Современные концепции пластичности и прочности кристаллов в процессе их микрошлифования

^ О.Б. Сильченко,

УДК 679.8:539.3:539.4

О.Б. Сильченко

СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПЛАСТИЧНОСТИТИ И ПРОЧНОСТИ КРИСТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ МИКРОШЛИФОВАНИЯ

А

ктуальность проблем пластичности и прочности твердых тел уходит корнями в глубокую древность, определив целые эпохи развития человечества. Решением этих проблем занимались многие поколения физиков, химиков, материаловедов, металлургов.

За последние 30 лет достигнут значительный прогресс, он связан с успехами электронной микроскопии деформированных материалов, позволившей изучить на микромас-

штабном уровне фундаментальные закономерности возникновения движения и самоорганизации основного типа деформационных дефектов-дислокаций.

Теория дислокаций позволила

дать физическую интерпретацию многих закономерностей твердых тел в различных условиях нагружения. Второй принципиально важный этап в понимании природы пластичности

твердых тел связан с развитием физической мезомеханики материалов.

Эта наука возникла около 15 лет назад на стыке наук о сплошной среде, теории дислокаций и физического материаловедения. Основная задача физической мезомеханики - количественно связать движение дислокаций на микромасштабном уровне с интегральными механическими характеристиками на макромасштабном

уровне, учитывая состав материала, его внутреннюю структуру и условия нагружения. Длительное время искали решение путем прямого перехода от микромасштабного уровня к макромасштабному, но этот путь оказался тупиковым.

Экспериментально и теоретически академиком В.Е. Паниным [1] в Томском государственном университете было обосновано, что рассматриваемый на микроуровне сдвиг (как эле-

ментарный акт пластического течения) на самом деле сопровождается поворотными модами деформации на более высоком мезоскопическом масштабном уровне. Поворотные моды вовлекают в самосогласованную деформацию всю иерархию структурных уровней нагруженной среды. Нагруженный материал на мезоуровне в ходе пластического течения формирует диссипативные структуры, способные осуществить пластическую деформацию по схеме «сдвиг + материальный поворот».

Деформируемое твердое тело является, таким образом, многоуровневой иерархически самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо-, макроуровни органически взаимосвязаны.

Оказалось, что на мезоуровне носителями пластического течения являются структурные элементы - ме-зообъемы. Особенно важным является то обстоятельство, что закономерности движения структурных элементов на мезоуровне и движения дислокаций на микроуровне, подчиняются закону подобия. Поэтому достаточно описать движение мезообъемов на мезоуровне, чтобы понять движение дислокаций на микроуровне.

Известные модели пластического деформирования материалов не позволяют объяснить процессы, происходящие в поверхностном слое кристаллов при их обработке в динамически нагруженной упругой обрабатывающей системе на станке АН15Ф4, где качество поверхности при механическом размернорегулируемом микрошлифовании соответствует оптическим характеристикам чистоты Яг=0,05 мкм.

Получить в результате обработки на этом станке бездефектное качество поверхности стало возможным только на основе учета динамических и статических характеристик процесса ре-

зания с применением самонастраивающегося компьютерного управления. При этом принятая нами для управления этим процессом модель физической мезомеханики с элементарным актом пластической деформации одновременно на микро- и на мезомасштабном уровнях позволила совместить одновременно процессы шлифования и микрошлифования с автоматическим обеспечением высокой размерной точности и оптических характеристик чистоты при отсутствии нарушенных слоев и дефектов на обработанной поверхности [2].

Физическая основа этой модели [3] состоит в том, что в результате специального динамического внешнего воздействия периодических касательных напряжений, в кристалле возникают сильные статические смещения атомов из узлов кристаллической решетки, приводящие в зоне действия градиента напряжений в сильно возбужденное состояние обрабатываемую поверхность кристалла. В кристаллах появляются временные вакансии и новые степени свободы.

Происходит перераспределение кристаллических связей, причем число атомов не изменяется. В этих условиях возникают коллективные возбуждения. Устойчивость таких коллективных возбуждений поддерживается внешним воздействием микроконцентраторов касательных напряжений. Распад таких коллективных возбуждений рождает движение деформационных дислокаций. Эти эстафетные движения деформационных дефектов (ансамбля дислокаций) происходят через вакансии, между узлами основной кристаллической решетки, что обеспечивает их высокую подвижность. Согласно этой модели в каждой точке деформируемого объема, ансамбль дефектов эстафетно сдвигается только по одной системе плоскостей скольжения близко соответствующей направлению максимальных касательных напряжений.

Периодический выход дислокаций из их плоскостей скольжения в некотором объеме мезомасштабного уровня с дислокационной структурой соответственно вызывает материальный поворот этого трехмерного мезообъе-ма. Этот материальный поворот в релаксационном режиме обуславливает появление на границах структурного трехмерного мезообъема моментные напряжения, действую-

щие на структурный элемент со стороны его окружения. Моментные напряжения вызывают появление поворотных мод деформации.

Трехмерные структурные элементы начинают двигаться по схеме «сдвиг + материальный поворот» как целое в режиме релаксационных колебаний, испытывая трансляцию и кристаллографический поворот. То есть при внешнем воздействии ритмичного поля в упругой обрабатывающей системе происходит:

• выход дислокаций из их плоскостей скольжения и постепенное формирование разориентированной ячеистой структуры на обрабатываемой поверхности кристалла;

• последовательное вовлечение других систем плоскостей скольжения дислокаций, которые образуют вихрь материальных поворотов и формирование ячеистых субструктур по мере накопления усталости к знакопеременным поворотным модам деформаций;

• синхронное образование однослойного ячеистого поля в виде множества из отдельных дислокационных диполей с объемом мезомасштабного уровня каждой ячейки, в которых спаренные дислокационные скопления имеют материальные релакси-рующие повороты противоположного знака.

Принципиально новым качеством в движении трехмерных дислокационных ячеек по схеме «сдвиг + материальный поворот» является возможность непрерывной генерации новых внутренних напряжений, так как ячейки не являются равноосными и на границах при поворотах возникают новые концентраторы напряжений.

В результате синхронного колебательного движения указанных ячеек на их границах постепенно накапливается усталость к возвратно-поворотным модам деформации и тем самым постепенно формируется однослойная ячеистая структура. Окончание процесса формирования такой ячеистой структуры приводит к одновременной потери сдвиговой устойчивости каждой отдельной и всего множества указанных ячеек. Это приводит к последовательному дискретному удалению одного слоя за другим в виде множества отдельных единичных мезообъе-мов в каждом таком слое площадью макромасштабного уровня. При этом каждый представительный мезообъем

является микрочастицей материала и обладает всеми физикомеханическими характеристиками, которые присущи материалу как макрообъекту. Это обстоятельство впервые нами было подтверждено в результате экспериментальной отработки технологии критического процесса бездефектного размерно-регулируемого микрошлифования в упругой обрабатывающей системе станочного модуля АН15Ф4, ориентированных только в «твердом» направлении натуральных алмазов и алмазоподобных макро- и наноэлектронных материалов.

В результате проведенных исследований впервые нами была сформулирована и экспериментально отработана модель бездефектного размернорегулируемого процесса микрорезания твердоструктурных минералов (алмазов) и определены условия управляемости этим процессом на су-перпрецизионных шлифовальных станочных модулях с интелектуальными системами ЧПУ.

Управляемость процессом микрорезания таких материалов с одной стороны обусловлена управляемостью параметрами ритмичного поля внешних импульсных воздействий (со стороны режущих зерен производящей инструментальной поверхности) на обрабатываемую поверхность кристалла микроконцентраторов напряжений в виде определенной последовательности отдельных событий, состоящей в указании «где»-«когда»-«какой интенсивности» каждый такой микроконцентратор воздействует на обрабатываемую поверхность.

С другой стороны управляемость процессом микрорезания определена возможностью на основе оперативной информации об упругих деформациях в динамически нагруженной обрабатывающей системе реализовать принципиально новую нами предложенную модель технологической диагностики самоорганизующегося процесса накопления усталости преимущественно к возвратно-поворотным модам деформации в период формирования на площади «пятна контакта» (макромасштабного уровня) однослойной унитарной ячеистой субструктуры в виде движущихся в релаксационном режиме по схеме «сдвиг + материальный поворот» множества трехмерных мезообъемов, являющихся в указанный период синхронного накопления усталости носителями пластичного

течения в указанной субструктуре и преобразующихся по окончании этого периода в одновременно срезаемое со всей указанной площади множества единичных пластически деформированных «стружек» без потери сплошности основного кристалла при отсутствии нарушенных слоев, и с формированием диссипативной структуры приповерхностного слоя на обработанной поверхности.

В соответствии с упомянутой моделью процесс пластического деформирования обрабатываемой поверхности твердого тела при размернорегулируемом микрошлифовании в упругой обрабатывающей системе осуществляется за два технологических перехода.

В каждом из этих переходов регламентируют соответствующие взаимосвязи параметров динамического нагружения обрабатываемой поверхности внешними импульсными микроконцентраторами касательных напряжений в каждой точке ее контакта с каждой режущей кромкой каждого абразивного зерна микрорельефа шлифовального круга. Микрорельеф шлифовального круга является регулярным. Регламентация параметров импульсных внешних воздействий определяется частотой вращения п/60 шлифовального круга со связанными абразивными зернами и количеством т радиальных выступов на производящей инструментальной поверхности.

На первом технологическом переходе изменяют по закону убывающей геометрической прогрессии входные параметры интенсивности съема припуска путем соответствующего изменения дискретной врезной подачи в каждой из конечных точек траектории каждого /-го продольного прохода со скоростью V перемещения. Далее контролируют в каждой точке касания каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью статические и динамические составляющие силы резания в направлении по нормам к плоскости формообразования и фиксируют выходы на стационарный участок переходного процесса изменения статической составляющей, а так же устанавливают факт появления автоколебаний динамической составляющей этих сил, при динамическом равновесии между входными (скоростью врезной подачи) и выходными

(скоростью съема припуска) параметрами упругой обрабатывающей системы.

С помощью компьютерного управления определяют интервал времени Т до начала выхода упругой обрабатывающей системы на стационарный режим микрошлифования. Далее определяют величину статической составляющей упругой деформации при установившемся режиме микрошлифования, а так же величину динамической составляющей этой деформации.

Затем определяют количество знакопеременных возвратно-

поворотных мод деформаций, необходимое для образования в каждой однослойной ячеистой структуре каждой единичной пластически деформированной «стружки» с линейными размерами мезомасштабного уровня, а также периодичность синхронного образования усталостной диссипативной структуры в приповерхностном слое в результате последовательного послойного ударения припуска в виде отдельных «порций», содержащих определенное количество таких единичных «стружек» в каждой «порции».

Сравнивают полученные в результате компьютерных вычислений величины с допустимыми значениями, в том числе:

• сумму статической и динамической составляющей упругой деформации в обрабатывающей системе с ее пределом упругости;

• величину динамической составляющей упругих деформаций систе-

мы с допустимой величиной шероховатости [Яг] на окончательно обработанной поверхности.

В компьютере системы ЧПУ рассчитывают управляющие программы для каждого двигателя каждого привода каждого из трех взаимо-перпендику-лярных относительно плоскости формообразования координатных премещений исполнительных органов станка с обрабатываемыми изделиями, взаимосвязанные между собой в функции прямого счета каждого импульсного контакта с обрабатываемой поверхностью каждого выступа с вершинами режущих зерен производящей инструментальной поверхности на частоте вращения шлифовального круга.

При съеме припуска на втором технологическом переходе в системе координат х-у-г станка относительно плоскости формообразования задают траекторию в виде последовательности отдельных точек с фиксированным на мезомасштабном уровне расстоянием между ними, в которых осуществляют последовательные импульсные контакты каждой определенной точки обрабатываемой поверхности твердого тела с каждым определенным режущим зерном каждого выступа на шлифованном круге.

Причем упомянутые импульсные контакты осуществляют таким образом, чтобы с каждым очередным импульсным воздействием на обрабатываемой поверхности имело место упорядоченное формирование одной и той же ячеистой (униатрной) структу-

ры с площадью макромасштабного уровня и с линейными размерами каждой отдельной ячейки мезомасштаб-ного уровня.

При этом ячеистая структура формируется в результате знакопеременных возвратно-поворотных мод пластической деформации ячеек друг относительно друга при возрастании величины врезной подачи на микромасштабном уровне с каждым очередным импульсом в обрабатывающей системе.

Таким образом, благодаря самоорганизующемуся и синхронному накоплению усталости к знакопеременным поворотным модам деформации в каждой отдельной из всего множества пограничных субструктур в однослойной ячеистой структуре к моменту окончания этого процесса имеет место одновременные потери сдвиговой устойчивости во всем множестве таких пограничных субструктур, которая сопровождается одновременным дискретным отделением (срезанием) с обрабатываемой поверхности кристалла на площади макромасштабного уровня каждого такого слоя со всем множеством упомянутых ячеек в виде множества единичных пластически деформированных «стружек» с образованием в приповерхностном слое диссипативной субструктуры с высотой микронеровностей Яг, не превышающей линейные размеры единичных ячеек.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Панин А.Е. "Теория физической мезомеханики материалов". Журнал "Физика", Известия ВУЗов, N1, 1998, с.7-34.

2. Сильченко О.Б. "Разработка метода и требований к оборудованию для бездефектного (пластичного) размерного резания хрупких материалов", - Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Москва, ЭНИМС, 1995 г.

3. Сильченко О.Б., Коньшин А.С. "Моделирование процессов бездефектного резания алмазов на принципах физической мезомеха-

ники". Труды Научно-практической конференции МГГУ "Неделя горняка - 99", с.6.

4. Коньшин А.С. Сильченко О.Б., Брайан Джон Сноу. Способ микрошлифования твердоструктурных материалов и устройство для его реализации, заявка на Патент РФ №2000105353.

Сильченко Ольга Борисовна — кандидат технических наук, докторант кафедра «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет, директор ЗАО «Анкон». .....................................................................