Спосіб фінішної, прецизійної обробки деталей з монокорунду і полірувальний інструмент

1 Спосіб фінішної, прецизійної обробки деталей з монокорунду, який включає тонке, довідне шліфування і абразивне полірування з введенням в зону обробки суспензії, який відрізняється тим, що після абразивного полірування здійснюють хімічне полірування поверхонь деталей полірувальним інструментом з подачею в зону обробки водно-аміачного розчину силікозолю (S1O2) при наступному співвідношенні компонентів цього розчину, мас % Винаходи належать до механіко-хімічної обробки деталей оптичного і електронного приладобудування і можуть бути використані при фінішній, прецизійній обробці різних деталей з монокорунду (сапфіру), наприклад, підложок для епітаксії , КНСструктур, дзеркал, лінз, вікон і т п при виробництві СВІТЛОДІОДІВ, інтегральних схем, оптичної, лазерної і електронної техніки Відомий спосіб фінішної, прецизійної обробки деталей з монокорунду (див N Yasunaga, О Imanaka Polishing hard crystals with soft powder Technocrat, 1975, v 8, h 15-21 (переклад №3018, IHM HAH України) з використанням дрібнодисперсних порошків кремнезема у складі водної суспензії та "всуху" Однак при цьому відмічається, що продуктивність полірування водною суспензією складає 0,03мг/год, що в 3 75 разів нижче за "всуху" КІЛЬКІСНІ дані про стан поверхні, що оброблюється, не наводяться Але "сухий" спосіб не технологічний оскільки необхідно створювати у робочій зоні високі тиски, температури (до 300°С) і захисту и (зони) від розпилення дрібнодисперсного видається під відповідальність власника патенту І ПОЛІРУВАЛЬНИЙ силікозоль 22 24 водно-аміачний розчин залишок 2 Полірувальний інструмент, що містить корпус і робочу частину, виконану з полімерного композиту, який складається з наповнювача і як зв'язуючого - епоксидної смоли, який відрізняється тим, що як наповнювач використано аеросил, а компоненти полімерного композиту взято у наступному співвідношенні, мас % наповнювач 8 14 зв'язуюче залишок 3 Полірувальний інструмент за п 2, який відрізняється тим, що аеросил використано у вигляді дрібнодисперсних частинок розміром 0,02 О.ОЗмкм 4 Полірувальний інструмент за п 2, який відрізняється тим, що на робочій частині інструмента виконано концентричні канавки, призначені для розміщення та утримання в них водноаміачного розчину силікозолю S1O2 На основі цього можна зробити висновок, що описаний спосіб не ефективний Відомий також найбільш близький за технічною суттю до винаходу спосіб фінішної, прецизійної обробки виробів з монокорунду (див ОСТ 11054, 267 - 80" Изделия электронной техники Пластины из лейкосапфира, Технологические процессы смешанного и последовательного механо-химического полирования пластин сапфира, соответственно, суспензией из смеси глицерина (6 частей, смачивателя СВ-104 "П" (1 часть), алмазных микропорошков АСМ 3/2 (6,5 - 6,7г/л) и силикозоля (коллоидный раствор S1O2) - 200мл на медной планшайбе и полирующими суспензиями (№1 - САКАП + АСМ 3/2, №2 - САКАП + АСМ 1/00, №3 - Аэросил (S1O2) A - 380 на полировальнике из материала СК-4 (САКАП - сополимер акриловой кислоты с тетрааллилпентаэритритом "), стр 74 75, 137-141) Згідно ЦЬОГО способу здійснюють тонке, доводочне шліфування і абразивне полірування з вве 00 ю 00 48581 денням в зону обробки суспензії - колоїдного розчину SIO2 Однак цей спосіб забезпечує недостатню шорсткість поверхні, що оброблюється, на рівні Rz = 0,05мкм (Ra = 0,01 Омкм) без вимог по класу " Р" оптичної частоти Внаслідок використання частинок S1O2 у вільному стані можливе їх передроблювання, це не дозволяє підвищити контактні тиски, а тому і фактичну площу контакту матеріалу, що оброблюється і інструменту, а значить призведе до зниження продуктивності обробки і якості поверхні, що отримується Найбільш близьким за технічною суттю до полірувального інструменту, що заявляється, є полірувальний інструмент (див Авт св №1705053, МПК 5 В24 Д 3/34, опубл Бюл №2, 15 01 92), що містить корпус і робочу частину, виконану з полімерного композиту, який складається з наповнювача і як зв'язуючого - епоксидної смоли, як наповнювач полімерний композит містить абразив у КІЛЬКОСТІ 97,3 99,0мас % Цей інструмент забезпечує досить високу продуктивність обробки, але за причини наявності на робочій частині абразива, в якості якого використовується полірит оптичний (ПФ), вміщуючий СеО2, який взаємодіє з кремнеземом (S1O2) скла, яке оброблюється Але СеО2 не взаємодіє з АЬОз і тому інструмент на основі СеО2 не може бути використай для обробки деталей з монокорунду В основу винаходу покладено завдання такого вдосконалення способу фінішної, прецизійної обробки і полірувального інструмента, при якому за рахунок здійснення операції ХІМІЧНОГО полірування за допомогою нового полірувального інструменту за умови використання в процесі ХІМІЧНОГО полірування з подачею водно-аміачного розчину силікозоля у запропонованій КІЛЬКОСТІ, тобто об'єднаних єдиним винахідницьким задумом забезпечується можливість суттєво підвищити контактні тиски і площу фактичного контакту поверхні виробу з інструментом, що інтенсифікує процес хімічної взаємодії монокорунду (а-АЬОз) і S1O2 у складі інструменту, внаслідок чого значно поліпшиться якість поверхні, що оброблюється і підвищиться продуктивність обробки Для вирішення цього завдання у способі фінішної, прецизійної обробки деталей з монокорунду, який передбачає тонке, доводочне шліфування і абразивне полірування з введенням в зону обробки суспензії, згідно винаходу після абразивного полірування здійснюють хімічне полірування поверхонь деталей полірувальним інструментом з подачею в зону обробки водно-аміачного розчину силікозоля (S1O2) при наступному співвідношенні компонентів цього розчину силікозоль 22 24 водно-аміачний розчин - залишок, а у полірувальному інструменті, що містить корпус і робочу частину, виконану з полімерного композиту, який складається з наповнювача і, як зв'язуючого, епоксидної смоли, згідно винаходу як наповнювач полімерний композит містить аеросил, а компоненти взято у наступному співвідношенні, мас % наповнювач 8 14 звязуюче - залишок, причому аеросил використано у вигляді дрібнодисперсних частинок розміром 0,02 О.ОЗмкм, а на робочій частині інструмента виконано концентричні канавки, призначені для розміщення та утримання в них водноаміачного розчину силікозоля Зв'язок двох представлених винаходів єдиним винахідницьким задумом базується на використанні пропонованого полірувального інструменту для проведення операції ХІМІЧНОГО полірування, що можна здійснити тільки за умови одночасної подачі в зону обробки водно-аміачного розчину силікозоля (S1O2) при пропонованому співвідношенні компонентів цього розчину Тільки при одночасній реалізації ознак способа і інструмента, що заявляються, можливе досягнення нового механізма взаємодії ознак цих двох сукупностей ХІМІЧНИЙ реагент кремнезем (S1O2) вступає у взаємодію з монокорундом АІ2О3 + 2Н2О + 2SiO2 -> AI 2 Si 2 0 7 2Н2О з утворенням алюмосиліката (AI2S12O7), який потім видаляється при фракційному контакті інструмента з деталлю з монокорунда, забезпечуючи таким чином ХІМІЧНИЙ ЗЙОМ монокорунду з продуктивністю у 40 разів більшою (0,12мг/год), ніж при звичайному "мокрому" методі полірування, шорсткість поверхні при цьому Rq = О.Знм (ЗА) і оптична чистота класа Р 0 - 10 Сполучення закріпленого зв'язуючим аеросила у складі полімерного композита і подачі водно-аміачного розчину силікозоля дозволить проводити процес полірування монокорунду з більшими, ніж у способі за прототипом контактними тисками (0,1 МПа) і коловою швидкістю (V = 1м/с) і, ВІДПОВІДНО, при більшій фактичній площі контакту деталі з монокорунду і інструмента при їх більш інтенсивному фрикційному терті, що в значній мірі інтенсифікує процес хімічної взаємодії (а-АІ2Оз і SiO2), при закріпленні частинок SiO2 в інструменті виключається їх передроблюваність в процесі взаємодії, а утворені площинки зносу на закріплених частинках збільшують ще в більшій мірі площу контакту їх з монокорундом, що оброблюється, сприяючи підвищенню ефективності їх хімічної взаємодії При величині концентрації аеросилу менше за 8% в полімерному композиті і масовій долі силікозоля в розчині ЗОТС (змащувально-охолоджуюче технологічне середовище), менше за 22%, ефективність взаємодії і, ВІДПОВІДНО, продуктивність знімання значно знижуються При величинах концентрації і масової долі аеросилу SiO2, ВІДПОВІДНО, у полімерному композиті і силікозолю у розчині ЗОТС, більших за 14% і 24% утвориться пересичення їм ЗОТС, із кристалізацією SiO2 і, як наслідок, знизяться інтенсивність хімічної взаємодії АІ2Оз і SiO2, продуктивність ХІМІЧНОГО знімання матеріалу, що оброблюється, і якість обробленої поверхні Таким чином, установлені межі величин концентрації і масової частки кремнезему SiO2, ВІДПОВІДНО, у полімерному композиті і розчині ЗОТС - 8-14% і 22-24% є суттєвими для забезпечення найменшої шорсткості (Rq = О.Знм), найвищого класу (Р 0 - 10) оптичної чистоти обробленої поверхні корунду і найбільшої продуктивності обробки і, як наслідок, рішення поставленої задачі 48581 Зазначене дозволяє зробити висновок про зв'язок ознак пропонованих сукупностей єдиним винахідницьким задумом Порівняння технічних рішень, що заявляються, із прототипами дозволило установити ВІДПОВІДНІСТЬ їх критерію "новизна" При вивченні інших відомих технічних рішень у даній області техніки ознаки, що відрізняють винаходи від обох прототипів, не були виявлені і тому вони забезпечують технічним рішенням, що заявляються, ВІДПОВІДНІСТЬ критерію "винахідницький рівень" Технічні рішення, що заявляються, є також промислово придатними, тому що вони можуть бути використані для техпроцеса фінішної, прецизійної обробки оптико-електронних деталей (лінз, ВІКОН, підкладок для епітаксії, дзеркал і т п ) з мо нокорунду (сапфіра - а-АЬОз) і виготовлення інструмента для полірування Приклад 1 Використовували комплект інструментів, що включає абразивні інструменти для, ВІДПОВІДНО, тонкого, доводочного шліфування і попереднього абразивного полірування 6А2Т-200-Атб 10 х 5 АСМ 10/7 - 18%-33-04 1шт, 6А2Т-200 х 7 - Sn ACM 5/3 у суспензії -1 шт, 6А2Т-200 х 7 АСМ 2/1 6% 33-03 -1 шт і здійснювали при послідовному їх використанні підготовку поверхонь деталей з сапфіра під хімічне полірування Процес здійснювався при наступних режимах і умовах (табл 1) Таблиця 1 Результати випробувань процесів поверхні під полірування Режими обробки № пп Операція обробки Характеристика інструменту п, об/хв 6А2Т-200-АТ6 10x5АСМ Тонке Шлі1 10/7-18%-СЗфування 04 Доводочне 6А2Т-200 х 7 2 шліфування Sn ACM 5/3 6А2Т-200 х 7 Абразивне 3 АСМ 2/1 6% полірування СЗ-03 Ра, МПа По Стан поверхні Криста Оптична Q, Лографіч чистота за Ra, мг/хв орієнтація мкм ДСТ 1114184 ЗОТС дв х/хв 100 0,035 50 50%етиленгликоля + 50%гліцерина 100 0,07 50 -" -" 40 0,10 40 -" -" 2 Для заключної стадії полірування - ХІМІЧНОГО полірування, використовували пропонований, полірувальний інструмент, що містить корпус і робочу частину, виконану з полімерного композиту, який містить наповнювач і як зв'язуюче - епоксидну смолу, згідно винаходу як наповнювач використовували дрібнодисперсні частинки аеросила при співвідношенні компонентів, що заявляється Форма корпуса інструмента може бути будь яка, наприклад, прямокутна, у вигляді диска і т д Це не впливає суттєво на рішення поставленої задачі (0001) 40,4 0,038 Просвітлена поверхня Є сліди ал0,18 Rz = мазного 0,032 фону 0,032 0,6 Оптимальною, але не суттєвою умовою є наявність на робочій поверхні полірувального інструмента форми 6А2Т 200 х 10 концентричних кільцевих канавок, призначених для кращого утримання в них водно-аміачного розчину силікозоля в процесі полірування В зону обробки подавали водно-аміачний розчин силікозоля при пропонованому співвідношенні компонентів цього розчину Режими і умови здійснення операції ХІМІЧНОГО полірування зведено в таблицю 2 Таблиця 2 Порівняльні результати випробувань процеса ХІМІЧНОГО полірування Режими обробки Технологічна Характеристика операція інструменту 6А2Т-200 х 10Хімічне поSiO2-8-10% лірування "Сиопол-1" 6А2Т з кварцу і Хімічне поводний розчин лірування SiO2 п, Ра, По об/хв МПа дв х/хв ЗОТС Кристграфіч орієнтація Q, мг/хв Стан поверхні КпасР оптичної чистоти за Rq, HM ДСТ 11141-84 40 0,1 40 Силикозоль ОСЧ-4,6-3 (0001) 0,02 0,3 0-10 40 0,1 40 вода (0001) 0,0005 Rz = 0,05мкм ...... 48581 Результати випробувань інструмента для ХІМІЧНОГО полірування з різними концентраціями і масовими частками аеросилу і силікозолю (S1O2), 8 ВІДПОВІДНО в робочій частині з полімерного композиту і у ЗОТС, представлені в таблиці З Таблиця З Порівняльні результати випробувань процеса ХІМІЧНОГО полірування сапфіра (0001) при різному складі кремнезему (S1O2) у полімерній композиції полірувального інструмента і ЗОТС Склад S1O2 у поліХарактеристика мерному композиції, інструмента % 6А2Т-200хЮ6 ЗІ2-"СИОПОЛ-1" 16 -" 9 -" 8-14 Склад S12O у ЗОТС, % 23 20 26 22-24 З таблиць 2 і 3 видно, що задача, поставлена у винаходах, вирішується при закріпленні дрібнодисперсних частинок аеросила (S1O2) у полімерному композиті при виконанні пропонованих значень складу аеросилу і силікозолю, ВІДПОВІДНО, В полімерному композиті (8 -14%) і ЗОТС (22 - 24%) При невиконанні навіть однієї з вказаних умов, Q, мг/хв 0,010 0,015 0,010 0,015 0,020 Стан обробленої поверхні Rq, H M Клас Р оптичної чистоти 0,6 1,0 0,8 1,2 0,3 0-40 0-40 0-40 0-40 0-10 1 1 1 1 задача, поставлена у винаході, не може бути вирішена Пропоноване технічне рішення випробувалось в умовах ІНМ НАН України Результати випробувань за параметрами шорсткості й оптичної чистоти оцінювались, ВІДПОВІДНО, В НДІ "ПОЛЮС" (Моск ва) і КП "ЦКБ Арсенал" (Київ) ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71