CC BY
107
Высокоточная обработка поверхностей материалов магнитореологическими жидкостями
Резюме. Рассмотрены вопросы автоматизированной прецизионной обработки поверхностей с использованием магнитореологических жидкостей. Показана возможность повышения лучевой прочности оптических элементов посредством удаления дефектного слоя, сформировавшегося при выполнении предыдущих операций. Методы атомно-силовой микроскопии и оптической 3й-профилометрии использованы для контроля качества изделий, обработанных с нанометровой и ангстремной точностями. Показана высокая эффективность использования магнитореологических жидкостей для полирования и формообразования (планаризация, асферизация) поверхностей немагнитных материалов.
Ключевые слова: магнитореологическая обработка, полирование, формообразование. УДК 621.7.023.7
Мировой приоритет в создании технологии магнитореологического полирования (МРП) принадлежит Институту тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси [4], где в конце 80-х гг. прошлого столетия в лаборатории профессора З.П. Шульмана проводились широкомасштабные исследования различных реологических систем, в том числе применительно к полированию оптических изделий космического назначения.
Расцвет технологии МРП относится к началу 2000-х гг., когда появилась возможность автоматизации рутинных операций финишной обработки деталей на станках с числовым и программным управлением (ЧПУ). Так, например, космическое зеркало диаметром 1,5 м обрабатывается на заключительной стадии традиционными методами, включающими ручную доводку поверхности до требуемого состояния, в течение 1,2-1,5 года, а с использованием технологии МРП в автоматическом режиме - всего за 2 недели.
Андрей Худолей,
завлабораторией
высокоточной
обработки
поверхности Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, кандидат технических наук
Геннадий Городкин,
научный сотрудник Института тепло-и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси
Gl
Леонид Глеб,
ведущий научный сотрудник Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, кандидат технических наук
Анна
Александронец,
инженер-технолог Института тепло-и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси
Краткая справка
Достижение высоких показателей работы различных устройств так или иначе связано с возможностью выполнения точных видов обработки. Традиционные ее методы позволяют достичь точности формы //30-//80 (где /1 - длина волны света) и уровня шероховатости поверхности На = 5-10 нм. Однако уже сегодня для производства высокотехнологичной продукции необходимо обеспечивать эти параметры на уровне //80-/1120 и На = 0,8-1,5 нм, а в перспективе 5-10 лет -//120-1/150 и На = 0,2-0,6 нм соответственно.
В работах [1-3] показано, что высокоточная обработка поверхности может быть эффективно осуществлена за счет применения магнитореологической жидкости.
В настоящее время магни-тореологическое полирование широко применяется в странах с развитой экономикой для выпуска наукоемкой продукции и критических компонентов [5]. Однако следует отметить, что только две страны в мире (Республика Беларусь и Соединенные Штаты Америки) владеют всеми «секретами» данного метода, связанными с разработкой уникальной технологии и требуемого состава жидкости для обработки конкретного изделия, а также с созданием программного обеспечения и специального промышленного оборудования.
Сущность технологии МРП
В ее основе лежит использование магнитореологических жидкостей (МРЖ), которые представляют собой сложную систему, состоящую из жидкой среды, магнитных микро- и абразивных наночастиц.
На рис. 1 представлены схемы реализации метода [6-8], согласно которому формируют струю МРЖ 1 и подают ее на движущуюся несущую поверхность 2. В зоне максимального действия магнитного поля 3 жидкость разделяется на два слоя: вязкопластическое ядро 4 и гидроабразивный слой
5, который взаимодействует
с обрабатываемой поверхностью
6. Далее МРЖ снимают с несущей поверхности 2, перемешивают, охлаждают и снова используют для формирования струи в непрерывном цикле. При этом обрабатываемую поверхность устанавливают с зазором относительно несущей поверхности, а МРЖ, находящаяся
в зазоре, адаптируется к формам обеих поверхностей, тем самым образует рабочую зону. Разность скоростей движения поверхностей приводит к сдвиговым деформациям в рабочей зоне и, как следствие, к уносу материала с обрабатываемой площади.
Фактически жидкость выступает в роли рабочего инструмента. В свою очередь процесс съема материала с поверхности представляет собой массоперенос (унос материала), который характеризуется энергией переноса и сопровождается трибологи-ческими и механохимическими взаимодействиями.
Ближайший аналог данной техники - это обработка поверхности малым инструментом. Отличие заключается в том, что МРЖ является интеллектуальным орудием, эксплуатационные свойства которого можно регулировать путем варьирования состава жидкости, изменения параметров магнитного поля, формы несущей поверхности и скорости ее движения. Для автоматизации технологии МРП необходимо, чтобы инструмент перемещался относительно обрабатываемой поверхности в автоматическом режиме в соответствии с заданной траекторией, что на практике реализуется применением станков с ЧПУ.
Следует отметить, что МРП является универсальным методом обработки, который позволяет реализовать три принципиально разных режима: эквидистантное полирование, формообразование и ретушь. При эквидистантном полировании с поверхности равномерно снимается тончайший слой материала.
Формообразование осуществляют посредством контролируемого удаления части материала, целенаправленно изменяя форму детали. Режим «ретушь» характеризуется снятием неравномерного по величине припуска материала с различных участков поверхности.
Пример обработки пластины диаметром 200 мм в режиме «полирование» приведен на рис. 2.
Полная автоматизация МРП обеспечивает достижение высокого уровня воспроизводимости результатов как для отдельных участков единичного изделия, так и серии деталей с габаритными размерами от 3 мм до 2,5 м. Технология является экологически чистой и не требует применения защитной среды или вакуума.
Рис. 1.
Схемы реализации технологии МРП:
а) несущая поверхность выполнена в виде кюветы;
б) несущая поверхность представлена сферическим колесом
Рис. 2. Обработка пластины методом МРП
Рис. 3.
Контроль
асферического
сегментного
зеркала на
30-профилометре
МкгоХАМ-800
Рис. 4. Топография поверхности кремния после обработки МРП № = 0,6 нм)
| Рис. 5. 2 30-изображение 1 рабочей зоны
Методы контроля
При отработке технологии МРП контроль шероховатости поверхности плоских образцов диаметром до 30 мм проводится на атомно-силовом микроскопе N1-206 (ОДО «Микротестма-шины», Беларусь) в контактном режиме [3, 9].
Визуализация рабочей зоны и измерение шероховатости конечных изделий после МРП осуществляется бесконтактным методом с помощью 3Б-профи-лометра М1сгоХАМ-800 (КЬА-Тепсог, США) (рис. 3). Программное обеспечение позволяет выполнять сшивку большого количества изображений, что
значительно расширяет возможности проведения анализа образцов сложной пространственной конфигурации.
Параметры формы также изучаются посредством измерений на интерферометре ИКД-110 (ЛОМО, Россия).
Результаты исследований
Установлено, что МРП позволяет производить съем тончайших слоев вещества без деструктивного деформационного воздействия на обрабатываемую поверхность, поэтому данный метод может быть эффективно использован для полирования тонких пленок и слоев наноме-тровой толщины. Существенным отличием технологии МРП от традиционных видов обработки является то, что отделенный материал постоянно уносится из рабочей зоны потоком маг-нитореологической жидкости, что также обеспечивает эффективный отвод тепла, тем самым минимизируя температурное воздействие на обрабатываемую деталь. МРП позволяет удалять поверхностные дефектные слои, что в ряде случаев обеспечивает повышение на порядок лучевой прочности оптического изделия.
На рис. 4 представлено изображение топографии поверхности кремния после МРП-об-работки, полученное методом атомно-силовой микроскопии (поле рассмотрения - 30х30 мкм). Анализ данных показал, что применением технологии магни-тореологического полирования достигается снижение уровня шероховатости Б.а в 3,2 раза: с 1,9 до 0,6 нм. Наилучший результат -Б.а = 0,22 нм - был зафиксирован для ситалла.
Для различных материалов установлено, что существенное влияние на возможность достижения требуемого уровня шероховатости поверхности при МРП оказывает качество выполнения предшествующей обработки
и технология получения (синтеза) материала, обусловливающая особенности его морфологического строения.
На примере МРП-обработки металлооптических элементов после алмазного микроточения показано, что такой метод может быть эффективен не только для суперфинишной обработки, но и для получистовой и чистовой доводки первоначально достаточно грубых поверхностей изделий из металлических сплавов [10].
Визуализация рабочей зоны МРП показана на рис. 5. Использование данных 3Б-профило-метрии позволяет на практике изучать эффективность применения определенного состава магнитореологической жидкости, производить тонкую настройку режимов оборудования и определять оптимальные технологические параметры МРП.
Нами установлены точностные характеристики формы изделий до Х/120 (в литературных источниках имеются сведения о Х/150).
Область применения технологии МРП
В соответствии с выполненными исследованиями и планами перспективных работ по данному направлению область применения МРП можно представить в виде блок-схемы (рис. 6).
Приведем некоторые направления использования МРП, а именно:
■ формирование асферической поверхности оптического изделия, имеющего первоначальную сферическую форму (режим «формообразование»);
■ автоматизированная обработка локальных участков поверхности со снятием различного припуска (режим «ретушь»);
■ устранение тончайшего дефектного слоя, образовавшегося при выполнении предшествующих операций, для повышения
лучевой прочности оптических элементов лазерных систем (включая изделия из водорастворимых кристаллов);
■ финишная обработка поверхностей длинномерных труб, калибров, сложных сочленений, прецизионных направляющих, выполненных из немагнитных металлических сплавов;
■ планаризация поверхностей интегральных схем, имеющих сложное морфологическое и топологическое строение, для изготовления компонентов 3Б-электроники. Финишная обработка тонких пленок и слоев нанометровой толщины (режим «полирование»);
■ обработка сегментных асферических металлоптиче-ских элементов после алмазного микроточения и последующее финишное полирование аморфного покрытия;
■ полирование крупногабаритной оптики, зеркал и сегментов зеркал, изготовленных из церодура, ситалла и карбида кремния.
Следует отметить, что благодаря выполнению ряда крупных зарубежных контрактов и бюджетных тем в последние 2-3 года сформирован существенный задел для прецизионной обработки изделий размером более 2,5 м.
Экспорт наукоемкой и высокотехнологичной продукции
Институт тепло- и массо-обмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси в рамках экспортных контрактов активно осуществляет разработку и поставку маг-нитореологических жидкостей, модулей для полирования и 3-5-координатных станков с ЧПУ для применения технологии МРП в ведущие центры прецизионной обработки стран СНГ, БРИКС и дальнего зарубежья.
Таким образом, использование МРП уже сегодня позволяет достичь точностных параме-
Область применения технологии МРП
Биомедицина и точная механика
Производство полупроводников
Оптическая промышленность
Авиационно-космическая техника
Рис. 6. Область применения технологии М
искусственные
суставы,
медицинские
инструменты,
кпапаны,
трубки,
направляющие, калибры
подложки из Si, GaAs, Ge и ситалла, топологические схемы,
3D электроника, тонкие пленки
сферические, асферичес кие и плоские детали, призмы, керамические изделия, лазерные кристаллы
космические зеркала, элементы лазерных систем, обтекатели
тров [5], которые будут востребованы в ближайшие 10 и более лет. Высочайшее качество обработки придает изделию уникальные эксплуатационные характеристики, тем самым повышая его рыночную стоимость в два и более раз. В ряде случаев, например, при производстве крупногабаритной оптики размером 2 и более метров, без этого вида
обработки вообще невозможно получение продукции, отвечающей современным требованиям. Это позволяет отнести МРП к критическим технологиям [11], обеспечивающим технологическое превосходство [12] и имеющим высокую инвестиционную привлекательность. И
Статья поступила в редакцию 30.04.2015 г.
Summary
The problems of automated precision treatment of surfaces using magnetorheological fluids are considered. The possibility of increasing of the radiation resistance of optical elements by removing the defective layer that have been formed during the previous operation is shown. Atomic force microscopy and optical 3D-profilometry are used for quality control of products treated with nanometer and angstrom accuracies. The high efficiency of the magnetorheological fluids used for polishing and shaping (planarization, aspherization) surfaces of non-magnetic materials is has been shown.
See: http://innosfera.by/2015/06/high-precision_surfacing
Литература
1. Gorodkin G. Influence of flowing parameter of magnetorheological polishing fluids (MRPFs) on the quality of processing polycrystalline glass ceramics / G. Gorodkin, Z. Novikova // J. of Intelligent Material Systems and Structures. 2012, Vol. 23 (9). P 959-962.
2. Li J. Optimization of Polishing Parameters with Taguchi Method for LBO Crystal in CMP / J. Li, Y. Zhu, D. Zuo etc. // J. Mater. Sci. Technol. 2009, Vol. 25(5). P. 703-70.
3. Глеб Л.К. Оценка качества поверхности оптических деталей методом атомно-силовой микроскопии / Л.К. Глеб, Е.С. Дрозд, Г. Р. Городкин // Контенант. 2013, Т. 12(4). С. 82.
4. Harris D.C. History of Magnetorheological Finishing / D.C. Harris // Proc. of SPIE. 2011, Vol. 8016. P. 1-22.
5. Кордонский В.И. Магнитореологическое полирование оптических поверхностей / В.И. Кордонский, С.Р. Городкин // Оптический журнал. 2012, № 79(9). С.81-95.
6. Pat. US 5449313 Magnetorheological polishing devices and methods / W.I. Kordonsky, I.V. Prokhorov, S.R. Gorodkin, G.R. Gorodkin, L.K. Gleb, B.E. Kashevsky; заявл. 04.06.1993; опубл. 12.09.1995.
7. Пат. 2895 Способ гидродинамического полирования / В.И. Кордонский, Л.К. Глеб, Г.Р. Городкин, С.Р. Городкин; заявл. 27.02.1996; опубл. 30.06.1999.
8. Глеб Л.К. Магнитогидродинамическое полирование оптических поверхностей / Л.К. Глеб, Г.Р. Городкин // Контенант. 2013, Т. 12(4). C. 48.
9. Худолей А.Л., Глеб Л.К., Городкин Г.Р. Применение атомно-силовой микроскопии для контроля качества и оптимизации параметров магнитореологического полирования // Сб. тезисов докладов XXV Российской конференции по электронной микроскопии «РЭМ-2014», Черноголовка, 2-6 июня 2014, Т. 2. С. 496-497.
10. Худолей А.Л. Магнитореологическое полирование металлооптических элементов / А.Л. Худолей, Г.Р. Городкин, Д.Г. Соколовский, А.С. Александронец // Прикладные проблемы оптики, информатики, радиофизики и физики конденсированного состояния: м-лы третьей Междунар. науч.- практ. конф., Минск, 28-29 апреля 2015 г. С. 283-285.
11. Худолей А.Л. Методика формирования перечня критических технологий / под. ред. Войтова И.В. // Материалы междунар. науч.- практ. конф. «1-й Белорусский инновационный форум».- Мн., 2010, Т. 2. С. 475-480.
12. Гончаров В. Технологическое предвидение - инструмент инновационного развития / В. Гончаров, О. Кобяк, Г. Коршунов, А. Худолей, А. Шабловский // Наука и инновации. 2010, № 1. С. 6-14.
