16.4. Шлифование свободным абразивом

Шлифование свободным абразивом — один из способов фор­мообразования поверхности. Обрабатываемая поверхность имеет матовый блеск, на ней не видны следы направленной обработки. Можно предположить, что при шлифовании усредненные по времени параметры обработки (давление, скорость и направле­ние резания, число проходов зерен) почти не зависят от коорди­нат элемента поверхности пластины и что, таким образом, на всей поверхности образуется однородная структура.

При шлифовании свободным абразивом в качестве материала шлифовальника применяются сталь, гомогенный чугун, порис­тый чугун, латунь, алюминий, свинец, твердое дерево, мягкое дерево, хромовая кожа, твердый фетр, мягкий фетр. Эти мате­риалы указаны в последовательности, соответствующей умень­шению величины съема и повышению качества поверхности. Последними указаны материалы, используемые при поли­ровании.

В качестве абразива применяются карбид кремния, окись алюминия, корунд и алмаз со средней величиной зерен материа­ла до 20 мкм.

Алмаз допускает более высокие удельные давления и обеспе­чивает большую производительность обработки, которая, на­пример, в 4 раза выше, чем обработка карбидом кремния.

Абразивный материал входит в состав суспензий и паст, со­держащих мазеобразный или жидкий компонент, служащий для переноса шлифовальных зерен и частиц снятого обрабатываемо­го материала, охлаждения зоны обработки, создания стабильно­го абразивного слоя между зерном и деталью.

Одним из главных параметров этого компонента является вязкость. Существует правило: для абразива мелкой зернистости использовать менее вязкую жидкость.

Шлифовальные суспензии содержат в качестве жидкого компонента чаще всего воду, к которой иног­да добавляют эмульгаторы и средства, повышающие вязкость (этиленгликоль, глицерин). Согласно работам, нали­чие в суспензии большого количества жидкости при постоянных прочих параметрах обработки способствует увеличению съема материала. Так например, при обработке кремния обычно применяют суспен­зии со следующим массовым соотношением твердого и жидкого компонентов: от 1 : 3 до 1 : 5.

Качество поверхности и производительность шлифования зависят от технологических, кинематических и динамических параметров процесса обработки. Под техноло­гическими параметрами подразумеваются размер и концентра­ция абразива в шлифующем составе, материал шлифовальника, давление и некоторые другие. К кинематическим относятся ско­рость движения детали по шлифовальнику и закон ее изменения. Динамическими параметрами процесса являются сила воздейст­вия абразивных зерен на поверхность детали и закон ее изме­нения в зависимости от принятых давления и скорости.

Совокупное действие указанных факторов определяет меха­низм износа и его количественные характеристики, а также ве­личину нарушенного слоя. В соответствии с этим степень влия­ния каждого фактора на показатели процесса шлифования мо­жет существенно изменяться в зависимости от значения других параметров. Наибольшее влияние на величину съема обрабатываемого материала оказывает зернистость ал­мазов, а затем концентрация алмазов в пасте и время шлифова­ния. Существенное влияние оказывает также взаимодействие параметров зернистости и концентрации, зернистости и величи­ны навески, концентрации и величины навески.

Зернистость алмазов, время обработки и давление оказыва­ют большое влияние и на шероховатость обработанной поверх­ности. С увеличением времени шлифования уменьшается шероховатость обработанной поверхности, вероятно, вследствие дробления и, следовательно, уменьшения размера алмазных зерен. Снижение шероховатости по мере увеличения концентрации и величины навески пасты связано, по-видимому, с уменьшением локальных контактных давлений алмазных зерен на поверхность обрабатываемого материала.

Шлифование свободным абразивом представляет собой слож­ный процесс, включающий механическое действие абразивных зерен при одновременном физико-химическом воздействии не­абразивных составляющих доводочного состава. Свойства этого состава в значительной мере определяют показатели процесса обработки, однако основная роль принадлежит абразиву.

Рассмотрим влияние некоторых факторов, оказывающих значительное влияние как на характер разруше­ния и формирования поверхности, так и на другие показатели процесса обработки свободным абразивом.

Подвижное множество абразивных зерен, расположенных между поверхностями шлифовальника и детали, является той динамической средой, которая формирует обрабатываемую поверхность. При этом характер воздействия абразивного зерна на обрабатываемую поверхность определяется степенью его подвижности.

В зависимости от условий обработки абразивное зерна могут действовать на обрабатываемую поверхность в закрепленном, полузакрепленном состоянии и при перекатывании. Их состоя­ние зависит от величины удельного давления, твердости шлифовальника и обрабатываемого материала, скорости взаимного перемещения шлифовалльника, зерна и обрабатываемой детали, положения зерна в филированный момент времени.

Изучение шлифуемой поверхности после началь­ных периодов обработки незначительным количеством абразив­ных зерен позволяет установить некоторые условия, при кото­рых осуществляется тот или иной характер движения зерен и формирования поверхности. При малых нагрузках на зерна происходит в основном их перекатывание, приводящее к хрупкому разрушению поверхностного слоя по пути движения зерна. Поскольку форма зерна отличается от шара, участки разрушения в ряде случаев прерываются и локализованы преимущественно в местах контакта с наиболее выступающими участками зерна.

При увеличении нагрузки, а также при значительном отли­чии формы зерна от изометрической происходит внедрение зерна в одну из контактируемых поверхностей. При моделировании провеса шлифования свободным абразивом было выявлено, что при давлении на единичное алмазное зерно зернистости 500/400 с силой 49—96 мН происхо­дит перекатывание, а при увеличении нагрузки — шаржирова­ние. Различная глубина внедрения зерна при царапании обеспе­чивалась по мере движения зерна уменьшением зазора между обрабатываемыми поверхностями путем наклона одного из образцов по отношению к другому. В области, прилегающей к месту внедрения, происходит удаление обрабатываемого материала, а на проти­воположной поверхности: образуется царапина пластического или хрупкого вида. При этом вначале царапины были, как пра­вило, образованы в результате пластического деформирования с постепенным переходом к чисто хрупкому разруше­нию по мере внедрений зерна в материал. В дальней­шем такое зерно частично или полностью разрушалось. Следует отметить, что разрушение зерна происходит подобно взрыву.

Полузакрепленное состояние зерен наблюдается при средних нагрузках на них. В этом случае возможен его переход в свобод­ное состояние в результате воздействия микронеровностей обра­батываемой поверхности или другого абразивного зерна. Следует отметить, что степень подвижности зерна и вид по­верхности, им сформированной, под влиянием многих факторов непрерывно меняются.

При обработке абразивной суспензией количество закреп­ленных, перекатывающихся и полузакрепленных зерен можно считать статически определенным при неизменяющихся услови­ях протекания процесса. Введение нового абразива в зону обра­ботки производится постоянно либо периодически. В этом случае нагрузку, передаваемую шлифовальником, вначале восприни­мают крупные зерна, количество которых не превышает 5% общего количества зерен. Каждое из этих зерен, передавая боль­шую нагрузку, может внедряться в поверхность шлифовальника и работать как закрепленное. Именно вследствие этого алмазные зерна, обладая большой прочностью, приводят к обра­зованию царапин на обрабатываемой поверхности из-за внедре­ния без разрушения в шлифовальник. Однако в большинстве случаев доводки при разрушении крупных зерен зазор между шлифовальником и деталью уменьшается и в работу вступают зерна основной фракции, количество которых достигает 65-70 % общего количества зерен. При этом давление на единичное зерно снижается в 5-10 раз, что создает условия для перекаты­вания зерен, так как установлено, что перекатывание возможно только при малых давлениях шлифовальника.

Этот период работы характеризуется медленным изно­сом зерен, в основном за счет истирания и микроскалывания выступающих вершин. Зерна приобретают округлую форму, увеличиваются их радиусы и углы заострения. В дальнейшем под действием усталостных явлений и в результате большого количества соударений зерна начинают разрушаться. Данные результаты подтверждаются путем периодического измерения гранулометрического состава зерен после определенных этапов обработки.

При перекатывании зерна производят по обрабатываемой поверхности ряд следующих друг за другом ударов, оставляя след, который Престон назвал вибрационной царапиной. При этом в месте соударения возникают напряжения сжатия и растяжения, вследствие чего образуются трещины, описанные. По-видимому, такой же характер имеет разрушение, вызванное силой, направленной по нормали к обра­батываемой поверхности.

В результате воздействия на обрабатываемую поверхность большого количества зерен различной степени подвижности в поверхностном слое возникает густая сеть трещин, которые, пересекаясь, создают ослабленный слой, легко разрушающийся при повторном воздействии абразива. При этом образуется од­нородная матовая поверхность.

Зная особенности формирования поверхностного слоя, можно управлять процессом шлифования свободным абразивом, обес­печивая требуемые качественно-точностные характеристики об­рабатываемой детали

Одним из наиболее простых и высокопроизводительных методов получения сравнительно высокого качества поверхности является полирование. Наиболее широкое применение в настоящее время получило алмазное полирование. Полированием называют процесс, позволяющий получать по­верхность детали с шероховатостью не более ¹/₂₀ длины волны зеленой линии ртути ( = 5460,7 А). Само определение процесса полирования не отражает физической сущности явлений, про­исходящих при этом, а характеризует лишь конечные резуль­таты, не регламентируя способы их достижения.

Полирование обычно осуществляют в два этапа. На первом приме­няют алмазы микронных зернистостей 3/2 или 2/1, на втором — микронных зернистостей 1/0 или субмикронных зернистостей 0,7/0,3; 0,5/1,0; 0,3/0; 0,1/0, наиболее часто - 0,5/0,1.

Как предварительный этап алмазное полирование исполь­зуют преимущественно перед химико-механическим полирова­нием. В этом случае требования к качеству поверхности после алмазного полирования менее высокие и поэтому на данном этапе применяют алмазы микронных зернистостей 3/2 или 2/1.

Полирование осуществляют суспензиями или пастами, со­стоящими, как правило, из мазеобразной основы, в объеме ко­торой расположены алмазные зерна и в некоторых случаях наполнители. Состав основы и наполнителей указанным стан­дартом не оговаривается. Регламентации подлежат зернистость и концентрация алмазов. Пасты изготавливаются трех концентраций — нормальной (Н), повышенной (П) и высокой (В), а ко­личественное значение концентрации (процентное содержание алмазов по массе) увеличивается с ростом зернистости.

Как правило, для повышения технологичности процесса из­готовления пасты содержат минимально возможное количество компонентов и могут смываться водой, органическими раство­рителями или водой и органическими растворителями. Наиболее широкое применение при обработке полупроводниковых мате­риалов нашли водосмываемые пасты. При полировании пасты однократно или через определенные промежутки времени нано­сят на полировальник. Иногда пасты размешивают в жидкостях для получения алмазосодержащей суспензии. В последнее время широко практикуется введение алмазов в зону обработки пред­варительным нанесением пасты на полировальник с подачей суспензии в процессе полирования.

При полировании как пастами, так и суспензиями необходи­мым компонентом процесса является спирт (С₂Н₆ОН). В первом случае он используется в качестве СОЖ, которая каплями подается на полировальник в количестве примерно 30 мл/мин на 1 м² площади его поверхности, во втором — входит основным неабразивным составляющим суспензии. Достоинством этой жидкости является то, что в ней частицы алмаза практически не слипаются; при растекании по поверхности полировальника толщина жидкостного слоя очень мала и не препятствует кон­такту зерен абразива и обрабатываемой поверхности, что наблю­дается, например, при полировании стекла водными суспензиями интенсивное испарение сопровождается поглощением тепла из зоны обработки.

Обработку производят на полировальниках из мягких ма­териалов, таких, как замша, батист, в некоторых случаях пекоканифольная смола, а также материала типа «политекс» и дру­гих производства зарубежных фирм. Полировальники натяги­вают и закрепляют или приклеивают к планшайбе с точно дове­денной поверхностью.

В процессе обработки в зону полирования подают алмазсодержащую спиртовую суспензию с некоторыми неабразивными добавками. Концентрация алмазов находится в пределах 0,2— 1,0 г на 1 л суспензии.

Следует отметить, что производительность полирования за­висит от многих параметров процесса обработки и подчиняется тем же основным закономерностям, что и шлифование свободным абразивом. Так, большая зернистость алмазов позволяет ин­тенсифицировать съем материала. С увеличением количества алмазов, подаваемых в зону обработки, производительность практически линейно повышается до некоторого предела, после чего рост замедляется или стабилизируется на определенном уровне. При полировании пастами зернистостью 2/1 насыщение наблюдается при количестве зерен 17  10⁷ шт/см² и может достигаться изменением как концентрации, так и массы пасты.

Ключевые слова и понятия

Шлифование	Зернистость
Шлифовальный круг	Концентрация
Схема шлифования	Твердость
Наружное круглое шлифование	Связка
Внутреннее круглое шлифование	Неорганические связки
Плоское шлифование периферией	Органические связки
круга	Металлические связки
Плоское шлифование торцом	Твердость абразивного
круга	инструмента
Кинематическая схема резания	Засаливание круга
Карбид кремния	Самозатачивание
Структура круга	Износ круга
Форма круга	Правка круга
Абразивный материал	Скорость резания
Электрокорунд	Подачи
Карбид кремния	Силы резания
Карбид бора	Эффективная мощность
Синтетический алмаз	Основное технологическое
Кубический нитрат бора	время