Шероховатость поверхностей пластин из карбида кремния после алмазно-абразивной обработки

ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛАСТИН ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ ПОСЛЕ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ Бишутин Сергей Геннадьевич, д.т.н., профессор, профессор кафедры «Автомобильный транспорт», Алехин Сергей Сергеевич, аспирант

Брянский государственный технический университет, Брянск, Россия

Исследовано влияние технологических режимов и условий финишной алмазно-абразивной обработки на высотные параметры шероховатости поверхности карбидокремниевых пластин.

Ключевые слова: алмазно-абразивная обработка; карбид кремния; технологические режимы; шероховатость поверхности.

Обработка изделий из керамических материалов, в частности пластин из карбида кремния, представляет собой трудную технологическую задачу в связи с высокой твердостью и хрупкостью материала, а также высокими требованиями к качеству и форме обработанной поверхности. Финишным этапом механической обработки карбидокремниевых пластин является алмазно-абразивная обработка. В настоящее время режимы алмазно-абразивной обработки подобных изделий подбираются экспериментально для конкретной технологической системы [1-3]. Поэтому исследования, направленные на разработку научно-обоснованных методик и рекомендаций по обеспечению требуемого качества указанных изделий для широкого спектра технологических систем являются актуальными.

Алмазно-абразивная обработка пластин из карбида кремния проводилась на специальной установке (рис. 1).

1

Z

I

Ж

а) б)

Рис. 1. Схема (а) и рабочая зона (б) установки для алмазно-абразивной

обработки

Базовым элементом установки, на котором крепятся все узлы, является каркас 1. На нем устанавливается корпус 4 с кожухом. В корпус на валу в подшипниковых опорах крепится притир 6 с фиксаторами. К каркасу крепится плита с двигателем и редуктором 2. Натяжное устройство на плите позволяет регулировать усилие натяжения приводного ремня. Блок управления 5 обеспечивает вращение притира с необходимой частотой при обработке пластин. Вилкообразный держатель 3 с роликами на конце служит опорой алюминиевой планшайбе, на которой закреплены карбидокремние-вые пластины.

Следует отметить, что на одну из сторон пластины наклеивается адгезионная пленка для защиты данной поверхности от царапин и механических повреждений. Вторая сторона заготовки подвергается механической обработке. Далее на планшайбу наносится смесь парафина и воска, и размещаются на ней заготовки пластин. Затем происходит нагрев планшайбы с образцами и их охлаждение при комнатной температуре [4]. В результате образцы приклеиваются к планшайбе, на которую в дальнейшем наносится алмазно-абразивная паста (рис. 2).

На указанном технологическом оборудовании было проведено несколько серий экспериментов финишной абразивной обработки кар-бидокремниевых пластин с повторением. Обработке подвергались как цельные пластины, так и части пластин на различных режимах резания, с варьированием количества этапов обработки, использованием алмазных паст разной зернистости и двумя типами притиров. Данные о параметрах шероховатости обработанной поверхности, а также профиль образцов в виде профило-граммы, были получены с помощью профилографа-профилометра «Mahr GmbH».

На первом этапе была проведена одновременная обработка двух цельных пластин и нескольких их частей. Целью данного расположения пластин на планшайбе служит исключение биения карбидокремниевых заготовок о притир в процессе финишной абразивной обработки (рис.1).

Условия алмазно-абразивной обработки и параметры шероховатости представлены в табл.1.

Рис.2. Карбидокремниевые пластины, наклеенные на планшайбу и покрытые алмазно-абразивной пастой

Таблица 1 - Условия проведения первой серии экспериментов _и шероховатость поверхности пластины_

Наименование параметра или эле- Обозначение или величина

мента режима обработки

Алмазно-абразивный материал Паста АСМ 60/40 ПОМ ГОСТ 22593-83

Частота вращения притира, мин-1 48

Материал притира Сталь 45

Этапы и время обработки, I этап: 30 минут без груза

нагрузка на планшайбу II этап: 105 минут с грузом 4,8 кг на планшайбе

Параметры шероховатости обрабо- ГОСТ 2789-73

танной поверхности

Яа, мкм 0,9...1,6

Яг, мкм 6,0...7,5

Яшах, мкм 6,5.9,0

Базовая длина шероховатости, мм 5,6

На втором этапе было проведено шлифование четырех карбидокремние-вых заготовок и четырех частей кремниевой пластины на одной планшайбе. Измерение параметров шероховатости осуществлялось в продольном и поперечном направлениях. Результаты исследований представлены в табл.2.

Таблица 2 - Условия проведения второй серии экспериментов

и параметры шероховатости поверхности

Наименование параметра или Обозначение или величина

элемента режима обработки

Абразивный материал Паста АСМ 40/28 ПОМ ГОСТ 22593-83

Частота вращения притира, мин-1 30

Материал притира Стекло листовое, бесцветное ГОСТ 111-2014

Время обработки и нагрузка на планшайбу 120 минут с грузом 4,8 кг на планшайбе

Параметры шероховатости по- Продольная ше- Поперечная шеро-

верхности по ГОСТ2789-73 роховатость ховатость

Яа, мкм 0,5.0,6 0,4.0,6

Кг, мкм 4,3.5,0 3,4.4,4

Яшах, мкм 4,7.5,9 5,3.5,5

Третьим этапом исследования стала алмазно-абразивная обработка восьми четвертей карбидокремниевых пластин на одной планшайбе (рис. 3) по следующему технологическому маршруту: обработка пастой АСМ 60/40 при частоте вращения планшайбы 30 мин-1 в течение 5 часов (четыре из которых с грузом 4,8 кг на планшайбе); обработка пастой АСМ 40/28 при частоте вращения планшайбы 35 мин"1 в течение 3-х часов с грузом; об- Рис.3. Планшайба с восьмью образ-работка пастой АСМ 28/20 при цами карбидокремниевых пластин частоте вращения планшайбы 35 мин-1 в течение 2-х часов без нагрузки на планшайбу. Материал притира стекло листовое бесцветное ГОСТ 1112014.

При этом шероховатость обработанной поверхности в продольном направлении составила Яа=0,56...0,58 мкм и Кшах=5,0...5,2 мкм, в поперечном - Яа=0,54.. .0,56 мкм и Яшах=4,6 .4,9 мкм .

Далее было проведено шлифование восьми четвертей пластин на одной планшайбе в два этапа: обработка пастой АСМ 60/40 при частоте вращения планшайбы 30 мин-1 в течение 5 часов (четыре из которых с грузом на планшайбе равным 4,8 кг); обработка пастой АСМ 28/20 при частоте вращения планшайбы 35 мин-1 в течение 2-х часов с грузом. Материал притира - стекло листовое бесцветное ГОСТ 111-2014.

По сравнению с предыдущими опытами шероховатость обработанной поверхности существенно не изменилась (Яа=0,57...0,59 мкм, Я2=4,2...4,4 мкм и Кшах=5,6...5,7 мкм), однако толщина дефектного слоя при такой технологии будет повышенной из-за исключения одной стадии обработки, направленной на снижение глубины дефектного слоя.

Последним этапом экспериментальных исследований стала одновременная абразивная обработка двух частей карбидокремниевых пластин и трех целых заготовок (рис.4) на технологических режимах, которые были использованы для шлифования восьми образцов из карбида кремния на третьем этапе экспериментальных исследований. Шероховатость после данной механической обработки в продольном направлении составила Яа=1,0...1.1 мкм, Кг=6,0...6,2 мкм, Яшах=7,7.8,0 мкм в поперечном - Яа=0,95.. .0,98 мкм, К^=6,5.. .6,7 мкм, Яшах=7,5.. .7,7 мкм.

Растрескивание пластин в ходе экспериментальных исследований не наблюдалось.

Анализ результатов

экспериментальных исследований показывает, что с уменьшением зернистости алмазно-абразивной пасты (с 60/40 до 28/20 мкм) шероховатость обработанной поверхности уменьшается в 2,5.3 раза. С увеличением количества этапов механической обработки поверхности снижается шероховатость поверхности и глубина дефектного слоя.

Меньшая шероховатость обработанной поверхности достигается при использовании стеклянного притира. Это объясняется тем, что абразивные зерна практически не шаржируются в стеклянные притиры и их количество не уменьшается.

Соотношения между высотными параметрами шероховатости поверхности карбидокремниевых пластин после алмазно-абразивной обработки следующие: Яшах/ Яа=8.10, Яг/ Яа=6.8.

Шероховатая поверхность пластин после рассмотренной обработки изотропна. Значения параметров шероховатости поверхности, при измерениях в различных направлениях, существенно не меняются.

При одновременной алмазно-абразивной обработке нескольких карби-докремниевых пластин, размещенных на одной планшайбе, увеличивается производительность технологического процесса, снижается шероховатость обработанной поверхности (до Яа=0,50.0,55 мкм), однако существенно возрастает интенсивность изнашивания притира. Если же осуществлять финишную абразивную обработку карбидокремниевых пластин совместно с кремниевыми пластинами на аналогичных режимах резания, то производительность процесса снижается, шероховатость обработанной поверхности возрастает до Яа=0,9.1,1 мкм вследствие загрязнения кремниевой стружкой поверхностей карбидокремниевых пластин. Однако величина износа притира в этом случае незначительна.

Проведенные исследования позволяют научно обоснованно выбирать условия и режимы финишной алмазно-абразивной обработки карбидок-ремниевых пластин, обеспечивающие требуемую шероховатость их поверхностей.

Список литературы

1. Агеев, О. А., Карбид кремния: технология, свойства, применение/ О. А. Агеев, А.Е.Беляев, Н.С. Болтовец, В.С. Киселев. - Харьков: ИСМА, 2010. - 532с.

2. Суслов, А.Г. Математическая модель шероховатости шлифованной поверхно-сти/А.Г. Суслов, С.Г. Бишутин// Справочник. Инженерный журнал. - 2004. - №8. - С. 17-20.

3. Долотов, Н. И. Влияние механической обработки на структуру поверхности монокристаллов карбида кремния / Н. И. Долотов [и др.]// Физика и химия обработки материалов. - 1986. - № 4. - С. 69-71.

4. Бишутин, С.Г. Совершенствование технологии финишной абразивной обработки пластин из карбида кремния/ С.Г. Бишутин, С.С. Алехин// Вестник Брянского государственного технического университета. - 2018. - №5(66). - С. 9-13.

Bishutin Sergey Gennadyevich, Dr.Tech.Sci., professor, professor of Motor transport department,

Alyokhin Sergey Sergeyevich, post-graduate student

Bryansk state technical university, Bryansk, Russia (e-mail: nad-bisch@yandex.ru) ROUGHNESS OF SURFACES OF PLATES FROM SILICON CARBIDE AFTER DIAMOND AND ABRASIVE PROCESSING

Abstract. Influence of the technological modes and conditions of finishing diamond and abrasive processing on high-rise parameters of surface roughness of plates from silicon carbide is investigated.

Key words: diamond and abrasive processing; silicon carbide; technological modes; surface roughness.