Модель элементарного акта пластической деформации твердоструктурных минералов

За счет самонастраивающегося компьютерного управления, реализующего модель физической мезомеханики элементарного акта пластической деформации одновременно микро- и мезомасштабного уровня в процессе дискретного размерно-регулируемого микрореза­ния твердоструктурных кристаллов (минералов) на основе информа­ции об упругих деформациях сжатия в обрабатывающей системе, совмещаются шлифование и микрошлифование при автоматическом обеспечении высокой размерной точности и оптических характерис­тик чистоты на сложно-профильных поверхностях при отсутствии дефектов в подповерхностном слое.

Физическая основа этой модели состоит в том, что в резуль­тате специального внешнего воздействия концентратора напряжений микромасштабного уровня в кристалле возникают сильные статичес­кие смещения атомов из узлов кристаллической решетки, приводя­щие в локальной зоне действия градиента внешнего микроконцент­ратора напряжений в сильно возбужденное состояние обрабатывае­мую поверхность кристалла. В этих условиях” далеких от основного состояния, наряду со структурным состоянием исход­ного кристалла в пространстве между узлами появляются новые разрешенные структурные состояния, заложенные в электрон­но-энергетическом спектре кристалла. В кристалле возникают но­вые степени свободы. В локальной зоне кристалла происходит су­перпозиция нескольких структур, при этом число атомов соответс­твует только одной структуре. В связи с этим появляются виртуальные вакансии, не связанные с основными узлами решетки. В этих условиях возникают коллективные возбуждения, которые представляют собой кластеры с ближним порядком, отличным от ис­ходного состояния. Устойчивость таких коллективных возбуждений поддерживается внешним воздействием микроконцентратора напряже­ний. Распад такого коллективного возбуждения, связанного с микромасштабным уровнем действия внешнего микроконцентратора нап­ряжения рождает деформационные дислокации. Эти эстафетные дви­жения деформационных дефектов (ансамбля дислокации) происходят через разрешенные состояния в междоузлиях основной кристалли­ческой решетки” что обеспечивает их высокую подвижность. Сог­ласно этой модели в каждой точке деформируемого объема в каждый данный момент времени действия микроконцентратора напряжения, направление максимального касательного напряжения которого в общем случае непараллельно осям кристаллической решетки, ан­самбль дефектов эстафетно сдвигается только по одной системе плоскостей скольжения, близко соответствующей направлению мак­симальных касательных напряжений. При этом эстафетный периоди­ческий (трансляционный) выход дислокации из их плоскостей скольжения в некотором трехмерном объеме с дислокационной структурой соответственно вызывают кооперативное периодическое смещение всего ансамбля движущихся дислокационных дефектов, сопровождаемое материальным поворотом трехмерного объема дисло­кационной структуры.

Это обуславливает появление на границах структурного трех­мерного объема (элемента) моментных напряжений, действующих на структурный элемент со стороны окружения. Моментные напряжения вызывают появление поворотных мод деформации. Трехмерные струк­турные элементы начинают двигаться по схеме "сдвиг + поворот" как целое в режиме релаксационных колебаний, испытывая трансляцию и кристаллографический поворот. Появляется поле поворотных момен­тов, которое обуславливает поворотные моды деформации и внутри структурных элементов, в том числе:

- выход дислокации из их плоскостей скольжения и постепен­ное формирование разориентированной ячеистой структуры;

- последовательное вовлечение других систем плоскостей скольжения дислокации, которые образуют вихрь материальных поворотов ячеистых субструктур;

- образование поля в виде множества дислокационных дипо­лей, в которых спаренные дислокационные скопления имеют матери­альные релаксирующие повороты противоположного знака.

Органическая взаимосвязь сдвигов и соответствующих поворо­тов трехмерных структурных элементов приводит к тому, что под воздействием внешних концентраторов напряжений микромасштабного уровня пластическая деформация не способна развиваться только на микромасштабном уровне” и сопровождающие сдвиги поворотные моды вовлекают в пластическую деформацию мезомасштабный уровень нагруженной поверхности кристалла, и, постепенно, в ходе даль­нейшей пластической деформации происходит непрерывно возрастаю­щая разориентация ячеек, которая достигает при больших степенях деформации нескольких десятков градусов.

Принципиально новым качеством в движении трехмерных дисло­кационных ячеек по схеме "сдвиг + поворот" является возможность непрерывной генерации в ходе пластической деформации новых (внутренних) локальных концентраторов напряжений и связанных с ними источников движения деформационных дефектов. Поскольку в общем случае трехмерные дислокационные ячейки (мезообъемы) не являются равноосными, на их границах при поворотах возникают зоны стесненной деформации и, соответственно, возникают новые концентраторы напряжений. Другими словами, кристаллографические сдвиги внутри трехмерной ячейки, релаксируя колебания в режиме затухания одних концентраторов напряжений, приводят к генерации на границах трехмерных ячеек новых концентраторов напряжений.

При этом исходная дислокационная структура в каждой из таких поворотно колеблющихся ячеек постепенно кинетически превра­щается в диссипативную структуру, полностью потерявшую свою ус­тойчивость к поворотным деформациям.

Задается характеристика обеспечения оптической чистоты на окончательно обработанной поверхности кристалла, определяемая в виде максимально допустимой высоты микронеровностей R_z = 0.03...0,05 мкм при отсутствии дефектов в подповерхностном слое, соизмерима с фундаментальной характеристикой (0.01.-.0,1 мкм) поверхностей широкого класса кристаллов, которая зависит только от параметров кристаллической решетки, модуля сдвига и от так называемого напряжения трения недислокационной природы (т.е. напряжения, которое необходимо создать в идеальном кристалле для того. чтобы начать эстафетное движение прямолинейной дислокации).

При этом фундаментальная характеристика определяет собой предельно минимальные линейные размеры деформированного слоя поверхности кристалла на первом мезомасштабном уровне в резуль­тате ее пластической деформации и формирования знакопеременными поворотными модами деформации по схеме "сдвиг + поворот", фрагментированной (от релаксационной к диссипативной) субструктуры в виде множества отдельных трехмерных ячеек (мезообъемов), ко­торая имеет место по окончанию внешнего воздействия концентра­торов напряжений на микромасштабном уровне в результате обра­ботки микрорезанием поверхности кристалла в упругой обрабатыва­ющей системе.

Наличие колебательно-релаксационного характера движения в процессе формирования субструктуры в каждой отдельной трехмер­ной ячейке (мезообъеме) по схеме "сдвиг + поворот" с одновремен­ной самоорганизацией знакопеременными поворотными модами деформации множества подобных колебательно-релаксирующих трехмерных ячеек в локальной зоне действия градиента внешнего микрокон­центратора напряжений позволяет осуществить процесс размер­но-регулируемого пластичного микрорезания специальным подбором параметров и режимов воздействия внешних микроконцентраторов только на основе использования эффекта накопления усталости от знакопеременных поворотных мод деформации упомянутых трехмерных ячеек (мезообъемов) с образованием диссипативной субструктуры между упомянутыми ячейками, не выходя за пределы первого мезо-масштабного уровня пластически деформируемой поверхности крис­талла. При этом, путем установления в упругой обрабатывающей системе такого режима интенсивности съема, при котором имеет место периодический характер состояния взаимного соответствия (баланса) в размерном и качественном выражении между множества­ми структурных трехмерных ячеек (мезообъемов), с одной стороны находящихся в стадии зарождения в них дислокационных структур под воздействием только поворотных мод деформации, а с другой стороны в моментих одновременного пластического срезания нахо­дящихся в стадии сформировавшихся только под воздействием таких поворотных мод деформации диссипативных структур с частотой пе­риодичности, определяемой временем жизни каждой отдельной ячей­ки из всего множества трехмерных структурных ячеек (мезообъ­емов), появляется возможность идентифицировать протекание диск­ретного процесса съема припуска только в пределах первого мезо-масштабного уровня пластической деформации обрабатываемой по­верхности кристалла с образованием множества единичных пласти­чески деформированных стружек по наличию автоколебательного ха­рактера изменений сжимающих упругих деформаций в обрабатывающей системе с амплитудой, равной линейному размеру единичного структурного мезообъема со скоростью врезной подачи в направле­нии сжимающей упругой деформации обрабатывающей системы, равной отношению между линейными размерами и временем его жизни.

Предлагаемая модель управления процессом микрорезания твердоструктурных и хрупких минералов (анизотропных монокрис­таллов алмазов) определена ритмичным полем динамически нагру­женной упругой обрабатывающей системы. В этом ритмичном поде параметры каждого единичного импульсного воздействия в виде внешнего микроконцентратора напряжений со стороны вершины каж­дого заданного режущего зерна регулярного микрорельефа вращаю­щейся производящей инструментальной поверхности на каждую соот­ветственно заданную (локальную) точку обрабатываемой поверхнос­ти кристалла обеспечивают на деформируемом приповерхностном слое после каждого очередного внешнего воздействия микроконцентратора напряжений устойчивую тенденцию ко все более четкому проявлению очертаний границ постепенно фрагментируемой однослойной унитарной ячеистой структуры, имеющей квазиполикристаллический характер. Эта ячеистая структура имеет вид взаимосвя­занно движущихся на площади макромасштабного уровня (ограничен­ной площадью действия градиента касательной составляющей внеш­него импульсного микроконцентратора напряжений на пластически нагруженный материал) в режиме релаксационных колебаний по схе­ме "сдвиг + материальный поворот" трехмерных ячеек-фрагментов с линейными размерами каждой из них 1-го мезомасштабного уровня. Самоорганизующийся процесс постепенного накопления в зависимос­ти от количества возвратно-поворотных мод пластической деформа­ции в пограничных субструктурах движущихся друг относительно друга указанных ячеек-фрагментов, периодически завершается од­новременной потерей сдвиговой устойчивости каждой отдельной и всего множества на площади макромасштабного уровня указанных ячеек-фрагментов как друг относительно друга в указанной квази-поликристаллической однослоиной ячеистой структуре, так и отно­сительно нижележащей монокристаллической поверхности основного кристалла. Момент завершения этого процесса сопровождается пе­риодическим удалением с обрабатываемой поверхности монокристал­ла указанной однослоиной квазиполикристаллической структуры в виде лавинообразного дискретного множества единичных пластичес­ки деформированных стружек с размерами каждой из них, соответс­твующей размеру указанной ячейки-фрагмента 1-го мезомасштабного уровня. Каждая такая единичная структура обладает всеми физи­ко-механическими характеристиками основного монокристалла (как макрообъекта).

При моделировании процесса пластической деформации макрос­копического объекта, в котором процесс деформации развивается на разных масштабных уровнях каждый раз ставятся следующие це­ли:

1. Описать макроскопическую деформацию (на мезо- и макроу­ровнях) как релаксационный процесс. Записать релаксационное оп­ределяющее уравнение с дислокационной кинетикой пластических сдвигов на микроуровне и выполнить моделирование "б - е" диаг­рамм. характеризующих динамическое нагружение обрабатываемого материала ритмичным полем импульсными микроконцентраторами нап­ряжений(с касательными составляющими) в упругой обрабатывающей системе.

2. Смоделировать неоднородную деформацию на мезоуровне, принимая во внимание дислокационную динамику на микроуровне.

3. Связать деформацию на макроуровне с развитием деформац­ионных процессов на микро- и мезоуровнях и формированием субструктур в ходе нагружения.

Для решения в целом поставленной задачи необходимо последо­вательно промоделировать деформации на различных структурных уровнях.

Однако в настоящее время не существует принципиальной воз­можности построить такие уравнения, которые бы одновременно описывали все три уровня: микро-, мезо- и макро.

Каждый уровень описания предполагает исследование принци­пиально разных объектов, для теоретического описания которых создаются свои специфические модели.

В этом контексте ключевой задачей всех исследователей в области физической мезомеханики всегда остается задача усред­ненного (грубого) учета вкладов с микроскопического уровня в макроуровень.

Это обстоятельство не позволяет применить известные подхо­дов моделирования для практического решения поставленной в нас­тоящем исследовании задачи, требующей точного учета всех факто­ров для обеспечения бездефектного размерно-регулируемого мик­рошлифования в упругой обрабатывающей системе твердоструктурных и хрупких (с анизотропными механическими характеристиками) мо­нокристаллов алмазов.

В связи с этим основным подходом в решении поставленной настоящим исследованием задачей, является задача технологичес­кой диагностики и идентификации в реальном масштабе времени па­раметров бездефектного микрошлифования, основанная натом, что в каждом конкретном случае в конкретной упругой обрабатывающей системе тестовыми методами идентифицируются параметры динами­ческого равновесия, отражающие фактические условия нагружения с одной стороны, и фактическую реакцию обрабатываемого материала - с другой.

При этом объективным критерием соответствия фактической модели Пластической деформации в процессе микрошлифования каж­дого конкретного материала с теоретически заданной моделью яв­ляется с одной стороны наличие единичных пластически деформиро­ванных стружек с размерами, равными фактической величине микро­неровностей Rz на окончательно обработанной поверхности, обла­дающих всеми физико-механическими характеристиками основного монокристалла как макрообъекта, а с другой стороны наличие на оставшейся (обработанной) поверхности диссипативной (лишенной дислокационных дефектов) монокристаллической структуры, при от­сутствии нижележащих нарушенных слоев, привнесенных технологи­ческим процессом микрошлифования.

Управляемость процесса основана на:

- реализации при микрорезании в УОС (упругой обрабатываю­щей системе) модели физической мезомеханики элементарного акта пластической деформации ОП (обрабатывающей поверхности) изделий одновременно на микромасштабном и первом мезомасштабном уров­нях, согласно которой на первой стадии тестовыми методами иден­тифицируют пределы упругой деформации сжатия в УОС, кроме того, также тестовыми методами идентифицируют параметры и управляющую программу приводов подач для специального импульсного внешнего воздействия на ОП изделия микроконцентраторов напряжений со стороны регулярного режущего микрорельефа ПИП (производящей инструментальной поверхности) в условиях взаимного соответствия задаваемых технологических режимов резания и фактической интен­сивности съема припуска, при которых имеет место самоорганизую­щийся процесс синхронного накопления усталости к знакоперемен­ным поворотным модам деформации каждой отдельной и всего мно­жества трехмерных ячеек (определяющих первый мезомасштабный уровень пластической деформации ОП изделия в зоне импульсных действий градиентов) отдельного каждого внешнего микроконцент­ратора напряжений) по мере постепенного преобразования началь­ной структуры между упомянутыми отдельными трехмерными ячейками с момента их зарождения на ОП изделия в "конечную диссипативную субструктуру с полной потерей сдвиговой устойчивости в этой субструктуре к моменту синхронного отделения от ОП изделия мно­жества упомянутых трехмерных ячеек в виде единичных пластически деформированных стружек;

- оперативном контроле за процессом микрорезания с опреде­лением фактических величин статической и динамической составля­ющих упругих деформаций, а также размерной настройки оператив­ной идентификации установившегося режима образования единичных пластически деформированных стружек и взаимного соответствия технологических режимов резания фактической интенсивности съема припуска по наличию автоколебательного характера изменений ди­намической составляющей упругих деформаций сжатия в УОС;

- оперативную идентификацию вычислительными операциями в реальном времени текущих параметров интенсивности съема припус­ка для стабилизации процесса бездефектного микрорезания с уче­том изменения режущей способности ПИП, температурных деформа­ций, анизотропии и жесткости в точках касания ОП изделия и ПИП;

- режимы, параметры и алгоритмы специального внешнего воз­действия микроконцентраторов напряжений на обрабатываемую по­верхность кристалла выбирают из условия поддержания незатухаю­щих знакопеременных поворотных колебаний каждого единичного мезообъема и всего множества аналогичных трехмерных мезообъемов во всем временном интервале их жизни в каждый локальной зоне действия градиента внешнего источника напряжений за счет:

1. Формирования микрорельефа производящей инструментальной поверхности (ПИП) с регулярным распределением множества единич­ных режущих зерен одной и той же зернистости, форма режущей кромки каждого из которых характеризуется радиусом при вершине, не превышающим 1,0 мкм.

2. Периодического импульсного воздействия внешних микро­концентраторов напряжений (режущих зерен ПИП) с частотой, по меньшей мере равной частоте знакопеременных поворотных колеба­ний каждого единичного трехмерного структурного мезообъема на обрабатываемой поверхности кристалла.

3. Расположения вектора касательного напряжения в каждой локальной зоне действия каждого микроконцентратора напряжения в направлении, не совпадающем с направлениями осей кристаллической решетки ОП кристалла.

4. Сложения векторов в каждой локальной зоне действия каж­дого микроконцентратора напряжения, один из которых является связанным с сжимающими (статическими и динамическими составляю­щими) деформациями упругой обрабатывающей системы (УОС), нор­мально направленным к плоскости формообразования, а другой век­тор связан с величиной крутящего момента на режущей кромке аб­разивного зерна, связанного с ПИП, и совпадающим с вектором скорости резания, который лежит в плоскости формообразования. Сумма этих векторов определяет. величину и направление внешнего действия вектора касательных напряжений (рис. 3.3).

5. Последовательного, с каждым очередным импульсом диск­ретного возрастания мощности внешнего воздействия микроконцент­раторов напряжений на ОП кристалла путем соответствующего при­ращения величины динамической составляющей деформации сжатия в УОС.

В установившемся автоколебательном режиме съема припуска величина дискретного приращенияна микромасштабном уровне (0.005...0.01 мкм) динамической составляющей в упругой деформа­ции сжатия обрабатывающей системы, приходящаяся на каждый им­пульс внешнего воздействия микроконцентратора напряжений, опре­деляется размером единичного трехмерного структурного мезообъема, поделенного на суммарное количество импульсов внешних воз­действий микроконцентраторов напряжений на протяжении всего пе­риода жизни (времени жизни) единичного структурного мезообъема на ОП кристалла.

6. Последовательного, с каждым очередным импульсом” диск­ретного перемещения микроконцентратора напряжений в плоскости формообразования на суммарную длину траектории, равной длине зоны действия на обрабатываемую поверхность градиента каждого единичного микроконцентратора напряжений, в которой имеет место синхронное равенство времен и периодов жизни каждого отдельного и всей совокупности множества трехмерных структурных мезообъемов, с дискретностью перемещения, равного линейному размеру единичного трехмерного структурного мезообъема [0,003...0,001 мкм].

Процедура выбора режимов и параметров специального воз­действия микроконцентраторов напряжений на обрабатываемую по­верхность кристалла состоит в тестовой идентификации этих пара­метров. осуществляемой на предварительной стадии обработки в режиме автоматизированного эксперимента с компьютерной обработ­кой результатов и их анализом, в том числе:

- последовательной подготовкой микрорельефа на ПИП в виде системы выступов равномерно расположенных на ПИП относительно оси ее вращения. Каждый выступ микрорельефа образован множеством режущих кромок отдельных абразивных зерен, связанных в про­изводящую инструментальную поверхность - ПИП. Каждая такая ре­жущая кромка имеет при вершине, равной 1,0 мкм. Число таких выступов по окружности m задают равным в диапазоне от 3 до 3000;

- частоту вращения ПИП n₁ задают равной в диапазоне от 1000 до 6000 об/мин;

- закон изменения величины дискретный врезной подачи δ_i на глубину резания в сторону возрастания упругих деформаций сжатия в виде бесконечно убывающей геометрической прогрессии

δ_{i =}δ_о*g^(i-1),

где:

δ_о - начальная величина дискретной врезной подачи (напри­мер 1 мкм);

g - знаменатель геометрической прогрессии, g -1 (в диапазо­не 0.99...0.5);

i - порядковый номер импульса, определяемый общим коли­чеством пройденных выступов на вращающейся ПИП относительно места ее контакта с ОП от начального движения подачи от текуще­го момента времени t:

i=m*n₁*t

- фиксируют порядковый номер импульса i₁ в момент касания ПИП с ОП.;

- фиксируют порядковый номер импульса i₂ в момент начала автоколебаний упругих деформаций сжатия в обрабатывающей систе­ме и определяют скорость V_n1 съема припуска в этот момент вре­мени обработки:

V_n1= [мкм/сек]

- по информации от датчика силы определяют амплитуду ∆₁ динамической составляющей автоколебаний сжатия в УОС в устано­вившемся режиме съема припуска и устанавливают время жизни τ₁ единичного структурного мезообъема и всего множества единичных мезообъемов в зоне действии градиента касательных напряжений внешних микроконцентраторов напряжений, подверженных поворотным модам деформаций:

- определяют общее количество n₁ поворотных мод деформа­ции. за которое структура, окружающих мезообъемах из исходной (бездислокационная) превращается в диссипативную структуру, полностью потерявшую сдвиговую устойчивость:

, или

- определяют максимальную длину траектории I₁ последова­тельного поступательного перемещения концентраторов напряжений в плоскости формообразования для того, чтобы одновременно плас­тически срезать, как минимум, 0,67 часть находящихся в одинако­вой фазе возбужденного состояния множества единичных трехмерных структурных мезообъемов, расположенных в локальной зоне каждого действия градиентов внешнего микроконцентратора напряжений. Ми­нимальная длина продольного перемещения I₁ = Δ₁ (мкм) и опреде­ляет собой минимальную дискретность продольного перемещения в плоскости формообразования:

[мкм]

- определяют скорость продольной, в плоскости формообразо­вания, подачи V_np1 вдоль траектории длиной I₁ с дискретностью перемещений Δ₁:

[мкм/сек]

Дата добавления: 2014-12-27