулярной динамики. МО-моделирование (метод молекулярной динамики) нанометрового процесса резания монокристаллического алюминия показано на рисунке.

Библиографические ссылки

1. Jackson M. J., Ahmed W., Xu C. Machining with Nanomaterials. USA, N. Y. : Springer, 2009. 372 p.

2. Stephenson D. J., Veselovac D., Manley S., Corbett J. Ultra-precision grinding of hard steels. Precision Engineering, 2001. 15: 336-345.

3. Andreas Schütze, Lutz-Günter John. Nano sensors and micro integration. mstNews 2003, 3: 43-45.

4. Cheng K., Luo X., Ward R., Holt R. Modelling and simulation of the tool wear in nanometric cutting. Wear, 2003, 255: 1427-1432.

© Галеева В. А., Саклакова А. Е., 2014

УДК 621.923.9

А. И. Ермоленко, Н. С. Теряев, А. Ю. Володин, Л. П. Сысоева

Научный руководитель - С. К. Сысоев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИЗМЕНЕНИЕ УСЛОВИЙ СДВИГА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА РАБОЧЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Рассмотрены особенности течения рабочей среды (РС) при абразивно-экструзионной обработке (АЭО). Выявлена необходимость определения режимов обработки, обеспечивающих сдвиговое течение РС в обрабатываемом канале. Исследовано влияние состава РС на изменение условий сдвига.

Процесс абразивно-экструзионной обработки (АЭО) заключается в экструзии вязко-упругой рабочей среды (РС), наполненной абразивными зернами, под давлением вдоль обрабатываемой поверхности. На эффективность обработки влияют как упругие свойства РС, обеспечивающие прижатие единичного абразивного зерна к обрабатываемой поверхности, так и ее вязкие свойства, позволяющие РС течь по обрабатываемому каналу.

По характеру течения под приложенным напряжением РС относится к бингамовским пластикам, для которых характерно поведение твердого тела до достижения определенного напряжения (напряжения сдвига пТ или предела текучести РТ), после чего она начинает течь как ньютоновская жидкость [1].

Влияние основных факторов на предел текучести РТ можно записать в функциональной форме РТ = /(ка, кф, 1/й), где ка - концентрация абразива

в РС; кф - концентрация фторопласта в смеси, 1/й -геометрическая характеристика канала [2].

Исследование влияния основных факторов на предел текучести проведено на капиллярном вискозиметре с принудительной подачей давления в подающий и возвратный цилиндры).

Зависимость РТ = (ка) аппроксимирована уравнением РТ = к0(3Ка - 11,93) / 4,25 - Ка), где коэффициент ко характеризует геометрические особенности канала и определяется из таблицы.

В результате исследования удалось выяснить, что с увеличением концентрации абразива предел текучести возрастает (рис. 1). Существенное увеличение Рт в диапазоне содержания абразива 66...80 % можно объяснить появлением комплексов абразивных зерен,

соединяющих структуру абразивной смеси в общий пространственный каркас и препятствующих течению смеси в отверстии.

Значение коэффициента ко

ka l/d

1 2 3 4

1.3 1,00 1,20 1,30 1,40

4 1,00 1,02 1,05 1,11

При исследовании влияния концентрации фторопласта на условия сдвига было выяснено, что добавки фторопласта Ф-4 увеличивают предел текучести на 10.15 % в связи с увеличением вязкости полимера за счет механохимических реакций (рис. 2). При этом установлено, что минимальное сдвиговое давление возможно при концентрации абразива в РС 9.10 %.

Рис. 1. Зависимость предела текучести РТ от содержания абразива ка при ко: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3; 4 - 4