Исследование и разработка технологии притупления острых кромок изделий методом лазерного управляемого термораскалывания

Данная работа посвящена решению проблемы, существующей в производстве современных приборов и изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов, а именно, проблемы снятия фаски (обработки острых кромок) с изделий за счет разработки нового высокоэффективного технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ).

Актуальность работы вызвана, с одной стороны, постоянно растущими требованиями к качеству, конструкционным и эксплуатационным параметрам прецизионных изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов, используемых в электронной, приборостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности, а также массовостью и все возрастающей номенклатурой их выпуска. С другой стороны, актуальность продиктована несовершенством существующих технологических процессов обработки острых кромок стекла, наличием большого количества трудоемких ручных операций, низким процентом выхода годных изделий. Кроме того, в ряде случаев существующие технологические процессы несовместимы с современными технологическими процессами, применяемыми при изготовлении дисплейных панелей и других изделий микрои оптоэлектроники. Это объясняется тем, что изготовление таких устройств происходит помещениях с повышенной вакуумной гигиеной, в так называемых «чистых комнатах», где не допускается наличие пыли и посторонних частиц.

Традиционные технологические процессы обработки острых кромок изделий из* стекла и других хрупких неметаллических, материалов, базируются на использовании алмазно-абразивного инструмента или оплавлении острых кромок пламенем газовых горелок или с помощью лазерного излучения.

Следует выделить следующие основные недостатки традиционных технологий притупления острых кромок изделий: низкая производительностьнизкая культура производстванеобходимость отмывки изделий с целью удаления абразива и остатков материаланизкая прочность изделия за счет наличия дефектной зоны на кромкенеобходимость проведения отжига изделий после оплавления острых кромок для снятия остаточных температурных напряженийвысокая стоимость оборудования.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки нового высокоэффективного технологического процесса притупления острых кромок изделий для исключения недостатков традиционных технологий.

Целью работы является разработка нового высокоэффективного технологического процесса и специализированного технологического оборудования для притупления острых кромок изделий из хрупких неметаллических материалов.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести критический анализ существующих технологических процессов обработки кромок изделий из хрупких неметаллических материалов, с целью выявления основных показателей, определяющих качество этого процесса;

— сформулировать обобщенный показатель качества технологического процесса (ТП) обработки изделий из хрупких неметаллических материалов J, учитывающий совокупность основных технологических показателей и позволяющий выбрать высокоэффективный технологический процесс на основе многокритериального оценивания;

— разработать математическую модель выбранного метода обработки острых кромок изделий из хрупких неметаллических материалов;

— проверить достоверность полученной математической модели методом компьютерного моделирования;

— разработать новый высокоэффективный ТП притупления острых кромок изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов, обеспечивающий существенное преимущество по всем составляющим показателя качества J;

— оптимизировать технологические режимы притупления острых кромок изделийразработать конструкцию технологической установки для притупления острых кромок изделий из хрупких неметаллических материалов, реализующую автоматизированное управление технологическими операциями.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— выявлено существенное улучшение характеристик после резки изделий из хрупких неметаллических материалов методом ЛУТ, определяющих качество и направления совершенствования этого технологического процесса для притупления острых кромокпредложен новый обобщенный показатель качества технологического процесса — J, учитывающий основные показатели и позволяющий проводить многокритериальное оценивание технологического процессапо обобщенному показателю качества выбран новый высокоэффективный способ обработки острых кромок изделий из хрупких неметаллических материалов, основанный на методе ЛУТ;

— разработана математическая модель процесса притупления острых кромок изделий изхрупких неметаллических материалов методом ЛУТ, устанавливающая зависимости между параметрами, лазерного излучения, скоростью обработки и материалом изделия для образования фаски;

— проведено компьютерное моделирование тепловых процессов при нагреве плоской стеклянной пластины лазерным лучом, которое подтвердило достоверность, реализуемость и высокую эффективность предложенной математической моделиразработана методика измерения и анализа прочностных характеристик изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов при поперечном и центрально-симметричном изгибе;

— разработана технология притупления острых кромок изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов, которая обеспечивает:

— совмещение резки и притупление кромки с заданным размером и формой в одном технологическом цикле;

— высокую скорость процесса (до 1000 м/с);

— повышение прочности изделия после обработки (до 155.497 МПа);

— высокий уровень автоматизации.

Практическая значимость работы определяется следующим:

— разработана конструкция технологической установки для вырезки стеклянных изделий и притупления острых кромок, основанная на методе ЛУТ. Внедрение этой установки на трех Российский предприятиях подтвердило ее высокую эффективность по сравнению с другими используемыми в промышленности технологическими процессами (табл. 1);

— разработан метод оперативного удаления стружки в процессе притупления острых кромок изделий из стекла, основанный на ее пережигании с помощью специального лазера;

— разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов притупленияизделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов, обеспечивающих максимальную прочность изделия в зависимости от свойств материала, мощности лазерного излучения и скорости. резания;

— разработан совместно с зарубежной компанией «Foxconn Technology Group» лазерный технологический комплекс, используемый в производстве дисплейных панелей для прецизионной резки стеклш и снятия фаски на вырезанных заготовка в одном технологическом цикле;

— разработан испытательный стенд, позволяющий измерять прочность защитных экранов дисплеев после механической и лазерной обработки кромки;

Таблица 1.

Технологические параметры и операции Способы снятия фаски.

Механическое Оплавление Лазерное термораскалывание.

Скорость обработки, мм/с до 10 до 50 до 1000.

Прочность изделия после обработки, МПа 55 81 155.

Степень загрязнения помещений отходами высокая средняя минимальная.

Дополнительные операции (отмывка, сушка, транспортировка) требуются требуются не требуются.

Упрочнение изделий после обработки требуются требуются не требуются.

Совместимость с высокотехнологичными методами обработки в общем технологическом цикле не совместим не совместим совместим.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование нашли практическое применение и внедрены в ряде компаний, в том числе:

— ОАО «Саратовский институт стекла» (г. Саратов);

— ОАО «Московский завод «Сапфир» (г. Москва);

— ООО «Прецизионные процессы» (г. Москва);

— Институт СВЧ — полупроводниковой" электроники РАН (г. Москва);

— Агентство технологических исследований «ЮниСаф» (г. Зеленоград);

— «Grander Technology Ltd.» (Китай);

— «Jenoptik AT» (Германия);

— НИИ «Технического стекла», (г. Москва). и.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

— Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», 21−26 ноября 2006 г., Египет;

— Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», 12−19 октября 2008 г., Тунис;

— Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», 14−21 ноября 2009 г., Египет;

— Международной научно-технической конференции «Стеклопрогресс-XXI», 27−30 мая 2008 г., г. Саратов;

— за рубежом на семинарах и научных конференциях немецкой компании «Jenoptik AT» (Jena — 2008), тайваньской компании «Foxconn Technology Group» (Shenzhen — 2009);

— в России на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики, Института СВЧ — полупроводниковой электроники РАН, ОАО «Московский завод «Сапфир», научно-исследовательского института технического стекла (г. Москва).

Результаты диссертационной работы демонстрировались на Международных выставках «Высокие технологии XXI века — 2008», и удостоены дипломов и золотой медали, на Международном салоне «Архимед — 2007» удостоены золотой медали.

— в России на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики, Института СВЧ — полупроводниковой электроникиРАН, ОАО «Московский завод «Сапфир», научно-исследовательского института технического стекла (г. Москва).

Результаты диссертационной работы демонстрировались на Международных выставках «Высокие технологии XXI века — 2008», и удостоены дипломов и золотой медали, на Международном салоне «Архимед — 2007» удостоены золотой медали.

Основные научные результаты диссертации отражены в 7 публикациях, в том числе, в 5 опубликованных тезисах докладов на Международных конференций и в 2 статьях, опубликованных в научно-технических журналах.

4.6. Выводы по разделу При притуплении острой кромки методом ЛУТ происходит повышение механической прочности изделий в 2−5 раз по сравнению с традиционной технологией обработки кромок алмазно-абразивным инструментом из-за отсутствия концентраторов напряжений на кромках изделий. Повышение прочности позволяет избежать процедуры упрочнения стекла после обработки, тем самым сокращается время обработки заготовки и количество технологических операций при производстве.

заключение

.

В заключении обобщены результаты исследований и разработки технологического процесса лазерного притупления острых кромок изделий методом ЛУТ, на основании которых сформулированы основные выводы:

1. Предложенный обобщенный показатель качества технологического процесса J позволяет оценить и выбрать технологический процесс обработки острых кромок изделий из хрупких неметаллических материалов в области современных технологий.

2. Разработанная математическая модель процесса притупления, кромок позволяет осуществить моделирование физических процессов нагрева хрупких неметаллических материалов лазером.

3. Разработанный новый высокоэффективный технологический процесс лазерного снятия фаски позволяет в 2−5 раз повысить прочность изделий.

4. Оптимизированные технологические режимы лазерного притупления острых кромок: скорость обработки F=500−1000 мм/с и мощность лазерного излучения Р=30−100 Вт позволяют получить требуемую прочность и размеры фаски изделий в широком диапазоне.

5. Разработанная методика исследования прочностных характеристик позволяет проводить исследования качества обработки острых кромок изделий, при традиционных методах притупления и притуплении методом лазерного управляемого термораскалывания.

6. Испытательный стенд для исследования прочности защитных экранов дисплейных панелей на поперечный изгиб после резки и обработки кромки предлагаемым методом, позволяет проводить выборочный' контроль прочности изделий.

7. Разработанная конструкция технологической установки для лазерного притупления острых кромок изделий из различных хрупких материалов позволяет резать и притуплять острые кромки в одном технологическом цикле с удалением образующейся фаски.