МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ
БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра физики твердого тела и нанотехнологий
СЕТИНСКИЙ
Андрей Александрович
МАССОПЕРЕНОС ПРИ ПОЛИРОВАНИИ МЕТАЛЛОВ И
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
Дипломная работа
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
А.Л. Худолей,
Зав. лаборатории высокоточной
обработки поверхности ИТМО
им. А.В. Лыкова НАН РБ
Допущен к защите
«___» ___________2023 г.
Зав. кафедрой физики твердого тела и нанотехнологий,
доктор физ.-мат. наук, профессор В.В. Углов
МИНСК, 2023
РЕФЕРАТ
Дипломная работа 55 с., 35 рис., 5 табл., 20 источников.
МАССОПЕРЕНОС
ПРИ
ПОЛИРОВАНИИ
МЕТАЛЛОВ
И
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.
Ключевые слова: магнитореологическое полирование, металлические
подложки, шероховатость поверхності, абразив, теория уноса.
Объект – область контакта магнитореологической полировальной
жидкости с обрабатываемой деталью.
Предмет
–
скорость
уноса
материала,
гидродинамика
магнитореологической жидкости, шероховатость поверхности.
Цель – изучение процесса уноса материала при магнитореологическом
полировании поверхностей металлов, оценка перспектив использования
магнитореологического полирования для обработки поверхностей металлов и
металлических сплавов с достижением параметров качества поверхности
нанометрового уровня.
Методы исследования – получение полировальных пятен при различных
рабочих зазорах и времени экспозиции, обработка плоской поверхности.
В данной работы был проведен литературный обзор, в рамках которого
были обобщены данные о методах обработки поверхности металлов и
металлических сплавов, позволяющих достигать параметров качества
поверхности нанометрового уровня, в результате чего были выделены
преимущества
метода
магнитореологической
обработки.
Для
экспериментальной установки магнитореологического полирования были
получены экспериментальные и теоретические данные для скорости уноса
материала с поверхности, а также рассчитаны сдвиговые напряжения и
нормальные давления в области детали и полировальника. Определено, что
теоретические методы расчета скорости уноса материала, зарекомендовавшие
себя при обработке керамик, не позволяют точно определять скорость уноса при
обработке металлов, предложено теоретическое объяснение данному явлению на
основе химического взаимодействия несущей среды полировальной жидкости и
поверхности материала. Замечено возникновение наплывов в начале
полировального пятна, что может быть следствием механической деформации
материала.
Полученные
данные
могут
быть
использованы
для
совершенствования метода магнитореологического полирования.
Область применения – высокоточная обработка поверхности металлов и
металлических сплавов.
2
РЭФЕРАТ
Дыпломная работа 55 с., 35 мал., 5 табл., 20 крыніц.
МАССАПЕРАНОС ПРЫ ПАЛІРАВАННІ МЕТАЛАЎ І МЕТАЛІЧНЫХ
СПЛАВАУ
Ключавыя словы: магнітарэалагічнае паліраванне, металічныя падлёжкі,
шурпатасць паверхні, абразіў, теорыя вынасу матэрыялу
Аб'ект – воблаць кантакту магнітарэалагічнай паліравальнай вадкасці з
металічнай паверхней.
Прадмет – хуткасць вынасу матэрыяла, гідрадынаміка магнітарэалагічнай
вадкасці.
Мэта – пазнаёміца з магчымымі схемамі Фур'е-спектрометраў,
распрацаваць і сабраць макет Фур'е-спектрометра, атрымаць і апрацаваць вынікі
з распрацаванага макета.
Метады даследавання - атрыманне паліравальнай плям пры розных
працоўных зазорах і часу экспазіцыі, апрацоўка плоскай паверхні.
У дадзенай працы быў праведзены літаратурны агляд, у рамок якога былі
абагульнены дадзеныя аб метадах апрацоўкі паверхні металаў і металічных
сплаваў, якія дазваляюць дасягаць параметраў якасці паверхні нанаметровага
ўзроўню, у выніку чаго былі вылучаныя перавагі метаду магнитореологической
апрацоўкі. Для эксперыментальнай ўстаноўкі магнитореологического
паліравання былі атрыманы эксперыментальныя і тэарэтычныя дадзеныя для
хуткасці вынасу матэрыялу з паверхні, а таксама разлічаны сдвиговые
напружання і нармальныя ціску ў галіне дэталі і полировальника. Вызначана,
што тэарэтычныя метады разліку хуткасці вынасу матэрыялу, зарэкамендавалі
сябе пры апрацоўцы керамік, не дазваляюць дакладна вызначаць хуткасць
вынасу пры апрацоўцы металаў, прапанавана тэарэтычнае тлумачэнне дадзенай
з'яве на аснове хімічнага ўзаемадзеяння апорнай асяроддзя паліравальнай
вадкасці і паверхні матэрыялу. Заўважана ўзнікненне наплываў ў пачатку
паліравальнай плямы, што можа быць следствам механічнай дэфармацыі
матэрыялу. Атрыманыя дадзеныя могуць быць выкарыстаны для ўдасканалення
метаду магнитореологического паліравання.
Вобласць ужывання – высокадакладная апрацоўка паверхні металаў і
металічных сплаваў.
3
ABSTRACT
Graduate work 55 p., 35 fig., 5 tables, 20 sources.
MASS TRANSFER DURING POLISHING OF METALS AND METAL
ALLOYS.
Key words: magnetorheological polishing, metal substrates, surface roughness,
abrasive, material removal theory.
The object is material removal rate, magnetorheological fluid hydrodynamics,
surface roughness.
Subject - material entrainment rate, magnetorheological fluid hydrodynamics,
surface roughness.
The goal is to study the process of material entrainment during
magnetorheological polishing of metal surfaces, to assess the prospects of using
magnetorheological polishing for the treatment of metal surfaces and metal alloys with
the achievement of surface quality parameters at the nanometer level.
Research methods - obtaining polishing spots at various working gaps and
exposure time, processing a flat surface.
In this work, a literature review was conducted, in which data on methods of
surface treatment of metals and metal alloys were summarized, allowing to achieve
surface quality parameters at the nanometer level, as a result of which the advantages
of the magnetorheological treatment method were highlighted. For the experimental
installation of magnetorheological polishing, experimental and theoretical data were
obtained for the rate of material entrainment from the surface, as well as shear stresses
and normal pressures in the area of the part and the polisher were calculated. It is
determined that the theoretical methods of calculating the rate of material entrainment,
which have proven themselves in the processing of ceramics, do not allow to accurately
determine the rate of entrainment in metal processing, a theoretical explanation of this
phenomenon is proposed based on the chemical interaction of the carrier medium of
the polishing fluid and the surface of the material. The occurrence of surges at the
beginning of the polishing spot was noticed, which may be a consequence of
mechanical deformation of the material. The obtained data can be used to improve the
method of magnetorheological polishing.
The scope of application is high – precision surface treatment of metals and
metal alloys.
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 6
ГЛАВА 1 ПРЕЦЕЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ........................................................................... 8
1.1 Актуальность высокоточной обработки поверхностей металлов ......... 9
1.2 Физические особенности металлов ......................................................... 12
1.3 Параметры качества обработки поверхности ........................................ 14
1.4 Методы финишной обработки поверхности .......................................... 15
ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ УНОСА ........................................................................ 19
2.1 Магнитореологическая полировальная жидкость ................................. 19
2.2 Модуль магнитореологической обработки ............................................ 21
2.3 Основные виды взаимодействия в процессе полировки ...................... 24
2.4 Улучшение характеристик уноса при полировании металлов с
помощью химического воздействия на поверхность ............................................ 27
2.5 Влияние количественного и качественного состава жидкости на
магнитореологическое полирование ....................................................................... 28
2.6 Геометрия контактного полировального пятна ..................................... 30
2.7 Модель скорости уноса вещества............................................................ 33
2.8 Распределение напряжений в полировальном пятне ............................ 35
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА............................................. 39
3.1 Экспериментальное оборудование.......................................................... 39
3.2 Выбор образца ........................................................................................... 41
3.3 Режимы получения получения полировальных пятен .......................... 43
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА......................................... 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. 56
5
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день, основное направление усовершенствования
различных устройств связано с повышением качества используемых материалов.
В общем случае, совершенствование современных материалов заключается в
достижении предельных параметров, минимизирующих расхождения между
реальными и идеальными характеристиками. Для этого материалы стремятся
производить с минимальным количеством дефектов и идеальной геометрией
кристаллической решетки.
Металлы и металлические сплавы остаются одними из наиболее
востребованных материалов для производства современных устройств, начиная
от высокотемпературных проводников до отдельных компонентов атомных
реакторов. Требования к их степени совершенства постоянно растут. Одним из
параметров, определяющих качество таких материалов, является поверхностная
отделка, которая включает в себя шероховатость и точность формы.
Для достижения нанометрового уровня шероховатости и точности формы
после обработки с использованием традиционных методов, материалы
подвергаются
высокоточному
полированию,
также
называемому
финишированием. Существует несколько подходов к такому полированию,
включая магнитные, немагнитные и гибридные методы. Некоторые из этих
методов позволяют достичь поверхности с параметрами, измеряемыми в
нанометрах,
такие
как
магнитореологическое,
магнитоабразивное,
электрохимическое
и
химикомеханическое
полирование.
Различные
комбинации и вариации этих методов позволяют добиться даже более высокой
точности до долей нанометра. Наиболее разработанным и изученным методом
является химикомеханическое полирование, однако у него есть некоторые
недостатки, такие как низкая экологическая пригодность, необходимость
тщательного подбора химических реагентов для каждого материала и точная
настройка параметров полировки.
Интересным альтернативным методом для финишной обработки
поверхностей является магнитореологическое полирование. Его основная
особенность заключается в использовании "умной жидкости", которая
представляет собой трехфазную систему, состоящую из несущей среды,
абразивных и магнитных частиц. При наличии магнитного поля, магнитные
частицы в жидкости структурируются, придавая ей вязко-пластичные свойства.
Благодаря этим свойствам магнитореологическое полирование имеет ряд
преимуществ перед другими методами, включая возможность обработки деталей
сложной формы, высокую скорость удаления материала и благоприятные
6
условия обработки. Тем не менее, у метода магнитореологического полирования
есть свои недостатки, такие как высокая стоимость самого метода, ограничения
в использовании определенных составов жидкости для различных материалов и
сложность описания физических процессов, связанных с ним.
Метод магнитореологического полирования в основном применяется при
обработке оптических деталей, для изготовления которых в большинстве
случаев используются карбиды, керамика и аналогичные соединения,
описываемые преимущественно ковалентными и ионными химическими
связями. Металлы, в свою очередь, обладают своим типом связи металлической, что определяет многие особенности их физических свойств.
Целью данной работы является исследование физических особенностей и
возможностей применения метода магнитореологической обработки при
полировании металлических поверхностей для достижения нанометрового
уровня шероховатости. Для достижения этой цели требуется разработать
теоретическую модель процесса удаления материала и проверить ее
согласованность с экспериментальными результатами.
Задачи исследования:
 Актуальность применения металлов с прецизионной степенью
обработкой поверхности
 Выделение преимуществ и недостатков различных методов полировки
и высокоточной обработки металлов
 Обзор механизмов уноса материала при магнитореологическом
полировании
 Изучение факторов, влияющих на параметры качества поверхности и
скорость уноса материала
 Анализ применимости магнитореологического полирования для
нанометровой обработки поверхности металлов
7
ГЛАВА 1
ПРЕЦЕЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
В настоящее время существует довольно большое количество устройств и
приборов, при изготовлении которых требуется соблюдение высокого качества
поверхности [1, 2, 3, 4]. Наиболее известными и распространенными из которых
являются подложки и пленки в микроэлектронике, а также прецизионная оптика.
При их изготовлении применяются кремниевые подложки, карбиды, керамики,
плавленый кварц и другие материалы, которые в общем с точки зрения физики
можно описать ковалентными межатомными связями. За счет этого данные
материалы отличаются довольно высокой твердостью, а также практическим
отсутствием зоны пластичности. Методы обработки подобных поверхностей
позволяют достигать в промышленных масштабах нанометрового уровня
качества поверхности. К подобным методам относятся химико-механическое
полирование,
магнитоабразивное
полирование,
магнитореологическое
полирование, а также более сложные и требующие большего времени обработки:
эластичная эмиссионная обработка, лазерная обработка, обработки ионным
пучками [5, 6, 7]. Последние три упомянутых метода, как правило используются
для получения поверхностей с точностью до атома (параметр шероховатости < 1
Å) и поэтому применяются скорее для экспериментов или же для обработки
изделий довольно небольшого круга использования, в то время как первые три
упомянутых метода широко применяются в промышленности, в производстве
микроэлектроники и прецизионной оптики [5, 6].
Существует довольно много перспективных устройств и приборов,
требующих прецизионного качества поверхности при изготовлении которых
используются как подложки, так и непосредственно сами металлы и
металлические сплавы. С точки зрения физики металлические связи дают
материалам ряд характеристик, довольно сильно отличающий из от других
материалов. Наиболее важными из них с точки зрения процесса обработки
поверхности являются малая твердость, малая ударная вязкость и довльно
широкий диапазон упругих и пластических деформаций [7]. За счет этого
полирование металлов и металлических сплавов является довольно сложной
задачей, процесс которой будет изучаться в данной работе.
Прежде всего стоит описать при производстве каких устройств требуется
высокоточная нанометровая обработка металлов и металлических сплавов, а
также о методах полировки, позволяющих достигать высокого качества
поверхности.
8
1.1 Актуальность высокоточной обработки поверхностей
металлов
Как уже отмечалось есть ряд перспективных, разрабатываемых и
производимых устройств, при производстве которых требуется высокоточная
обработка поверхности металлов и металлических сплавов. Среди наиболее
значимых можно выделить производство лент высокотемпературных
сверхпроводников (ВТСП), нейтроноводов, биомеханических протезов,
прецизионных деталей различных механизмов, различных датчиков, оптических
зеркал и алюминиевых печатных плат. Далее кратко опишем как именно
шероховатость влияет на производство и работу данных устройств и изделий, а
также как именно оценивается качество поверхности и какие существуют классы
точности поверхности.
Производство ВТСП лент в последнее время набирает все большие
обороты, так за последние 5 лет рынок сверхпроводников вырос в 3 раза, а в
будущем прогнозируется снижение цены их цены к 2025 году и рост рынка
порядка 10% в год. Наибольший интерес ВТСП представляют в области
энергетики, планируется применять их в линиях электропередач. В ряде стран
(Китай, Япония, Германия, США, Россия и др.) уже реализованны ряд
экспериментальных проектов по использованию ВТСП кабельных линий, как
для переброски энергии между подстанциями и токоограничительных устройств
на их основе. Эти проекты показывают до 4 раз большую мощность, при
снижении потерь в 2-3 раза. Также ведутся разработки по использованию ВТСП
в электродвигателях, электромагнитах и других электрических устройствах [1].
На данный момент ВТСП провода работают при температурах жидкого
азота (порядка 70К). При этом выдерживать довольно большие давления,
обладать довольно высокой прочностью, быть устойчивым к коррозии и
отличаться возможностью упругих деформаций. Производство ВТСП лент
можно сравнить с производством микропроцессоров, в ходе которого на
подложку напыляются тонкие функциональные слои различного назначения [2].
Нанесение данных слоев на подложку является ключевым этапом производство,
оказывающим наибольшее влияние на процент брака, правильность работы
провода и его характеристики (рисунок 1.1). Для наиболее точного напыления
подложка должна обладать 14 классом шероховатости, поскольку даже
незначительные отклонения от формы подложки будут делать процесс
производства практически невозможным.
9
Подложка для ВТСП лент изготавливается из никель-хром-молибденового
суперсплава Хастеллой С-276, реже применяются различные нержавеющие
стали. Хастеллой является торговой маркой компании Haynes, однако
постепенно стал нарицательным названием для ряда коррозионностойких
никелевых сплавов [2]. Главной задачей Хастеллоя является эффективная работа
при высоких давлениях и температурах. Хастеллой не поддается локальной,
щелевой, ударной видам коррозии; не реагирует на муравьиную и уксусную
кислоты, антигидриды, инертен к соединениям хлора, отлично ведет себя в
различных химических средах. [2] Из-за подобных свойств обработка
поверхности Хастеллоя представляет собой довольно трудную задачу. На
данный момент в промышленном производстве при полировке подложек ВТСП
лент используется электрохимическое полирование. [3]
Рисунок 1.1. Лента высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) [2].
Шероховатость и в целом качество поверхности имеет весьма весомое
значение в плане оптических свойств материала. Сильные неровности
поверхности могут искажать как коэффициент преломления так и коэффициент
отражения материала, поскольку в данной работе изучаются металлы, то имеет
смысл упомянуть как именно шероховатость влияет на коэффициент отражения
материала, поскольку коэффициент преломления не имеет особого
практического значения для металлов. Наличие микроструктуры поверхности
приводит к диффузионному, незеркальному рассеянию электромагнитных волн
на поверхности. Особенно это заметно если рассматривать диапазон длин волн
менее 10 нм (диапазон рентгеновских лучей и менее). Помимо электромагнитных
волн, ввиду корпускулярно-волнового дуализма, волновыми свойствами также
обладают и частицы.
Особый интерес представляют так называемые «холодные» и «ультра
холодные» нейтроны. Название обусловлено тем что они двигаются с низкими
скоростями, т.е. обладают малой энергией, по аналогии с термодинамикой для
них вводится «температурный» спектр. Нейтроны не имеют заряда, а потому
довольно легко проникают в атомы, минуя электронную оболочку, где либо
вызывают ядерные реакции, либо рассеиваются на ядрах. Поэтому именно
10
«холодные» и «ультрахолодные» нейтроны, длина волны которых имеет порядок
длины волны одного атома (1 А) представляют довольно большой интерес к
изучению. Тепловые нейтроны, к которым относятся «холодные» и
«ультрахолодные» получаются в результате ядерных реакций в мощных ядерных
реакторах, где для отделения от других частиц проходят через различные виды
охладителей [4]. Ввиду того что вблизи реакторов помимо нейтронов довольно
большую концентрацию имеют и другие частицы (альфа, бета и т.д.),
измерительные приборы ставятся на довольно большом расстоянии от реактора,
вплоть до сотен метров. Поэтому нейтроны необходимо «доставить» до десятков
различных приборов, расположенных на довольно большом расстоянии, с
наименьшими потерями для чего применяются нейтроноводы различных
геометрических форм и размеров, также нейтроноводы применяются и для
вакуумного охлаждения «холодных» нейтронов до «ультрахолодных». Сами
нейтроноводы представляют собой по сути зеркала и супер-зеркала, обладающие
способностью зеркально отражать нейтроны [4].
Как уже упоминалось шероховатость поверхности оказывает невероятно
большое влияние на оптические свойства материала. Современные нейтронов
оды изготавливаются как правило из суперзеркал, представляющих собой
многослойные структуры, различных материалов, с переменным периодом,
подобранных так чтобы критический угол отражения превышал критические
углы каждого из материалов по отдельности [4, стр. 14].
Таблица 1.1 Материалы, используемые при изготовлении нейтроноводов
[4, стр. 11].
Материал
N, cm-3 x 1024
bcoh, фм
(1 — n) для 1 Å, x 10-6
θc, deg/Å
Al
0.603
3.5
0.34
0.047
Ti
0.0566
-3.4
0.31
Fe
0.0847
9.5
1.28
0.092
Ni
0.0898
10.3
1.47
0.097
58
Ni
0.0898
14.4
2.06
0.113
Cu
0.0847
7.6
1.02
0.082
Si02
0.0267
15.8
0.67
0.066
Как видно из списка материалов, обладающих хорошими нейтроннооптическими свойствами (таблица 1.1), большинство из них — это металлы.
Ввиду дешевизны наиболее часто применяется алюминий или медь, которые
образует подложку, на которую в дальнейшем наносятся слои с разных периодов,
это может быть и никель (58 изотоп принят эталоном по своим нейтроннооптическим свойства), и титан, и обычное кварцевое стекло. Таким образом
11
хорошее качество поверхности алюминиевой или медной подложки необходимо
не только для получения высокой рефлективности поверхности, но и для
качественного нанесения функциональных слоев [4, стр. 11].
Также можно упомянуть и о молибденовых зеркала для CO2 лазеров,
биомеханических протезах, соединений для прецизионного управления
некоторых механизмов [5, 6]. Однако наиболее важные параметры, на которые
сильно влияет шероховатость поверхности уже описаны, потому стоит перейти
к дальнейшему рассмотрению процессов обработки металлов.
1.2 Физические особенности металлов
Металлы представляют довольно обширный класс веществ, обладающих
характерными для них металлическими свойствами, из которых можно выделить
высокие теплопроводность, электропроводность, пластичность, ковкость и др.
Понятно, что поскольку металлы представляют довольно обширный класс
веществ эти характеристики могут довольно сильно отличаться, при сравнении
одних металлов с другими, тем не менее если сравнивать металлы с другими
твердотельными материалами, становится понятно, что материалы обладающие
металлическими характеристиками можно выделить в отдельный класс
элементов. Этими характеристиками обусловлено обширное применение
металлов как в далеком прошлом, так и современном мире. В предыдущем
параграфе уже было упомянуто в каких именно областях требуется
используются металлы с хорошим качеством поверхности. Обработку
поверхности можно условно разделить по способам воздействия на поверхность:
химическую, механическую и комбинированную, однако можно сказать, что на
каждый из них будут влиять характеристики обрабатываемого материала. [6]
С химической точки зрения металлами являются вещества электронные
оболочки которых заполнены менее, чем на половину. Поэтому они обладают
низкой электроотрицательностью, основным параметров в химии, относящим
практически все металлы к классу восстановителей и определяющим
возможности образовывать сложные вещества, наравне с количеством
валентных электронов на внешней оболочке атома. В данной работе под
металлами и металлическими сплавами подразумеваются твердотельные
материалы, обладающие характерной металлической связью в кристалле.
Металлическая связь возникает за счет обобществления валентных электронов
атомов. Таким образом в узлах атомов будут располагаться ионы атомов
металлов, вокруг которых беспорядочно движется так называемый электронный
12
газ (электроны проводимости), который как бы стягивают ионы друг с другом
(рисунок 1.2). Можно сказать, что характеристики твердого тела обусловлены
взаимным притяжением и отталкиванием ионов и электронов в узлах
кристаллической решетки [6].
Рисунок 1.2 Схема межатомной металлической связи.
Таким строением кристаллической решетки определяются основные
свойства металлов и их сплавов, такие как электропроводность,
теплопроводность, полиморфизм, пластичность и прочность. Поскольку
полирование по сути является разрушением и пластической деформацией
поверхности, то стоит описать как именно металлическая связь влияет на
прочностные свойства материала. К ним можно отнести твердость, пластичность
и упругость. Все эти характеристики по сути являются следствием межатомных
взаимодействий в кристалле и проявляются при деформациях материала. При
определенных нагрузках на материал, условно возьмем деформацию
растяжения, проявляются различные прочностные свойства материала,
отображенные на диаграмме деформаций. При растяжении материала
изменяются межатомные расстояния в кристалле, условно можно объяснить
механически свойства материала. При растяжении металла до достижения
определенных нагрузок материал, способен возвращается в исходную форму
(эластичность), межатомные расстояния таковы что ионы еще могут вернуться в
исходное положение [7, стр. 152]. При определенном растяжении достигается
предел текучести, после которого эластическая деформация (упругая) переходит
в зону пластичности, в которой материал может изменять форму не разрушаясь
при этом, т.е. ионы как бы перескакивают из одного узла в другой, после
дальнейшего растяжения достигается такое растяжение и нагрузки при которых
атомы больше не могут ни перескакивать между узлами решетки, что приводит
к разрушению материала [7]. Влиять на эти параметры счет колебаний атомов в
узлах кристаллической решетки, что достигается либо нагревом, либо
воздействием ультразвука, что используется при необходимости улучшения
параметров полировки.
13
При сравнении металлов с другими твердотельными материалами, можно
сказать, что они отличаются большей мягкостью, но при этом и большей
прочностью, как уже было описано это определяется строением атомнокристаллической решетки. Эти параметры довольно сильно влияют на обработку
металлов при различных механических технологических процессах. При
обработке поверхности можно сказать, что из-за этих характеристик обработка
поверхности металлов представляет довольно сложный процесс, при котором
необходимо учитывать, что при недостаточных напряжениях унос материала
может не наблюдаться, но при слишком больших материал может
деформироваться, из-за чего на поверхности образуется нарушенный слой.
1.3 Параметры качества обработки поверхности
Задачей полировки является получение поверхности высокого качества,
поэтому перед дальнейшим рассмотрением процессов полировки стоит
упомянуть как качество поверхности можно охарактеризовать численно, для
дальнейшего сравнения. Выше уже был упомянет параметр шероховатости
поверхности, который является наиболее важным параметром качества
поверхности подразумевающий численную характеристику высот и глубин
неровностей, данной поверхности. Из множества параметров шероховатости
наибольшую практическую ценность имеют среднеарифметическое отклонение
профиля 𝑅а и высота неровностей по 10 наивысшим точкам 𝑅𝑧 , определяемые по
базовой длине l, вдоль которой наблюдается максимальное отклонение профиля
от идеального [10].
𝑙
1
𝑅а = ∫|𝑦(𝑥)|𝑑𝑥 ,
𝑙
(1.1)
0
где |y(x)| – модуль отклонения высоты профиля от средней линии
5
5
1
𝑅𝑧 = [∑|ℎ𝑖 𝑚𝑎𝑥 | + ∑|ℎ𝑖 𝑚𝑖𝑛 |] ,
𝑙
𝑖=1
𝑖=1
14
(1.2)
где ℎ𝑖 𝑚𝑎𝑥 , ℎ𝑖 𝑚𝑖𝑛 – минимальное и максимальное отклонения высоты
профиля от средней линии, заданной в пределах базовой длины. Эти параметры
определяют классы обработки поверхности, которые приведены в таблице 1.2.
Целью работы поставлено получение шероховатости нанометрового уровня,
поэтому стоит рассматривать 14 класс шероховатости (𝑅а <12 нм, 𝑅𝑧 <50 нм).
Таблица 1.2 Классы шероховатости [10].
Класс
Базовая
Ra, мкм
Rz, мкм
шероховатости
длина l, мкм
1
2
…
13
14
8.0
8.0
100-50
50-25
320-160
160-80
0,08
0,08
0.025-0.012
<0.012
0.1-0.05
<0.05
Также еще одним важным параметром качества поверхности является
точность формы, т.е. отклонение реальной поверхности от заданной идеальной.
Для определения этого отклонения вводятся параметры PV и RMS. Первый из
них равен сумме модулей максимальных углублений и возвышенностей
реальной
поверхности
над
идеальной,
а
второй
характеризует
среднеквадратичное отклонение реальной формы от идеальной.
Как понятно из определений, чем меньше значения данных величин, тем
выше качество обработки поверхностей. В данной работе большее внимание
будет уделено параметру шероховатости, поскольку параметр точности формы,
имеет довольно локальное применение, в основном при обработке оптики.
1.4 Методы финишной обработки поверхности
Существует довольно много методов обработки поверхности, однако лишь
несколько из них позволяют достигать параметров шероховатости
нанометрового уровня. В основном они применяются для полировки оптики и
планаризации в процессе производства компонентов микроэлектроники.
Химико-механическое полирование (ХМП), также иногда имеет название
планаризации, поскольку как правило позволяет получать плоскую поверхность
с субнанометровой шероховатость. Наиболее часто применяется при
производстве микроэлектроники. Представляет собой гибрид механического и
химического полирований, процесс удаления материала обеспечен химическим
15
действием реактивов, которые растворяют и удаляют материал обрабатываемой
поверхности, а абразивные частицы обеспечивают дополнительный унос
материала и удаление продуктов химических реакций [11]. Из минусов данного
метода можно выделить необходимость точного подбора химических реактивов
под каждый материал в отдельности, возможность загрязнений поверхности
компонентами реактивов и низкую экологичность методов. Именно из-за этих
минусов ХМП не имело широкого применения до 90-х годов 20 века, развитие
технологии за последние 30 лет обусловлен переходом микроэлектронной
промышленности от алюминиевых контактов к медным. На данный момент
ХМП является самым распространенным методом прецизионной обработки,
позволяя достигать параметров шероховатости <0.5нм для различных подложек
и пленок материалов микроэлектроники [6].
Рисунок 1.3 Схема химико-механического полирования [11].
Электрохимическое полирование (ECP) в силу физических особенностей
применяется как правило для полировки металлов. Довольно обширно
применяется практически во всех видах промышленности от микроэлектроники
до машиностроения. По своей сути является обратным процессом
гальванизации, в данном случае обрабатываемая деталь помещается в ванну с
нагретым электролитом и работает как анод, вместе с ней помещается катод, при
включении в цепь с поверхностного (нарушенного) слоя детали частицы
откалываются и стремятся к катоду. Иногда для повышения качества
обработанной поверхности и скорости реакции в электролит добавляются
кислоны, гидраты, стабилизаторы pH [12]. Несмотря на довольно быструю
полировку ЭХП обладает рядом минусов из которых стоит отметить что если
передержать деталь, перегреть или неправильно подобрать электролит качество
поверхности после обработки будет снижаться, также при ЭХП обработке
удаляется только поверхностный слой, причем равномерно по всей поверхности
детали, что не дает возможности локального выбора участков для большей или
16
меньшей обработки. На данный момент позволяет достигать для ряда металлов
качества шероховатости поверхности <10 нм [6].
Рисунок 1.4 Схема электрохимического полирования [12]: 1 – анод, 2 –
электролит, 3 – нарушенный поверхностный слой, 4 – даталь (электрод).
Магнитоабразивное полирование (MAF) представляет собой обработку
гомогенную смесью абразивных и магнитными частицами. Удаление материала
с поверхности обусловлено чисто механически, столкновениями абразивных
частиц с неровностями на поверхности. Движение частиц относительно детали
осуществляется с помощью вращающегося магнитного поля и механического
движения полировальной смеси, таким образом получается плавно регулировать
унос материала и достигать довольно небольшой шероховатости. Данный метод
в силу того что унос осуществляется чисто механически позволяет полировать
все материалы, но с разной успешностью ввиду прочностных характеристик
материалов. Используется для полирования практически всех материалов,
позволяя достичь параметра шероховатости <10нм. [13]
Рисунок 1.5 Схема магнитоабразивного полирования [13].
Магнитореологическое полирование (MRF), обработка, финиширование
было разработано в 80-х годах 20 века в ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси.
В основе данного метода лежат уникальные свойств магнитореологических
жидкостей (МРЖ), при воздействии на них магнитным полем происходят
17
процессы структурирования, связанные с дипольным моментом магнитных
частиц. Магнитореологическая полировальная жидкость (МРПЖ) представляет
собой дисперсную систему, состоящую из дисперсной среды (несущая
жидкость) и дисперсной фазы (абразивные и магнитные частицы). Как правило
типичный состав МРПЖ это: дистиллированная вода, частицы железа или
карбонильного железа, алмазные частицы [7]. Такой состав делает метод
довольно экономичным и экологичным, также данный метод не оставляет
загрязнений поверхности, позволяет добираться в труднодоступные места,
осуществлять коррекцию формы деталей сложной формы. Из недостатков
можно отметить относительную сложность реализации данного метода, за счет
довольно сложной формы полировального пятна и сложности создания
теоретической модели уноса вещества. На данный момент применяется для
полирования довольно большого количества материалов, однако наиболее
распространено при полировки стекол, керамики, карбидов, и позволяет достичь
параметра шероховатости поверхности Ra <1нм для этих материалов,
объяснение этому будет дано далее [7]. В данной работе будет изучен процесс
уноса материала с поверхности металлов и металлических сплавов при
магнитореологическом полировании, а также практическая реализация с целью
получения поверхности с качеством шероховатости нанометрового уровня. В
следующем параграфе будут рассмотрены основные сведения о МРЖ обработке.
Рисунок 1.6 Схема магнитореологического полирования [7].
18
ГЛАВА 2
ТЕОРИЯ УНОСА
При прецизионном полировании, как и при большинстве высокоточных
технологических процессах необходимо правильное понимание явлений,
происходящих в процессе обработки. Для получения высокого качества
поверхности необходимо знать различные нюансы взаимодействия между
полировальником и обрабатываемым материалом, такие как их химическое
взаимодействие, механическое воздействие частиц, возможные деформации и
образование нарушенного слоя при тех или иных режимах обработки.
Поскольку в данной работе главной задачей является обработка металлов
и металлических сплавов методом магнитореологического полирования, стоит
описать непосредственно метод и устройство модуля магнитореологической
обработки, а также физико-химические явления происходящие в процессе
обработки.
2.1 Магнитореологическая полировальная жидкость
Магнитореологические жидкости (МРЖ) имеют довольно обширное
применение: амортизаторы, демпферы, тормоза и конечно полирование, также
существует ряд разработок: клапана, насосы, электрические батареи, системы
теплоснабжения. Большинство из этих устройств имеют довольно локальное
применение и отличаются довольно высокой стоимостью. Стоит упомянуть, что
есть и другие магнитовосприимчивые жидкости, как правило их отличают по
размеру магнитных частиц, так для ферромагнитных жидкостей характерана
нанометровая
размерность
магнитных
частиц,
в
случае
же
магнитореологических жидкостей используются частицы характерной
размерностью измеряющейся от сотен нанометров до десятков микрометров.
Также зачастую в данную жидкость добавляют различные стабилизаторы для
предотвращения коррозии магнитных частиц и седиментативной устойчивости,
а также различные химические реагенты для увеличения скорости уноса
материала (в западной литературе ХММРФ).
Поведение магнитореологической жидкости можно описать как поведение
вязкопластичных материалов, в которых проявляются как силы вязкого трения,
так и силы сухого трения. Классическая ньютоновская жидкость, описываемая
19
только силами вязкого трения, характеризуется
зависимостью напряжения сдвига 𝜏 от скорости сдвига 𝛾̇ :
𝜏 = 𝜂𝛾̇ ,
пропорциональной
(2.1)
где 𝜂 – ньютоновская вязкость.
Имеется довольно много различных моделей описания поведения
вязкопластичных
жидкостей,
показывающие
различную
степень
согласованности с экспериментальными данными, но наиболее часто для
описания поведения магнитореологических жидкости применяется уравнение
Шведова-Бингама [14]:
𝜏 = 𝜏кр + 𝜂∗ 𝛾̇ при 𝜏 > 𝜏кр
(2.2)
𝛾̇ = 0 при 𝜏 ≤ 𝜏кр
(2.3)
В общем случае бингамовская жидкость имеет определенный предел
текучести 𝜏кр (предельное напряжение сдвига), ниже которого жидкость
начинает вести себя как упругое твердое тело. Вторым параметром,
описывающим поведение вязкопластичной жидкости, является пластическая
вязкость 𝜂 ∗ , отличающаяся от ньютоновской тем, что обусловлена силами сухого
трения. В случае магнитореологических жидкостей предельное напряжение
сдвига имеет зависимость от напряженности магнитного поля 𝜏кр = 𝜏кр (𝐻), чем
и обусловлено специфическое поведение МРЖ при воздействии магнитного
поля [14].
В обычном состоянии магнитные частицы распределены по объему
жидкости в хаотичном порядке и течение жидкости условно описывается как
ньютоновская. При воздействии магнитного поля частицы начинают
структурироваться по вектору магнитной индукции, препятствуя перемещению
дисперсной фазы, в различных работах по изучению данного явления
промежуток времени в котором частицы проходят от хаотичного до
структурирования имеет порядок миллисекунд. Формирование данных структур
обычно описывается силами межмолекулярного взаимодействия (ван-дерваальсовы) и электростатическим отталкиванием, более подробного описания в
данной работе не будет [15].
20
Рисунок 2.1 Поведение МРЖ а – при отсутствии МП, b – при включении МП, c
– при сформированных цепочках магнитных частиц.
Магнитореологическая полировальная жидкость помимо магнитных
частиц как правило содержит еще и абразивные частицы, их наличие довольно
сильно улучшает скорость уноса материала MRR (Material removal rate).
Абразивные частицы обладают меньшим диаметром чем магнитные, за счет
этого при структурировании магнитных частиц абразивные частицы
выдавливаются на поверхность, таким образом происходит взаимодействие
абразивных частиц с обрабатываемой деталью.
2.2 Модуль магнитореологической обработки
В современных станках для магнитореологической обработки МРЖ
подается на небольшой участок вращающегося колеса через сопло,
непосредственно у полируемой детали, внутри колеса или за ним
устанавливается постоянный или электромагнит, с таким направлением поля,
чтобы структурирование магнитных частиц выполнялось на том участке, на
котором происходит контакт МРПЖ и обрабатываемой детали. После того как
жидкость проходит рабочую зону, процессы структурирования в ней
прекращаются и жидкость собирается в кювету, проходит через систему
охлаждения и попадает в отсек для хранения, из которого она поступает обратно
в сопло. Постоянная циркуляция и охлаждение жидкости необходимы из-за
возможной длительности процесса полировки и для того чтобы можно было с
некоторой степенью точности прогнозировать скорость уноса вещества,
необходимо чтобы параметры жидкости были постоянны, циркуляция
необходима для того чтобы частицы в жидкости всегда находились во
взвешенном состоянии, а поддержание температуры сохраняет свойства
жидкости в неизменном виде [16].
21
Рисунок 2.2 Схема модуля магнитореологического полирования.
Существует довольно много различных реализаций установок МРП,
многие из них довольно сильно отличаются друг от друга, это связанно с
необходимостью полировать детали различных форм и размеров, в некоторых
труднодоступных местах используют модули напоминающие по принципу
работы шариковую ручку, рабочее колесо ставят как вертикально, так и
горизонтально. [5, стр.4] Здесь будет рассмотрен процесс обработки на
установки которая в данной работе будет использоваться для исследований.
При работе установки рабочее колесо с магнитореологической жидкостью
неподвижно в вертикальном положении. Обрабатываемая деталь, в данном
случае небольших размеров, прикрепляется к 5-координатной системе
управления, таким образом полирование поверхности детали происходит
перемещением относительно рабочего колеса. Таким образом, установка
позволяет варьировать некоторые параметры, влияющие как на унос материала,
так и на качество получаемой поверхности. Эти величины, это рабочий зазор h,
т.е. расстояние между рабочим колесом и обрабатываемой поверхностью и
скорость вращения рабочего колеса w (в данной работе для удобства
используется линейная скорость вращения колеса u). Эти параметры влияют в
первую очередь на реологические свойства жидкости, что будет рассмотрено в
дальнейшем.
Когда магнитореологическая жидкость попадает из сопла в рабочую зону
магнитные частицы начинают выстраиваться вдоль силовых линий магнитного
поля. Магнитное поле H направленно так, чтобы в рабочей зоне силовые линии
22
были направленны перпендикулярно обрабатываемому объекту. Таким образом
жидкость выходя из сопла, как бы прилипает к рабочему колесу за счет
магнитных сил и таким образом переносится в рабочую зону, после чего
двигается дальше и в зоне, где ослабевают силовые линии магнитного поля,
отлипает и собирается в кювету. После рабочего прохода жидкость из кюветы
охлаждается и подается в резервуар, откуда снова подается на сопло. Таким
образом происходит не только поддержание постоянных свойств жидкости, но и
охлаждение обрабатываетмой поверхности [17].
В наиболее простом варианте жидкость состоит из магнитных частиц
(карбонильное железо), дисперсной среды (дистиллированная вода) и
абразивных частиц (алмазный порошок) [5, 6, 7, 18]. Вода может вызывать
коррозию магнитных частиц, а также частицы могут изнашиваться за счет трения
друг с другом и о поверхности рабочего колеса и обрабатываемой поверхности.
Наиболее простым способом для определения «работопригодности» жидкости
является измерение её магнитной восприимчивости, что и делается перед и после
обработкой. Также частицы могут осаждаться в поле сил тяжести, что может
повлиять на изотропность системы и также является нежелательным. Поэтому в
жидкость добавляются различные стабилизаторы, для минимизации
вышеописанных параметров [16].
Рисунок 2.3 Поведение МРПЖ в модуле магнитореологической
обработки.
Характерный размер абразивных частиц измеряется в десятках и сотнях
нанометров, в то время как размер магнитных частиц в магнитореологической
жидкости измеряется от единиц до десятков микрометров. За счет этого
магнитные частицы, при структурировании выдавливают абразивные частицы,
из объема МРЖ на поверхность. Поэтому унос материала обусловлен в первую
очередь механическим действием абразивных частиц на поверхность.
Исследования по проведению магнитореологической обработки жидкостью, не
имеющей в составе абразивных частиц, показывают, что такое полирование
23
имеет очень малую скорость уноса материала и не позволяет достигать качества
поверхности высокого уровня [17].
Как отмечалось выше наилучшим материалом для обработки является
оптическое стекло, но если рассматривать процесс МРП чисто со стороны
воздействия абразивных частиц на поверхность материала, то стоило бы ожидать
более хороших результатов для материалов с меньшей твердостью, но этого не
происходит. Поэтому нельзя рассматривать полирование магнитореологической
суспензией, как чисто механический процесс.
2.3 Основные виды взаимодействия в процессе полировки
Существует несколько моделей для описания процесса обработки
поверхности со стороны механического воздействия абразивных частиц. Они
могут использоваться как для традиционных методов обработки по типу
шлифовки, так и для более продвинутых как ХМП и МРП. На рисунке 2.4
показаны возможные взаимодействия абразива и материала это: микрорезание,
образование сети микротрещин, откалывание выступающих участков и
пластическое деформирование поверности. Красным цветом обозначен
уносимый материал и абразивная частицы, оранжевым уносимый материал [18,
стр. 48].
Микрорезание (рисунок 2.4а) предстваляет собой, по сути, абразивное
изнашивание поверхности материала абразивом. Характерно для традиционных
процессов шлифования в которых формируются характерные протяженные
царапины. В таком процессе частица внедряется в поверхность матеиала за счет
нормальных давлений на полировальник, а сдвиговые напряжения создаются за
счет относительного движения абразива и обрабатываемой поверхности.
Образование сети микротрещин (рисунок 2.4б) характерен для всех типов
абразивной обработки, но наиболее часто проявляется при полировании
суспензиями. Реализуется за счет многочисленных контактах поверхности, если
абразив обладает достаточной энергией для пластического деформирования и
разрушения материала. Причем полученный таким образом рельеф может
уноситься за счет движения суспензии.
24
Рисунок 2.4 Модели механического уноса вещества абразивом [18, стр. 48]: а –
микрорезание, б – образование сети микротрещин, в – откалывание выступов, г
– пластическая деформация объема материал, д – формирование
«размягченного слоя»
На начальных стадиях полирования и при наличии сдвиговых напряжений
может возникать процесс «откалывания» выступов с поверхности (рисунок 2.4в).
Для этого необходимо чтобы абразив обладал достаточным сдвиговым
напряжением для разрушения материала.
Пластическое деформирование поверхности (рисунок 2.4г) возможно в
случае, если энергии абразива достаточно для пластической деформации
поверхности, но не достаточным для разрушения материала. Стоит отметить, что
в таком случае не происходит уноса материала. В таком случае происходит
перераспределение поверхности, в котором неровности условно «растекаются».
Понятно, что в таком случае эта модель подойдет для материалов, обладающими
лучшими свойствами пластического деформирования.
Четыре описанных модели уноса вещества обусловлены чисто
механическими свойствами, причем первые представляют полирование при
наличии нормальных нагрузок на поверхность, а остальные сдвиговый режим.
Тем не менее уже упоминалось что нельзя описать процесс полирования
суспензиями только с точки зрения механического воздействия абразива,
поскольку важно учитывать химические и адгезионные взаимодействия между
несущей средой и обрабатываемым материалом. На рисунке д показана модель,
учитывающая данные взаимодействия.
25
Формирование «размягченного» (рисунок 2.4д) слоя представляет собой
модель уноса материала, при которой поверхностный слой как-бы
«размягчается» в результате химического взаимодействия полировальника и
поверхностных слоев материала. Очень характерен для химико-механического
полирования, в котором как уже упоминалось химические реагенты могут
растворять, окислять, образовывать новые компоненты на поверхности, а
абразивные частицы, по сути, удаляют эти продукты реакции. В таком случае все
вышеописанные модели механического уноса материала имеют место быть,
однако удаляют они не сам материал, а лишь образовавшиеся компоненты на
поверхности. Данная модель позволяет объяснить почему МРФ так хорошо
показывает себя при полировке стекла, поскольку для него очень характерен
процесс гидратации поверхностных слоев, по сути диффузия воды в
поверхностный слой стекла, за счет чего происходит его размягчение. Причем
для разных марок стекол, процесс полирования имеет различные результаты,
которые довольно хорошо коррелируют с возможностью стекол «впитывать»
воду, марка стекла BK7 по этому параметру является наилучшим, причем
несмотря на большую твердость показывает наилучшие результаты при МРФ
обработке. Из чего можно сделать заключение, что МРФ невозможно
рассматривать как чисто механический способ обработки частиц [18, стр. 49].
Главной задачей данной работы является полирование металлов. Металлы
не обладают подобной стеклу способностью впитывать металлы и потому во
многочисленных
экспериментах
по
обработке
металлов
методом
магнитореологического полирования, лишь некоторые из них показывают
хорошие
результаты,
а
особенно
плохо
поддаются
обработке
коррозионностойкие марки металлов и их сплавов. Тем не менее есть ряд работ
показывающих, что при изменении pH несущей жидкости скорость уноса
материала значительно вырастает, особенно для нержавеющей стали [5, стр. 6].
В иностранной литературе можно встретить довольно большое множество
исследований, в которых в несущую среду добавляться кислоты, щелочи и
другие химические реактивы, и процесс полирования уже характеризуется как
химико-механическое магнитореологическое полирование. Также стоит
отметить, что поскольку магнитные частицы в составе магниторологической
жидкости будут сильно повреждаться при добавлении в жидкость химических
реагентов, особенно если эти реагенты хорошо реагируют на металлы.
Наилучшие результаты МРФ обработка металлов показывает при повышении
водородного показателя кислотности дисперсной среды, поэтому стоит
упомянуть как именно использование жидкости с повышенным pH
взаимодействует с металлами.
26
2.4 Улучшение характеристик уноса при полировании
металлов с помощью химического воздействия на поверхность
В многочисленных работах по исследованию улучшения скорости уноса
материала при магнитореологической обработке поверхности наилучшие
результаты показывает изменение pH несущей жидкости. В качестве химических
реагентов используются кислоты, щелочи, гидроксиды, оксиды, спирты и др.
Большинство из них подбираются под какой-либо конкретный материал, но
поскольку задачей данной работы стоит полирование целого класса материалов,
а именно металлов и их сплавов, то логично было бы подобрать как можно более
универсальный компонент. Одним из таких могут стать растворы щелочей,
которые уже показали себя в качестве хорошего компонента при полировке
металлов. Поэтому стоит упомянуть как именно щелочи воздействуют на
металлы и чем именно использование щелочей лучше использования других
реагентов [19].
В целом можно сказать, что металлы и щелочи в нормальных условиях
практически не взаимодействуют друг с другом, это связанно с низкой
электроотрицательностью атомов металлов, что видно по таблице Менделеева.
Однако, растворение щелочей в воде дает несколько довольно интересных
эффектов, как повышение окислительных свойств воды в щелочных растворах.
В первую очередь с щелочными растворами взаимодействуют металлы,
оксидные и гидроксиды пленки которых могут растворяться в щелочах. Это
«амфотерные» металлы, к которым относятся Be, Al, Ga, Sn, Pb, Zn. В результате
их взаимодействия с щелочным раствором в первую очередь растворяются их
оксидные и гидроксидные пленки, нерастворимые в воде, это играет довольно
важную роль поскольку они защищают металлы от контакта с ионами водорода
и соответственно возможности окисления. После этого происходит образование
гидроксида и в результате взаимодействия двух гидроксидов образуется
комплексная соль, с числом гидроксильных групп равным координационному
числу «амфотерного» металла. К примеру, для аллюминия [19]:
𝐴𝑙2 𝑂3 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 2𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂2 + 𝐻2 𝑂
2𝐴𝑙 + 6𝐻2 𝑂 → 2𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 ↓ +3𝐻2 ↑
(2.5)
2𝐴𝑙 + 6𝐻2 𝑂 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 2𝑁𝑎[𝐴𝑙(𝑂𝐻)4 ] + 3𝐻2
Оксидные пленки других металлов не растворяются щелочами, но они
могут растворяться водой, либо в случае рассмотрения процесса полирования
удаляться механически. В дальнейшем металл, взаимодействуя с водой и
гидроксидами может подвергаться коррозии, окисляться водой, оксидироваться,
гидрироваться, дифундировать воду в поверхностные слои (подобно стеклу но с
27
меньшей степени) и т.д. Многочисленные исследования показывают, что
повышенное pH среды положительно влияет на полирование среды многих
металлов и их сплавов таких как медь, алюминий, нержавеющая сталь, сплавы
титана и др. Таким образом происходящий процесс «размягчения» в случае
металлов, не означает уменьшение твердости, поскольку образующиеся
гидроксиды и оксиды на самом деле обладают большей твердостью, чем металл
из которого они образуются. Процесс «размягчения» лучше связать с
уменьшением энергии связи атомов на поверхности материала с энергией атомов
основного объема.
Наибольшим недостатком такого метода улучшения возможностей
магнитореологической обработки является коррозия и разрушение магнитных
частиц, которая будет усиливаться при наличии в несущей среде химических
реагентов. Поэтому жидкость, подготовленную с учетом использования
химических реагентов стоит использовать в течении небольшого промежутка
времени после приготовления.
Существует также ряд исследований по улучшению характеристик уноса
материала за счет физических воздействий на жидкость, такие как нагрев
жидкости и создание ультразвуковых вибраций в процессе. Однако в данной
работе они не будут рассматриваться из-за сложности практической реализации,
а также довольно спорных результатов.
2.5 Влияние количественного и качественного состава
жидкости на магнитореологическое полирование
Как уже отмечалось в наиболее простом варианте магнитореологическая
полировальная жидкость состоит из карбонильного железа, абразивных частиц и
дисперсной фазы. Из описанных в 1.4.1 – 1.4.4 принципов магнитореологической
полировки можно сделать вывод что определяющую роль в процессе
полирования имеет состав полировальной жидкости. В предыдущей части уже
было описано как химический состав несущей среды можно модифицировать
для полировки металлов. Поэтому перед тем как приступить к дальнейшей
работе следует описать как именно состав жидкости влияет на унос материала и
конечную шероховатость поверхности. Все эти факторы будут использоваться в
дальнейшем для теоретического расчета скорости уноса материала.
Основную роль в уносе вещества выполняют абразивные частицы. Как
правило это синтетические алмазы, хотя иногда для более «деликатного»
удаления материала могут используются более мягкие абразивы такие как оксид
28
церия и диоксид алюминия. В работе [17, стр. 38, 106] исследовалось влияние
размера абразивных частиц в методах абразивной обработки на скорость уноса
материала, где выяснилось что если размер абразивных частиц меньше 500 нм.
то скорость уноса материала растет при уменьшении размера и увеличении
концентрации частиц, но если размер частиц больше 500 нм., то происходит
полностью противоположный процесс. Несмотря на то, что во многих работах
упоминается вклад абразивных частиц в унос материала, на самом деле
магнитные частицы также могут участвовать в съеме материала с поверхности.
И в таком случае уникальностью МРП можно считать работу частиц обоих
диаметров, причем малейшее изменение концентрации абразивных частиц
влечет за собой большое влияние на скорость уноса материала (в исследованиях
МРП стекол для различных стекол менялась от 7% до 35%). Однако стоит
отметить, что при слишком большом размере или концентрации частиц не
получится получить хорошую шероховатость. Как правило концентрация
абразивных частиц составляет от 10% до 40% объема магнитореологической
жидкости, причем это составляет менее 1% массы.
Главной составляющей магнитореологической жидкости являются
магнитные частицы. В процессе полирования, как уже отмечалось, они
формируют связанные цепочки, за счет которых и реализуется появление вязкопластичных свойств жидкости и формируются сдвиговые напряжения. Размер
магнитных частиц влияет в первую очередь на текучесть несущей жидкости
вдоль данных цепочек, а также на магнитную восприимчивость дисперсной
системы в целом. При понижении размера частиц менее 1 мкм, частицы
начинают образовывать единые домены с постоянным магнитным моментом и
как уже упоминалось относятся к ферромагнитным жидкостям. [17, стр. 111]
Концентрация магнитных частиц также имеет довольно важное влияние,
поскольку слишком малая концентрация может не позволить создать
достаточного сдвигового напряжения, а слишком большая может создавать
слишком большие трения между частицами и соответственно слишком большую
пластическую вязкость. Как правило магнитные частицы составляют более 50%
объема МРЖ, при том это является более 70% её массы.
В предыдущей части было описано как химический состав жидкости
может влиять на унос материала. Однако стоит отметить, что реологические
свойства несущей жидкости также могут влиять унос материала. Реологические
свойства жидкости будут влиять на формирование сдвигового напряжения и
нормального давлений при полировании, поэтому это также стоит учитывать.
Жидкость обладающая большой вязкостью будет усиливать внутренние трения
между рядами магнитных частиц и за счет этого можно ожидать больших
сдвиговых напряжений. [17, стр. 123]
29
Таким образом можно заключить что основополагающую роль в процессе
магнитореологической
обработки
играет
непосредственно
состав
магнитореологической жидкости. Тщательно подобранная жидкость с учетом
физико-химических особенностей обрабатываемой поверхности позволяет
достигать параметров шероховатости измеряемых в нанометрах, причем обладая
довольно большой скоростью уноса материала, а значит процесс обработки
будет довольно быстрым. С точки зрения обработки металлов понятно что
неплохо было бы использовать жидкости на основе щелочной дисперсионной
среды, для обеспечения дополнительного уноса материала.
2.6 Геометрия контактного полировального пятна
Все параметры описанные выше позволяют, варьируя реологические и
химические параметры жидкости добиваться наилучших параметров скорости
уноса материла и параметров шероховатости поверхности. Но как уже было
описано выше обработка поверхности детали осуществляется с помощью
относительного движения полировального колеса с лентой МРПЖ и детали. Для
осуществления такового необходимо знать геометрию контакта полировальной
жидкости с поверхностью детали, поскольку для правильной работы станка
пятно контакта должно быть максимально симметрично относительно оси
параллельной направлению движения детали. Полировальное пятно (рисунок
2.5) помимо осуществления калибровки установки, позволяет более подробно
изучить распределение тех или иных сил и влияние различных явлений,
прикладываемых при полировании. [17, стр. 3.]
30
Рисунок 2.5 Пример полировального пятна: а – интерферограма
полировального пятна, б – профили полировального пятна.
Пример полировального пятна представлен на рисунке 2.5, в данном
случае это пятно получено при полировке оптического стекла неизвестной
марки. Подобные пятна получаются при установлении рабочего зазора р между
деталью и рабочим колесом. Получаются подобные пятна с временем
«экспозиции» texp более 5 секунд, поскольку при слишком малом времени
подобное пятно будет плохо различимо.
Наиболее важной часть данного пятна как для исследований, так и для
калибровки является так называется точка максимальной глубины (на рисунке
обозначена пересечениями осей A и B). Симметрия остального пятна
относительно точки максимальной глубины определят правильность работы
установки.[20, стр. 22] При увеличении времени «экспозиции» область
максимальной глубины перестанет увеличиваться вглубь, она скорее начнет
размываться и становиться больше по площади, что можно объяснить
достижением минимальных напряжений сдвига необходимых для
осуществления полировки, которые зависят от величины рабочего зазора (более
подробно будет описано в главе 2). Часть пятна, в которой расположена данная
точка условно называют «головой» полировального пятна, а обратную часть
соответственно «хвостом». В «хвосте» унос материала в разы меньше, поэтому
31
ценность данных, полученных в этой области, не имеет особого практического
значения. Однако, по полной длине и максимальной ширине пятна можно
получать различные константы для магнитореологической жидкости такие как
числа Рейнольдса и Нуссельта, что может быть полезно для исследований. [20,
стр. 33]
Еще одной зоной в полировальном пятне является область, расположенная
за его условными «границами» и расположенная впереди полировального пятна
(вверх по оси А относительно «головы» пятна). В этой области после получения
пятна возникает своеобразная возвышенность, относительно остальной
необработанной части. Точные причины возникновения этих возвышенностей в
литературных источниках найдены не были, чаще всего они объясняются как
пластические деформации, «шлаковый» намыв и переотражением лучей
интерферометра от поверхностей с сильными перепадами высот. В данной
работе исследование этой части полировального пятна будет являться одной из
наиболее важных задач.
Рисунок 1.12 Траектория перемещения пятна при обработке [7].
Как уже упоминалось выше, рабочее колесо при обработке зафиксировано,
а перемещение по поверхности детали осуществляется благодаря 5координатной системе позиционирования, на которой зафиксирована деталь.
Подобное перемещение рассчитывается специальными алгоритмами, с учетом
потребностей необходимых для изготовления конкретной детали. При этом
имеет место 2 вида перемещения: по спирали Архимеда (рис. 1.12 А) и растровая
(рис. 1.12 Б), причем как правило первая применяется для сферической оптики,
а вторая для формирования плоской поверхности[7]. Коррекция формы детали
определяется как правило скоростью прохода пятна в том или ином участке,
потому как изменение параметров полировальника, помимо изменения скорости
уноса материала приводит к изменению геометрии пятна, что значительно
затрудняет создание алгоритма для обработки. Поэтому обработка происходит
при постоянной скорости уноса материала, что значит постоянство следующих
32
велечин рабочего зазора, скорости вращения колеса, магнитного поля, состава
жидкости.
Таким образом можно заключить, что полировальное пятно имеет
довольно большую практическую значимость для процесса полировки. Его
изучение необходимо при разработке алгоритмов обработки детали, при
калибровке полировального модуля, для определения скорости уноса материала
совершенствования метода магнитореологической обработки.
2.7 Модель скорости уноса вещества
Первые попытки создания единой теории полирования были предложены
Ф. Престоном в 1927 г., который занимался различными разработками в области
производства и обработки стекол. Для традиционных методов обработки
поверхности им было введено эмпирическое уравнение позволяющее определять
функцию уноса материала в зависимости от давления на обрабатываемую деталь
и скорости обработки. [17, стр. 3]
𝑑𝑧
𝐿 𝑑𝑠
= 𝑀𝑅𝑅 = 𝐶𝑝
𝑑𝑡
𝐴 𝑑𝑡
(2.4)
где 𝐶𝑝 – постоянная Престона, определяющаяся эмпирическим путем.
Различные эксперименты показывают довольно хорошую согласованность
уравнения Престона с экспериментальными данными для большинства методов
механической обработки поверхности. Однако, в некоторых методах обработки
таких как химико-механическое полирование и магнитореологическое
полирование, благодаря преобладанию сдвиговых режимах уноса материала,
описанных в 1.5.4, для большей точности применяется модифицированное
уравнение Престона, в котором вместо нормального давления полировальника
на деталь вводится напряжение сдвига:
𝑑𝑧
𝑑𝑠
= 𝑀𝑅𝑅 = 𝐶𝑝 𝜏
𝑑𝑡
𝑑𝑡
(2.5)
В постоянную Престона 𝐶𝑝 включают все особенности взаимодействия
полировальника с образцом, многие из которых были описаны в 1.5.
Эмпирически найденные зависимости скорости уноса от различных параметров
33
взаимодействия, позволяют выносить из коэффициента Престона, некоторые из
них. На основании этих данных можно выписать соотношение
1 1
4
𝐸
𝐹
−
3 3
3
𝑀𝑅𝑅 ~ [
𝐶𝑚𝑝 ]
] ∗ [ ∗ 𝑣] ∗ [𝐵𝑛𝑑 𝜑𝑛𝑑 𝐶𝑛𝑑 + 𝐵𝑚𝑝 𝜑𝑚𝑝
2
𝐾𝐻
𝐴
3
𝑠𝑏𝑠
∗ [𝐷 (𝑝𝐻)10 ] ∗ [𝑒 −𝑏𝑅𝑇 ]
(2.6)
Это соотношение разделено на 5 множителей, состоящих из различных
параметров обработки, каждый из которых так или иначе влияет на унос
материла, что подтверждается в многочисленных работах. Каждый множитель
содержит параметры, характерные для какого-либо аспекта полирования.
Первый множитель довольно часто именуется механической
добротностью материала. Физические причины характеристик данных
параметров для металлов были упомянуты в 1.2. В числителе расположен модуль
Юнга (модуль эластичности), характеризует свойства материала сопротивляться
эластическим деформациям. В знаменателе расположены коэффициент
кинематической вязкости и твердость по Виккерсу, определяющие
сопротивление разрушаемости и пластическим деформациям материала
соответственно. Данные величины определяются только непосредственно
обрабатываемым материалом и в процессе полировки влиять на них невозможно.
Второй множитель является модифицированным уравнением Престона,
который в уравнении стоит вне константы Престона. Сила трения разделённая
на контактную площадь представляет собой сдвиговое напряжение, а v –
скорость относительного движения частиц и поверхности детали.
В уже было описано что на унос материала влияет концентрация частиц,
причем как магнитных частиц, так и абразивных, математически это описано в
третьем множителе, где B – коэффициент, определяемый эмпирически и
имеющий размерность м1/3 , 𝜑 – характерный размер частиц, C – концентрация
частиц. В степенях, стоящих при данных величинах кроется физический смысл,
описанный в разделе 1.4.3, т.е. увеличение скорости уноса при различных
размерах и концентрации частиц.
Для стекол при магнитореологической обработке вводится параметр
химической стойкости, зависящий от pH жидкости, в уравнении это четвертый
параметр. Как уже неоднократно упоминалось это из-за гидратации поверхности
стекла жидкостью. Что касается же металлов в 1.4.5 уже было описано как
именно можно влиять на скорость уноса изменяя pH жидкости, поэтому данный
множитель может сгодится и для металлов, хотя его трактовка уже будет
немного иной.
34
Последний множитель на самом деле довольно спорный, поскольку
представляет собой силу единичной межатомной связи, что на самом деле так
или иначе проявляется в параметрах, описываемых механической добротностью
материала, хотя может быть удобен в некоторых случаях [17].
Все эти зависимости могут быть вынесены из константы Престона в
уравнении с указанными корреляционными коэффициентами для получения
теоретических зависимостей скорости уноса материала от какого-либо из этих
параметров. Стоит упомянуть, что все эти зависимости были получены для
стекол, поэтому при обработке металлов теоретически полученные данные могут
довольно сильно отличаться, особенно для функции химической устойчивости.
2.8 Распределение напряжений в полировальном пятне
Как уже было описано в 2.3 и 2.7 унос материала механическим
воздействием абразивных частиц с поверхностью реализуется при наличии
нормальных и сдвиговых напряжений, в зависимости от модели абразивного
изнашивания поверхности. Поскольку как описано в предыдущем разделе, для
описания модели уноса материала используется модифицированное уравнение
Престона, которое предполагает использование сдвиговых напряжений,
образуемых магнитореологической жидкостью, то для полноты картины стоит
описать как именно распределяются сдвиговые напряжения при течении
магнитореологической жидкости в полировальном пятне.
Типичная установка для МРФ, показанная на рис представляет собой
рабочее колесо на которое подается МРПЖ в виде плоской ленты. Это означает
что в отличии от традиционных методов обработки поверхности, при МРФ
давление абразива на поверхность осуществляется не за счет твердого
полировальника, а за счет вязко-пластических свойств магнитореологической
жидкости. Поэтому необходимо описать как именно такие параметры как
нормальное давление и сдвиговые напряжения, а соответственно и скорость
уноса будут зависеть от зазора между рабочим колесом и обрабатываемой
поверхностью. Если посмотреть на рабочее колесо, то можно сказать что
жидкость как бы обтекает цилиндрическую поверхность, подобную задачу как
правило решают с помощью гидродинамической теории смазки (hydrodynamic
lubrication regime), а также плоского течения Пуазейля-Куэтта в области контакта
полировального пятна. Стоит упомянуть, что на самом деле рабочее колесо не
является цилиндрическим, а имеет округлую форму, что позволяет добираться
до различных труднодоступных мест, однако радиус этой формы и радиус
35
самого колеса на несколько порядков больше чем рабочий зазор и размеры
контактного пятна. Данное сочетание двух теорий из гидродинамики находит
экспериментальное подтверждение в работах [].
Итак, как было описано в 1.4 реологические свойства МРЖ подчиняются
уравнению для описания вязкопластических жидкостей Шведова-Бингама
формула 2.2. Согласно этому уравнению при сдвиговых напряжениях 𝜏 > 𝜏кр
материал ведет себя как ньютоновская жидкость, с вязкостью 𝜂 ∗ . На рисунке
показано распределение зазоров между колесом, деталью и полосой МРПЖ в
полировальном пятне. Конец полировального пятна (в 2.6 именуется «хвост»)
расположен в точке пересечения толщины полоски полировальной жидкости с
осью y, а ось x направлена вдоль рабочей поверхности рабочего колеса. Причем
стоит заметить, что началом координат является точка, в которой расстояние
между рабочим колесом и обрабатываемой поверхностью минимально, это и
есть упомянутый ранее рабочий зазор.
Будем считать что рассматриваемая система изотропна, тогда нормальное
давление P на поверхность будет представлять функцию только от координаты
x, потому как зазор довольно небольшой координату y можно опустить.
Сдвиговое напряжение 𝜏, обусловленное силами трения, которые в свою очередь
являются функцией от скорости жидкости будет являться функцией зависящей
как от координаты y так и от координаты x. Исходя из теории гидродинамической
смазки можно записать выражение для градиентов давления и сдвигового
напряжения:
𝜕𝑃 𝑑𝜏
=
𝜕𝑥 𝑑𝑦
(2.4)
Учитывая уравнение (2.3), можно найти распределение напряжения сдвига
по зазору, а также в зависимости от велечины рабочего зазора:
𝜕𝑃
ℎ
𝜂∗ 𝑢
𝜏=
− 𝜏кр
(𝑦 − ) −
𝜕𝑥
2
ℎ𝑥
(2.5)
где u – скорость потока жидкости, в данной работе для упрощения будем
считать его равным скорости движения колеса, в работах также допускается
данное упрощение, ℎ𝑥 – расстояние между деталью и колесом в зависимости от
координаты x, которое определяется геометрически, в декартовых и
цилиндрических координатах соответственно:
ℎ𝑥 (𝑥) =
1
(−√𝑅2 − 𝑥 2 + 𝑅 + ℎ0 )
ℎ0
36
(2.6)
Уравнение () описывает движение только абразивных частиц, для полной
картины необходимо учесть, формирование магнитного ядра, физические
принципы чего описаны в 1.5. Тогда распределение сдвигового напряжения
вдоль полировального пятна можно записать как:
𝜏=
𝜕𝑃
ℎ𝑠
𝜕𝑃 𝜂 ∗ 𝑢
− 𝜏кр
[𝑧 − (ℎ𝑥 − )] − √| |
𝜕𝑥
2
𝜕𝑥 2
(2.7)
где ℎ𝑠 – можно назвать толщиной жидкого слоя МРЖ, то есть части
жидкости, в которой сдвиговые напряжения превышают критические,
определяется как
2𝜂∗ 𝑢
ℎ𝑠 = √
𝜕𝑃
| |
𝜕𝑥
(2.8)
Рисунок 2.1 Схема полировального пятна [18, стр. 42]
Таким образом уравнение () позволяет найти распределение сдвигового
напряжения в зависимости от расположения по длине полировального пятна, а
также в зависимости от рабочего зазора. Градиент давления, также определяется
гидродинамической теорией смазки:
𝜕𝑃 12𝜂∗ 𝑢𝑅 ℎ𝑥 − ℎ𝑥∗
=
(
)
𝜕𝑥
ℎ0
ℎ𝑥 3
37
(2.9)
где ℎ𝑥∗ – минимальный зазор, при котором градиент давления равен нулю,
условно будем считать, что этой величиной является толщина ленты МРЖ без
нагрузки.
Из градиента давления, также можно получить и распределение
непосредственно давления в полировальном пятне. Для этого необходимо
проинтегрировать уравнение 2.9, поскольку единственной величиной, зависящей
от x, является ℎ𝑥 , то все остальное выйдет за интеграл:
12𝜂∗ 𝑢𝑅 𝑥 ℎ𝑥 − ℎ𝑥∗
𝑃(𝑥) =
∫
𝑑𝑥
3
ℎ0
ℎ
0
𝑥
(2.10)
Вычисление интеграла в уравнении 2.10 является довольно сложной
задачей, поэтому оставим его в таком виде и получим график, решив его
численно при помощи ПК.
38
ГЛАВА 3
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1 Экспериментальное оборудование
В экспериментальной части работы было использовано следующее
оборудование: 5-координатная полировальная установка с ЧПУ, оптический
микроскоп
Altami,
контактный
профилометр
Mitutoyo
SJ-310,
микроинтерферометр (оптический профилометр) MicroXam-800. Стоит кратко
описать принцип работы каждого устройства, а также для чего оно было
использованно.
Для получения экспериментальных данных в данной работе была
использована установка (рисунок 3.1) общее устройство которой описанно в 2.2.
Данная установка позволяет выполнять обработку в полностью автоматическом
режиме, передвижение 5-координатной системы задается по стандарту G-code.
На данный момент электродвигатель, приводящий в движение рабочее колесо не
позволяет изменять скорость его врящения. Поэтому из параметров описанных в
разделе 2.2 будет варьированию подлежат только зазор между рабочим колесом
и обрабатываемой поверхнсотью и время полировки.
Рисунок 3.1 Экспериментальная 5-координатная установка с ЧПУ
Оптический микроскоп Altami (рисунок 3.2) был использован для изучения
полировальных пятен, а также для измерения размеров полировальных пятен. По
сути является обыкновенным оптическим микроскопом, позволяюзим
увеличивать изображение до 500 раз. В данном приборе установленна камера,
позволяющая выводить и сохранять изображения на компьютер.
39
Рисунок 3.2 Оптический микроскоп
Контактный профилометр Mitutoyo SJ-310 (рисунок 3.3) представляет
собой шарообразный алмазный индентор диаметром 2 мкм, который
протаскиванием способен определять параметры шероховатости поверхности, а
также перепады высот. Стоит отметить что в некоторых случаях он может
повреждать исследуемую поверхность, царапая её. Прибор позволяет определять
значения шероховатости и перепадов высот с точностью по вертикали до 50 нм.,
а также по горизонтали с точностью до 1 мкм. Имеет достаточно много режимов
и видов шероховатостей, в том числе используемые в данной работе значения Ra
и Rz.
Рисунок 3.3 Контактный профилометр
Для получения более точных результатов, а также для получения 3D
профилей поверхности был использован микроинтерферометр MicroXAM-800
(рисунок 3.4), работающий в режиме вертикальной сканирующей
интерферометрии (ВСИ). Точность оптического профилометра значительно
выше точности контактного профилометра 0.2 нм. Набор объективов позволяет
получать интерференционную картину поверхности на площадке от 0.5 мм до 1
мм, для получения топографии большей поверхности есть возможность
использования режима «склейки», при котором за счет передвижения
высокоточной координатной системы сканируются смежные области, которые
после совмещаются. Поскольку данный прибор позволяет измерять объекты
размером меньше длины волны стоит более подробно описать его устройство.
40
Рисунок 3.4 Микроинтерферометр: 1 – высокоточная система
позиционирования, 2 – объектив, 3 – исследуемый образ
Интерференционная картина, создается лучами белого света,
отраженными от эталонной поверхности и от исследуемой поверхности,
поскольку в данной работе используется плоская поверхность, то и эталонная
поверхность представляет собой плоскость. Оптическая длина пути лучей,
отраженных от эталонной поверхности постоянна, в то время как у отраженных
от исследуемой поверхности изменяется, за счет наличия топографии, наклона и
т.д., она будет меняться. Перемещение образца по вертикали позволяет получать
различные интерференционные картины, для максимальной точности.
Отраженные лучи позже попадают на фотопластинку, где уже банально за счет
разной длины волны определяется топография поверхности. Основным минусом
можно назвать долгое время исследования, в данной работе получение только
«головы» одного полировального пятна (площадка 0.5 х 2 см) занимало более
часа.
3.2 Выбор образца
Целью данной работы является исследование металлов и металлических
сплавов, в первой главе было упомянуто для каких целей и какие именно
металлы необходимо полировать до нанометрового уровня качества
поверхности. Однако поскольку цель данной работы подразумевает
41
исследование процесса уноса вещества при обработке, для реализации чего
необходимо получение различных полировальных пятен, а значит материал
должен обладать достаточными размерами, чтобы вместить некоторое
количество таких пятен. Причем толщина образца должна быть значительно
больше, чем характерные глубины данных пятен и высоты деформационных
пиков.
Из имеющихся для исследования образцов, были как некоторые из
упомянутых в 1.1 материалов, так и другие. Большая часть из них была
«отбракована» из-за геометрических размеров. К примеру, изначально
предполагалось использование образца хастеллоя C-279, однако он представляет
собой тонкую длинномерную ленту, толщиной порядка 100 мкм (в полученных
полировальных пятнах в таких величинах измеряется глубина максимального
внедрения). Также многие образцы были отбракованы из-за изначальной
«кривизны» поверхности, значения PV и Ra достигали десятков микрометров.
Таким образом в качестве образца для исследований была выбрана
алюминиевая пластина, округлой формы, имеющая диаметр 140 мм и толщину
1.2 мм (Рисунок3.5). Изначально поверхность данной пластины была
отшлифована методом алмазного точения (изначально этому фактору внимание
уделено не было, однако в дальнейшем он повлиял на часть работы).
Рисунок 3.5 Образец алюминиевой пластины (после обработки).
42
3.3 Режимы получения получения полировальных пятен
Получение зависимости функции уноса материала, от всех параметров,
определяющих её представляет собой практически невыполнимую задачу. Как
было описано будет использоваться эмпирическое уравнение Престона (2.5),
константа для которого будет найдена в процессе исследований.
Как уже упоминалось в используемой полировальной установке имеется
возможность варьировки рабочего зазора и времени «экспозиции». Было
получено 19 пятен при 4 различных зазорах от 0.8 до 1.4 мм с шагом 0.2 мм и за
5 различных промежутков времени. Исходя из формы и размеров данных пятен
будет объясняться различные зависимости описанные в 1.5, будет измерена
функция уноса и объяснено возникновение характерной возвышенности в голове
полировального пятна. Остальные параметры станка, необходимые для
проведения работы, остаются постоянными, это радиус рабочего колеса R = 135
мм, скорость вращения рабочего колеса 𝑣 = 1 м/с, напряженность магнитного
поля в зоне полировального контакта.
На рисунке 3.6 Указана схема получения полировальных пятен на
выбранном для исследований образце. Для удобства исследования
экспериментальных данных, пятнам были присвоены номера из двух цифр,
первая из которых соответствует номеру ряда, а вторая номеру колонки. Всего
имеется 5 рядов, в соответствии с промежутком времени, а 4 колонки
соответствует 4 варьируемым зазорам.
43
№ Ряда
1
2
3
4
5
Время
экспозиции
120
60
30
15
120
№
Колонки
1
2
3
4
Величина
Зазора
1.4
1.2
1.0
0.8
Рисунок 3.6 Схема получения полировальных пятен на образце
Для сравнения экспериментальных данных с формулами, описанными в
2.7, необходимо получить теоретические зависимости для сдвигового
напряжения, нормального давления и функции уноса вещества. Для этого
необходимо знать параметры полировальной жидкости, используемой в
эксперименте.
В таблице приведены параметры МРПЖ, используемой в данной работе
при комнатной температуре (20 по цельсию), в 1.6 были приведены результаты
исследований, показывающие что сильного нагрева в полировальном пятне не
происходит (в пределах 2 К). Поэтому на результаты расчетов значительно этот
фактор не повлияет.
44
Таблица 3.1 Свойства магнитореологической полировальной жидкости
Вещество
Назначение
Массовая доля
компоненты в %
дистиллированная
дисперсная среда
17
вода
карбонильное железо
магнитные частицы
82
алмазный порошок
абразивные частицы
0,005
стабилизаторы
повышение
≈1
седиментативной,
стабилизация pH
Реологические свойства
Значение
Динамическая вязкость, Па*с
0,17  0.01
3
Плотность ρ, кг / м
3710  50
2
Кинематическая вязкость, м /с
4.6 * 10-5
Для исследований был выбран ряд номер 2 (Рис. 2.6), т.е. будет
производиться только варьирование зазора, поскольку в нем получились
наиболее симметричные полировальные пятна, пригодные для исследований.
Этот ряд был получен с временем экспозиции 60 с. Пятна, полученные при
вышеуказанных зазорах, имеют характерные размеры указанные в таблице
Таблица 3.2 Характерные размеры пятен, полученных во втором ряду.
Номер пятна
Длина, мм
Ширина, мм
2-1
2-2
2-3
2-4
7.1
8.9
11.3
13.2
3.7
5.2
7.8
9.6
Теоретический расчет сдвигового напряжения необходим для определения
теоретической скорости уноса материала. Уравнения для этих расчетов были
приведены в разделе 2.8 на основании гидродинамической теории смазки. Таким
образом теоретическое распределение сдвиговых напряжений и градиентов
давлений в пятне будет описываться формулами 2.9 и 2.7.
Полученные исходя из теоретических расчетов зависимости для сдвиговых
напряжений и градиентов давления представлены на рисунках 3.7 – 3.14.
45
Рисунок 3.7 Распределение градиента давления в полировальном пятне 2-4
Рисунок 3.8 Распределение сдвиговых напряжений в полировальном пятне 2-4
46
Рисунок 3.9 Распределение градиента давлений в полировальном пятне 2-3
Рисунок 3.10 Распределение сдвиговых напряжений в полировальном пятне 2-3
47
Рисунок 3.11 Распределение градиента давлений в полировальном пятне
2-2
Рисунок 3.12 Распределение сдвиговых напряжений в полировальном пятне 2-2
48
Рисунок 3.13 Распределение градиента давления в полировальном пятне 2-1
Рисунок 3.14 Распределение сдвиговых напряжений в полировальном пятне 2-1
Исходя из полученных зависимостей, можно заключить, что при
увеличении рабочего зазора, сдвиговые напряжения и нормальное давление
уменьшаются, что в целом довольно логично и в целом этим объясняется
изменение размеров пятен при обработке. Причем стоит отметить, что
уменьшение данных величин в точке x = 0 значительно больше, нежели в конце
пятна. Экспериментально проверить полученные данные, можно используя
уравнение Престона (2.5), что будет сделано в главе 4.
49
ГЛАВА 4
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В первую очередь стоит привести пару снимков рисунок с микроскопа
Altami, с его помощью определялись только характерные размеры пятен, однако
полученные изображения имеют смысл физический смысл. Как уже было
упомянуто в изначально пластина была отполирована методом алмазного
точения (шлифовка), поэтому на микроскопе видны характерные протяженные
полосы. Эти полосы, представляют собой царапины с шагом 100 мкм,
образование подобных царапин описано в 1.5 как микрорезание (рисунок), в
дальнейшем они будут использоваться для описания возывашенностей в
«голове» полировального пятна. Снимок с микроскопа рисунок б также
позволяет показать, насколько МРП лучше традиционных методов обработки, в
верхней части данного рисунка расположен уже упомянутый след от алмазного
точения, а в нижней часть полировального пятна МРП. В данном случае
излучение света происходит сбоку, и как видно в области пятна МРП нету
практически ничего, видны только некоторые частички пыли и царапины.
Рисунок 4.1 Снимок полировального пятна, полученный микроскопом
Стоит также упомянуть что помимо оборудования описанного в 2.5 был
использован интерферометр ИКД-110. Преимуществом использования данного
устройства в первую очередь является высокая скорость работы и возможность
получения изображения достаточно большого предмета. Однако в отличии от
MicroXAM-800 он получает только 1 интерференционную картину, что выдается
в низкую точность. В случае исследования полировальных пятен, полученных в
данной работе практически никаких результатов получено не было. Перед
началом съема интерференционной картины необходимо соединить фокусы
эталонной поверхности и исследуемой поверхности, в данном случае сделать
этого не получилось, поскольку исследуемые полировальные пятна давали свои
фокусы, условно у каждого из них был свой фокус. В результате стабильной
50
интерференционной картины получить не удалось, полосы как бы обрываются,
и за счет этого не подлежат обработке.
[µm]
Рисунок 4.2 Интерференционные полосы полученные, на интерферометре
ИКД-110
На контактном профилометре были получены профили поверхности по
линии вдоль пятна, несмотря на относительно небольшую точность, при
сравнении данных полученных с оптическим профилометром, можно сказать,
что несмотря на слабую точность в области полировального пятна, контактный
профилометр вполне неплохо показывает себя при измерении высоты пика в
голове пятна. В 1.6 упоминалось что возникновение подобного пика иногда
связывают с неточностью работы оптических измерительных приборов, поэтому
измерение контактным профилометром показывает, что данные пики все же
являются возвышением материала поверхности. Пик полученный на
профилометре рисунок а. отображен с более-менее плоской поверхностью на
верху, что в общем не соответствует действительности, это связано с выбранным
режимом измерения.
Evaluation Profile
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
-2,0
-4,0
-6,0
-8,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
[mm]
Рисунок 4.3 Профиль пятна 1-2 полученный на контактном профилометре
51
Рисунок 4.4 Профиль пятна 1-2 полученный на оптическом профилометре
Наиболее ценные данные были получены с помощью оптического
профилометра. На нем довольно хорошо видны как структуры царапин,
полученных алмазным точением, так и профили полировальных пятен. Причем,
сравнивая профили, полученные контактным профилометром, можно сказать,
что в целом он годится для измерения деформационных пиков и шероховатости
поверхности.
Для исследований использовался 2 ряд полировальных пятен (рисунок 3.6)
потому как, остальные пятна не подошли из-за несимметричности.
Черная сплошная линия – теоретическая скорость уноса
Красные круги – экспериментальная
Рисунок 4.5. Зависимость скорости уноса вещества от величины рабочего
зазора.
Итак в главе 2 были получены функции распределения для сдвиговых
напряжений и нормальных давлений в полировальном пятне, а с учетом
уравнения Престона была получена теоретическая зависимость скорости уноса
материала от сдвиговых напряжений, т.е. от величины рабочего зазора (Рисунок
5.5), который в данном случае будет являться единственным варьируемым
52
параметром. На рисунке 4.5 представлена теоретическая зависимость (сплошная
черная линия) и экспериментально полученные данные для 4 зазоров. Сразу
заметно, что экспериментально полученная скорость уноса значительно меньше,
нежели теоретическая, особенно заметно с уменьшением зазора. Тем не менее
графики приблизительно повторяют друг друга, а значит уравнение Престона
можно считать с некоторой степенью точностью верным.
Различия в экспериментальной функции уноса и теоретической можно
объяснить параметрами описанными в разделах 2.3 – 2.5.
Рисунок 4.6 3D изображение пятна 3-2
Рисунок 4.7 3D изображение пятна 1-2
Полученные 3D профили (рисунок 4.6 и рисунок 4.7) поверхности
позволяют более детально изучить те самые возвышенности в голове
полировального пятна рисунок. Во-первых, хорошо видны те самые полосы,
образованные при алмазном точении, причем можно заметить, что они
представляют протянутые ряды небольших пиков, примерно одинаковой
высоты. В «голове» пятна есть возвышенность, причем на этой возвышенности
сохранены пики от алмазного точения, а значит можно сказать, что причиной
53
возникновения данной возвышенности являются именно пластические
деформации материала. Причем, поскольку ряды пиков, полученных при
точении не повреждены, можно сказать, что деформация происходит не в
поверхностном слое, а несколько глубже. То есть кристаллическая решетка
повреждается в некоторой глубине.
На данной установке проводились циклы по полировке различных
металлов, вне рамок данной работы, результаты которых представлены в
таблице 4.1.
Таблица 4.1 Результаты полировки различных металлов методом МРП.
Материал образца
Среднеквадратичная шероховатость Ra
Медь
3.0
Нержавеющая сталь (немагнитная) 2.7
Алюминий
14.8
Титан
6.2
Латунь
7.3
54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе литературных данных обобщены сведения о технологических
процессах финишной обработки поверхности металлов, с требованием
нанометрового качества поверхности, при производстве различных устройств.
Установлено, что одним из перспективных методов обработки
поверхности, является магнитореологическое полирование. Показано, что МРП
имеет в основе как механическое, так и химическое действие, что позволяет
добиваться высоких скоростей уноса и необходимых параметров шероховатости
и точности формы для широкого круга материалов, при варьировании показателя
pH дисперсной среды МРПЖ.
На основе гидродинамической теории смазки и модели плоского течения
Пуазейля-Куэтта, рассчитаны сдвиговые напряжения и градиенты давления при
течении МРПЖ в полировальном пятне экспериментальной установки, что
позволило получить теоретические зависимости для скорости уноса материала,
на основании эмпирического уравнения Престона, используемого при обработке
керамик.
Эмпирически получены значения константы Престона Cp=0.08837 Па*м1/2
и скорости уноса материала MRR = 0.4-1.1 мкм/мин, для аллюминия на
экспериментальной
установке.
При
сравнении
теоретических
и
экспериментальных данных, расхождение для аллюминия получается порядка
30%, хотя для керамик характерно расхождение менее 10%, что объясняется тем,
что уравнение Престона не учитывает особенности химического взаимодействия
обрабатываемого материала и дисперсной среды полировальной жидкости.
Экспериментально зафиксировано возникновение наплывов в начале
полировального пятна МРП. Установлено, что они являются следствием
механического пластического деформирования подповерхностного слоя
материала. Предположено, что для улучшения параметров качества поверхности
после обработки, необходимо дальнейшее исследование причин возникновения
данных деформаций.
Таким образом в данной работе установлено, что магнитореологическое
полирование позволяет обрабатывать поверхность металлов и металлических
сплавов с достижением параметров шероховатости менее 10 нм и точности
формы менее 50 нм, благодаря гибкости полировального инструмента и
химическому взаимодействию обрабатываемого материала и полировальной
среды. Результаты данной работы будут использоваться для дальнейшего
совершенствования МРП в области финишной обработки металлов и их сплавов.
55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлов А.М., Смольский А.Е. Возможности токоограничивающих устройств
на основе высокотемпературных сверхпроводников / А.М. Орлов, А.Е.
Смольский // Энергетическая стратегия. – 2018. – № 1. – С. 23–24.
2. ВТСП-провод
второго
поколения
[Электронный
ресурс]
–
Режим
доступа:https://www.sinnovations.ru/upload/iblock/578/578eef3f19483b589d122
365730a693b.pdf.
3. Q. Jia, Y. Wang, H.-L. Suo, P. Wang, M.-Y. Li, Q.-Y. Huo. Electropolishing
technique of Hastelloy C-276 alloy // Rare Met. – 2017. – Т. 36, № 8. – С. 635–
639.
4. Гайсина А.У., Влияние геометрии отдельных секций на характеристики
изогнутого нейтроновода // А.У. Гайсина, Е.В. Москвин // Санкт-Петербург.
– 2017 – 8 с.
5. N. A. Mutalib, Magnetorheological finishing on metal surface: A review // N. A.
Mutalib / 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 469 012092
6. Leeladhar Nagdeve, V.K. Jain, J. Ramkumar, Nanofinishing of freeform/sculptured
surfaces: state-of-the-art, Manufacturing // Leeladhar Nagdeve, V.K. Jain, J.
Ramkumar / EDP Sciences – 2018. – 20 p.
7. Khudoley, Andrei. (2015). Высокоточная обработка поверхностей материалов
магнитореологическими жидкостями / The high-precision surfacing with
magnetorheological fluids /. Scince and Innovation / Наука и Инновации. 6. 2023.
8. В.К. Григорович, Металлическая связь и структура металлов / В.К.
Григорович. – М.:Наука, 1988. – 296 с.
9. Павлов П.В., Хохлов А.Ф., Физика твердого тела: учеб. 3-е издание. – Москва.
Высшая школа.; 2000, – 494 с.
10.ГОСТ 9378-93 «Образцы шероховатости поверхности (сравнения)»
11.Гольдштейн Р.В., Осипенко М.Н. Химико-механическое полирование /
Гольдштейн Р.В., Осипенко М.Н. // Институт проблем механики – Москва. –
УДК 531.44, 621.891
12. Авдеев О.В., Разработка конструкции и технологии изготовления инструмент
– электрода для электрохимического полирования рабочих поверхностей //
Тольятти – 2018.
56
13. Хомич, Н.С. Магнитно-абразивная обработка изделий: монография / Н.С.
Хомич. - Мн.; БИТУ, 2006 – 218 с.
14.Kitanovski, Andrej & Tušek, Jaka & Tomc, Urban & Plaznik, Uros & Ožbolt,
Marko & Poredoš, Alojz. (2015). Magnetocaloric Energy Conversion.
10.1007/978-3-319-08741-2.
15. Шульман З.П., Кордонский В.И. Магнитореологический эффект. – Мп.;
Наука и техника, 1982. – 184 с.
16.Harris, D. History of Magnetorheological Finishing / D. Harris // Proceedings of
SPIE. – 2011. – 22 p.
17. Jessica Erin DeGroote, Surface Interactions between nanodiamonds and glass in
Magnetorheological finishing / Jessica Erin DeGroote, Stephen Jacobs // University
of Rochester Rochester, New York 2007
18. Ю.В.
Попеченя,
Теплои
массоперенос
при
магнитореологическом полировании // Минск, 2017 – 91 с.
19. Е.В.Барковский,
С.В.Ткачев,
Л.Г.Петрушенко
Общая
химия/
Е.В.Барковский, С.В.Ткачев, Л.Г.Петрушенко // Минск, 2013 – 532 с.
20.Aric Bruce Shorey, Surface Interactions between nanodiamonds and glass in
Magnetorheological finishing / Jessica Erin DeGroote, Stephen Jacobs, Roger F.
Gans // University of Rochester Rochester, New York 2000
21.
57