Как изменить шероховатость поверхности

Совокупность показателей, обозначающих  возможную ориентацию направлений неровностей поверхностей с определенными значениями  и их характеристикой,  задается в нормативных  документах  ГОСТ 2789-73, ГОСТ 25142-82, ГОСТ 2.309-73. Совокупность требований указанных в нормативных документах распространяется на изделия, изготовленные с использованием различных материалов,  технологий и методов обработки, за исключением имеющихся дефектов.

Высокое качество обработки деталей позволяет значительно снизить износ поверхностей, возникновение очагов коррозии, тем самым повышая точность сборки механизмов   их надежность при длительной эксплуатации.

Основные обозначения

Шероховатость исследуемой поверхности измеряются на допустимо небольших площадях, в связи с чем базовые линии выбирают,  учитывая параметр  снижения влияния волнообразного состояния поверхности на изменение высотных параметров. Неровности на большинстве поверхностей возникают по причине  образующихся деформаций верхнего слоя материала при осуществляемой обработке с использованием различных технологий. Очертания профиля получают при проведении обследования с помощью алмазной иглы, а отпечаток  фиксируется на профилограмме. Основные параметры, характеризующие шероховатость поверхности  имеют определенное буквенное обозначение, используемое в документации, чертежах и получаемые при проведении измерений деталей(Rz, Ra, Rmax, Sm, Si, Tp). 

Для измерения  неровности  поверхности используют несколько определяющих параметров:

• Ra- обозначает значение исследуемого профиля с возможным отклонением (среднеарифметическим)  и измеряется в мкм;
• Rz – обозначает высоту измеряемых неровностей определяемую по  10  основным точкам в мкм;
• Rmax –максимальное допустимое значение параметра по высоте.

Также используются  шаговые параметры  Sm  и Si и опорная длина исследуемого  профиля tp. Данные параметры указываются при необходимости учитывать условия эксплуатации деталей. В большинстве случаев для измерений используется универсальный показатель  Ra, который дает наиболее полную характеристику с учетом всех точек профиля. Значение средней высоты Rz применяется при возникновении затруднений связанных с определением  Ra с использованием приборов. Подобные характеристики  оказывают влияние на сопротивление и виброустойчивость, а также электропроводимость материалов. Значения определений  Ra и Rz указаны в специальных таблицах и при необходимости  могут использоваться при проведении необходимых расчетов. Обычно определитель Ra обозначается без числового символа, другие показатели имеют необходимый символ. Согласно действующим нормативным актам (ГОСТ) существует шкала, в которой даны значения  шероховатостей поверхности различных  деталей,  имеющих  подробную  разбивку на 14 специальных классов. Существует прямая зависимость, определяющая  характеристики обрабатываемой поверхности, чем выше показатель  класса, тем меньшее значение имеет высота измеряемой поверхности и лучше качество обработки.

Методы осуществления контроля

Для осуществления контроля шероховатости поверхности используются два метода:

• качественный;
• количественный.

При проведении качественного контроля проводится сравнительный анализ поверхности рабочего исследуемого  и стандартного образцов путем визуального осмотра и на ощупь. Для проведения исследования выпускаются специальные наборы образцов поверхностей имеющих регламентную обработку согласно ГОСТ 9378-75. Каждый образец имеет маркировку с указанием показателя Ra и метода  воздействия на поверхностный слой материала (шлифовка, точение, фрезерование т. д.). Используя визуальный осмотр можно достаточно точно дать характеристику поверхностного  слоя при характеристиках  Ra=0,6-0,8 мкм и выше. Количественный контроль  поверхности проводится с использованием  приборов работающих с  применением  разных технологий:

• профилометра;
• профилографа;
• двойного микроскопа.

Классификация поверхностей

При определении характеристики поверхностного слоя материала необходимо провести классификацию:

1. Рабочие поверхности, имеющие сопряжение с изменением местоположения в ходе осуществляемого процесса, по отношению друг к другу (механизмы двигателей, насосов и т. д.). Детали, используемые в механизмах обязательно должны обрабатываться с высокой точностью, а показатели соответствовать  величинам  Ra=2,5-0,16 мкм, Rz=10-0,8 мкм.
2. Установочные поверхности – детали находятся в соприкосновении, но по отношению друг к другу неподвижны. Подлежат обработке и должны соответствовать показателям Ra=20-2,5 мкм, Rz=80-10 мкм.
3. Ограничительные и соединительные поверхности – элементы служащие ограничением для работающих механизмов (корпуса приборов, станков и т. д.). Данные поверхности в зависимости от требований могут подвергаться обработке, параметры соответствуют Ra=20-2,5 мкм, Rz=80-10 мкм.
4. Поверхности, требующие специальной обработки (детали внешних корпусов механизмов, агрегатов). Параметры шероховатости должны соответствовать Ra=5,0-1,25 мкм, Rz=20-6,3 мкм. Особо стоит отметить требования, предъявляемые к органам управления механизмов, приборов у которых показатели должны, находится на уровне Ra=0,63-0,08 мкм, Rz=3,2-0,4 мкм.
5. Используя данные качества поверхности, получаемые при различных методах обработки можно выстраивать технологическую цепочку, обеспечивающую наибольшую эффективность и сокращение времени обработки деталей. 

Нормативные данные также содержатся в ГОСТ 2.309-73 согласно,  которому наносятся обозначения на чертежи и   содержат характеристики  поверхностей по установленным правилам  и обязательны  для всех промышленных предприятий. Необходимо также учитывать, что знаки и их форма, наносимые на чертежи должны иметь установленный размер с указанием числового значения неровности  поверхности. Регламентируется высота знаков, указывается вид обработки.  Знак имеет специальный код, который расшифровывается следующим образом:

• первый знак – характеризует тип обработки исследуемого материала (точение, сверление,  фрезерование и т.д.);
• второй знак — обозначает, что поверхностный слой материала не подвергался обработке, а образован путем  ковки, литья, прокатки;
• третий знак – показывает, что вид возможной обработки не регламентируется, но должен соответствовать  Ra или Rz.

В случае отсутствия знака на чертеже,  поверхностный слой  не подвергается специальной обработке. На производстве используют два вида воздействия на верхний слой:

• с помощью частичного удаления верхнего слоя обрабатываемой детали;
• без удаления верхнего слоя детали.

При удалении верхнего слоя материала в основном используется специальный инструмент, предназначенный для выполнения определенных действий – сверления, фрезерования, шлифования, точения, и т. д. В ходе обработки происходит нарушение верхнего слоя материала с образованием остаточных следов от используемого инструмента. Когда применяется обработка без удаления верхнего слоя материала – штамповка, прокат,  литье,  происходит смещение структурных слоев их деформация с принудительным созданием  «гладко-волокнистой»  структуры. При конструировании и изготовлении деталей параметры неровностей  задает конструктор, основываясь на техническом задании определяющим характеристики изделия в зависимости от требований, предъявляемых к изготовляемому механизму, технологии используемой при производстве   и степени обработки.

Маркировка структуры поверхности

При нанесении обозначений  в рабочей документации,  чертежах применяются специальные знаки для характеристики материала, которые регламентируются стандартом ГОСТ 2.309-73.

Основные правила, используемые для обозначения неровности поверхности на чертежах

Основные правила, которые необходимо использовать при выполнении чертежа:

1. На чертеже указываются все шероховатости поверхности для используемого материала без учета используемых методов.
2. Нанесение значений шероховатостей осуществляется на разрезах, которые имеют размер.
3. Знаки наносятся на всех видах линий используемых в чертеже.
4. При наличии у знака полки его местоположение определяется по отношении к основной надписи.
5. Если изделие имеет разрыв на чертеже, то производится маркировка только одной части изображения.
6. Если поверхностный слой требует использования обработки участков детали различного класса, то производится разделение с помощью сплошной линии.
7. В случае сокращения места необходимого для нанесения обозначений на чертеже возможно допустимое упрощение знаков.
8. При одинаковом значении шероховатости поверхности контура, значение наносится один раз.
9. При идентичности различных поверхностей с одинаковыми значениями шероховатости, допускается нанесение значений один раз.
10. Знаки, обозначающие неровности должны иметь толщину в 1.5 раза больше, чем  нанесенные на изображение.
11. Условия, обозначающие направление поверхностей должны соответствовать стандартам.
12. Обозначение шероховатости поверхности производится с использованием общих правил.

Учитывая структуру материала, конструктор имеет возможность указать необходимые параметры, предъявляемые к качеству поверхностей. Причем характеристики могут указываться по нескольким параметрам с установкой максимально и минимального значения с возможными допусками. https://youtu.be/-DwXLJ22N0E

Особые условия

При массовом производстве определенных деталей  иногда нарушается заданная форма или их сопряженность. Подобные нарушения увеличивают допустимый износ деталей, и ограничиваются специальными допусками, которые указаны в ГОСТ 2.308-2011.  Каждый вид используемого допуска имеет 16  определяющих  степеней точности, которые оговариваются для деталей разной конфигурации  с учетом используемого материала. Необходимо также учитывать, что используемые допуски размера и конфигурации  для деталей имеющих цилиндрическую форму берутся с учетом диаметра деталей, а плоские детали с учетом толщины, а максимальная погрешность не должна превышать показатель допуска.

Правильное использование методики определения показателей шероховатости поверхностей позволяет достичь более высокой точности обработки  и размера деталей при соблюдении параметров  указанных в нормативных документах,  которые   дают возможность   значительно повысить качество готового продукта.

Как снизить шероховатость поверхности обработанной детали при токарной обработке? Решение проблем при точении на металлообрабатывающих станках

68 Пособие SANDVIK COROMANT 2009 Обработка металлов резанием Инструмент и оснастка Стр.A69

Как снизить шероховатость поверхности обработанной детали при токарной обработке? Решение проблем при точении на металлообрабатывающих станках

Как снизить шероховатость поверхности обработанной детали при токарной обработке? Решение проблем при точении на металлообрабатывающих станках _ и комплексах с ЧПУ Шероховатость Поверхность заготовки грубая на ощупь, не отвечает требованиям по шероховатости. Стружка ломается о деталь и снижает качество обработанной поверхности 1 Выбрать геометрию с лучшими характеристиками отвода стружки 1 Изменить главный угол в плане 1 Уменьшить глубину резания 1 Выбрать инструментальную систему с пластиной с задним углом и нейтральным углом наклона режущей кромки 1 Низкое качество поверхности, вызванное образованием проточины 1 Выбрать более износостойкий сплав. 1 Снизить скорость резания Слишком большая подача при малом радиусе при вершине является причиной неудовлетворительной шероховатости Выбрать пластину с геометрией Wiper или пластину с большим радиусом при вершине Снизить подачу Образование заусенца Заусенец формируется при выходе пластины из материала заготовки по окончании резания. 1 Недостаточно острая режущая кромка 1 Слишком низкая подача для данного радиуса округления режущей кромки Использовать пластины с острой кромкой — Пластины с PVD покрытием — Шлифованные пластины с небольшими подачами,

Источник

способ уменьшения шероховатости поверхности и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии тонких пленок и может быть использовано при создании элементов рентгеновской и нейтронной оптики. Способ включает воздействие на поверхность плазмы инертных и химически активных газов, обеспечивающих травление поверхностного слоя с одновременной полировкой поверхности, при этом травлению подвергают поверхность не самого материала, а пленку того же или иного материала, предварительно нанесенную на него из газовой фазы испарением или распылением мишени. Устройство содержит держатель образца и систему формирования плазмы, размещенные в вакуумной камере, причем держатель образца выполнен произвольной формы с возможностью подачи на него переменного напряжения и дополнительного постоянного смещения и возможностью размещения его в постоянном или переменном магнитном поле. Изобретение позволяет уменьшить шероховатость поверхности за счет проведения ионно-плазменной полировки. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения

1. Способ уменьшения шероховатости поверхности, включающий воздействие на поверхность плазмы инертных и химически активных газов, обеспечивающих травление поверхностного слоя с одновременной полировкой поверхности, отличающийся тем, что травлению подвергают поверхность не самого материала, а пленку того же или иного материала, предварительно нанесенную на него из газовой фазы, испарением или распылением мишени, толщиной, превышающей высоту шероховатостей на поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пленка, наносимая на материал, является углеродной, состоящей либо из атомов углерода, либо из атомов углерода и водорода, кислорода, фтора, азота и др., в свободном или связанном состоянии.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что пленка является алмазоподобной, графитоподобной или гидрогенизированной углеродной.

4. Устройство для осуществления способа уменьшения шероховатости поверхности, содержащее держатель образца и систему формирования плазмы, размещенные в вакуумной камере, отличающееся тем, что держатель образца выполнен произвольной формы с возможностью подачи на него переменного напряжения и дополнительного постоянного смещения и возможностью размещения его в постоянном или переменном магнитном поле.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что система формирования плазмы выполнена с возможностью возбуждения ее индуктором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии тонких пленок, а именно к формированию пленочных покрытий на поверхности материалов ионно-плазменными методами. Способ предназначен для устранения мелкоразмерных шероховатостей на поверхности материала (высотой несколько десятков ангстрем), оставшихся после ее полировки или образовавшихся в результате нанесения на полированную поверхность функциональных слоев. Способ может быть использован для улучшения параметров элементов, применяющихся в рентгеновской и нейтронной оптике.

Известны механические способы полировки поверхности, в которых полируемая поверхность обрабатывается суспензиями или пастами, состоящими из мазеобразной основы, в объеме которой расположены алмазные зерна и в некоторых случаях наполнители [1].

Алмазное полирование обычно используют перед другими методами полировки, например перед химико-механическим полированием. Достоинством метода механического полирования является его универсальность, так как он может успешно применяться на предварительных и окончательных циклах полирования практически любых материалов. Недостатком метода является то, что невозможно получить атомарно-гладкие поверхности. Кроме того, структурное совершенство поверхностных слоев не очень высоко.

Известны химико-механические способы полировки поверхности, в которых полируемая поверхность обрабатывается химически активными суспензиями. В результате поверхностные слои полируемого материала вступают в реакцию с образованием химических соединений, которые затем стираются механически или растворяются [1, 2].

Полированные данным способом поверхности пластин удовлетворяют оптическим требованиям, и при исследовании методами рентгеновской топографии не заметны структурные дефекты.

Недостатком метода является то, что процесс полировки не является универсальным. Суспензию для каждого материала необходимо подбирать отдельно (в некоторых случаях это невозможно). В некоторых случаях могут возникать проблемы, связанные с полным удалением остатков химических веществ с полированной поверхности.

Кроме того, на показатели обработки существенное влияние оказывает не только полирующий состав, но и давление, а также температура полирования. Поэтому параметры процесса (например, скорости съема) могут изменяться со временем. В целом трудоемкость данного метода полировки велика.

Наиболее близко к предлагаемому является вакуумное ионно-лучевое полирующее травление, в основе которого лежит воздействие на поверхность образца направленного потока ионов инертных, химически активных газов и их смесей. Поток ионов может направляться на поверхность образца под разными углами от 0 до 90 градусов. Однако чтобы добиться полирующего эффекта при минимальном нарушении поверхности образца, поток ионов направляют под скользящими углами к поверхности (1-5 градусов). Этот способ осуществляют с помощью известного устройства, состоящего из источника, создающего направленный поток ионов. Источник размещен в технологической камере под заданным углом к поверхности образца, который закрепленн на держателе. Во время полировки держатель может быть как неподвижен, так и перемещаться по заданной траектории [3, 4].

Данный способ позволяет полировать поверхность различных материалов до атомарно-гладкого уровня.

Недостатками данного способа являются:
— так как под воздействием потока ионов образец может сильно нагреваться, нельзя полировать легко плавящиеся материалы (например, полимеры);
— нельзя получить поверхность с малой шероховатостью для материалов, имеющих неоднородную структуру (например, поликристаллическую структуру), а также с большим числом поверхностных дефектов;
— затруднено полирование материалов, имеющих криволинейную форму поверхности.

Недостатки данного устройства:
— проведение процессов травления требует наличия оборудования для получения высокого вакуума 10 -5 — 10 -6 мм рт.ст.;
— скорость полирующего травления ионным пучком под скользящим к поверхности углом очень мала. Это увеличивает длительность процесса травления;
-для проведения процесса травления необходим ионный источник специальной конструкции, а также система его крепления внутри вакуумной камеры.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении шероховатости поверхности материала, что позволяет улучшить рабочие параметры (увеличить коэффициент отражения и разрешающую способность) устройств для управления потоком рентгеновского и нейтронного излучения.

Уменьшение шероховатости поверхности материала достигается за счет полирующего травления при воздействии плазмы ионов инертных, химически активных газов или их смесей, при этом травлению подвергается поверхность не самого материала, а пленка того же или иного материала, предварительно нанесенная на него из газовой фазы испарением или распылением мишени на толщину, превышающую высоту шероховатости на поверхности; нанесение пленки на подложку и ее полирующее травление повторяются несколько раз с целью получения максимального уменьшения шероховатости; полирующему травлению подвергается верхний слой функциональной структуры; пленка наносится сверху функциональной структуры, сформированной на материале; пленка, наносимая на материал, является углеродной пленкой, состоящей либо только из атомов углерода (C), либо содержащая кроме атомов углерода и атомы газов водорода (H), кислорода (O), фтора (F), азота (N) и др., в свободном или связанном состоянии, включая алмазоподобные углеродные пленки, графитоподобные углеродные пленки, пленки гидрогенизированного углерода, пленки тетраэдрического углерода и др. (a-C:H, a-C, a-C:F:H, ta-C, a-C:N:H и др.).

Устройство состоит из держателя образца и источника плазмы заряженных частиц, при этом плазма возбуждается подачей переменного напряжения на держатель, к которому прикреплен образец; плазма возбуждается индукционным методом; плазма возбуждается в диодной системе; на держатель подается дополнительное постоянное смещение; нанесение пленки на материал и ее травление проводят на одном устройстве путем смены рабочих газов; держатель имеет сложную форму; плазма возбуждается в постоянном или переменном магнитное поле; плазма возбуждается одновременно в двух скрещенных электрических полях разной частоты.

Полирование материалов в плазме осуществляется методами ионно-лучевого или реактивного ионно-лучевого травления [5]. В этих методах пучок ионов инертных и химически активных газов: аргона, кислорода и азота направляется на поверхность. Достижение полирующего эффекта ионно-лучевой обработки основывается на зависимости коэффициента распыления от угла падения ионов на поверхность материала, локальные участки которого расположены под различными углами по отношению к ионному пучку. При этом на поверхности преимущественно распыляются выступы, поскольку угол падения на них ионов соответствует максимальному коэффициенту распыления.

Однако ионно-лучевое полирование материалов имеет один существенный недостаток. Проблема состоит в том, что часто сами обрабатываемые материалы имеют поверхностные микродефекты (дислокации, включения, поры и др.), а также поверхностные загрязнения (чужеродные атомы, микрочастицы пыли и др.). Все это приводит к тому, что разные участки поверхности материала травятся с разной скоростью. Поэтому в зависимости от исходного качества обрабатываемого материала всегда имеет место остаточная шероховатость поверхности ( 10 ангстрем). То есть, используя даже самые совершенные методы полировки, не всегда можно получить атомарно-гладкую поверхность. Рассеяние волн на подобных шероховатостях является одним из важнейших факторов, влияющих на качество рентгеновской и нейтронной оптики. Устранение или уменьшение влияния шероховатости поверхности является чрезвычайно актуальной задачей.

К решению данной проблемы можно подойти с другой стороны.

Для того чтобы получить атомарно-гладкую поверхность, необходимо первоначально нанести на нее изотропную и однородную пленку того же или другого материала. А затем проводить полирующее травление этой пленки. При этом необходимо подобрать свойства и условия травления пленки таким образом, чтобы в процессе травления одновременно происходило и уменьшение шероховатости ее поверхности. Тогда, остановив процесс травления до полного удаления пленки, получим подложку с пленкой, у которой шероховатость поверхности меньше, чем у самой подложки.

Одним из наилучших материалов для получения атомарно-гладких поверхностей являются пленки углерода, осаждаемые ионно-плазменными методами. Углеродные пленки при определенных условиях роста могут иметь шероховатость поверхности f — однородность и изотропность;
— простота травления (углеродные пленки легко травятся в химически активной плазме кислорода);
— возможность получения сверхтонких сплошных слоев;
— минимальная длина межатомных связей.

Возможность получения сверхтонких углеродных пленок (30 — 50 ангстрем) делает их практически не различимыми на поверхности. При этом широкий диапазон изменения свойств позволяет подобрать их параметры таким образом, чтобы скорости травления материала пленки и самого образца были одинаковы.

Осаждение пленок на поверхность материала можно проводить как из газовой фазы, так и распылением твердой мишени. Травление пленки проводится в плазме низкого давления P=0,1-100 Па. Возбуждение плазмы, как правило, осуществляют переменным напряжением с частотой от 50 кГц до нескольких ГГц в присутствии постоянного или переменного магнитного поля.

Об увеличении или уменьшении шероховатости поверхности можно судить по изменению интенсивности отраженного от системы пленка — подложка потока рентгеновского излучения. Действительно, если взять идеально гладкую поверхность, то коэффициент отражения от нее будет максимальным, поскольку весь падающий поток отражается под углом , равным углу падения. При наличии рельефа на поверхности ситуация меняется. Влияние рельефа на коэффициент отражения заключается в том, что часть излучения будет отражаться не под углом , а под некоторым произвольным углом и не регистрируется детектором. То есть будет происходить рассеяние части падающего на поверхность рентгеновского излучения (подобно тому, как происходит рассеяние видимого света от матовой поверхности). Следовательно, по интенсивности зеркально отраженного излучения можно судить об изменении шероховатости поверхности.

Интенсивность отраженного от системы пленка — подложка рентгеновского излучения (I) при изменении толщины пленки (d) изменяется косинусоидально [6]. Форма косинусоиды зависит как от параметров подложки, которые известны, так и от параметров пленки. Изменение шероховатости поверхности пленки будет приводить к изменению средней интенсивности отраженного излучения I ср = (I max +I min )/2 (I max и I min — максимальные и минимальные значения интенсивности на зависимости I=f(t)). Если в процессе осаждения или травления пленочного покрытия f увеличивается по сравнению с s , то I ср будет уменьшаться [5]. Если f уменьшается, то I ср — увеличивается.

Способ иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг. 1 — cхема технологического устройства: 1 — рентгеновская трубка; 2 — коллимационная система; 3 — детектор; 4 — блок регистрации, соединенный с компьютером; 5 — окна; 6 — образец; 7 — держатель образца; 8 — система газонапуска; 9 — электродвигатель; 10 — высокочастотный генератор; 11 — вакуумная камера; 12 — магнетронный источник.

Фиг. 2 — зависимость интенсивности отраженного луча от времени при осаждении (1) и травлении (2) углеродной пленки, полученной осаждением из газовой фазы в плазме, возбуждаемой ВЧ-напряжением.

Фиг. 3 — зависимость интенсивности отраженного луча от времени при осаждении (1) и травлении (2) углеродной пленки, полученной осаждением из газовой фазы в плазме, возбуждаемой ВЧ-напряжением.

Фиг. 4 — зависимость I(t) для пленки, полученной магнетронным распылением графитовой мишени в среде C 6 H 12 /Ar=1/1 (кривая 1) и зависимость I т (t) (кривая 2).

Лучший вариант осуществления изобретения.

Для осуществления предлагаемого способа разработана вакуумная камера (фиг. 1), оснащенная специализированным оборудованием. Внутри откачиваемой вакуумной камеры 11 встроено устройство для проведения процессов осаждения углеродных пленок и их полирующего травления. Образец 6 крепится к держателю образца 7. Частота вращения подложкодержателя задается электродвигателем 9. Держатель 7 соединен с высокочастотным генератором 10, который возбуждает высокочастотный электрический разряд в камере. Подача рабочих газов производится через систему газонапуска 8. Для контроля процесса осаждения слоев и их последующего полирующего травления с вакуумной камерой соединена система in-situ рентгеновского контроля толщины и шероховатости поверхности слоев во время проведения технологического процесса. Ввод и вывод рентгеновского луча осуществляется через специальные окна 5. Система состоит из рентгеновской трубки 1, коллимационной системы 2, детектора 3, блока регистрации, соединенного с компьютером 4.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Образец 6 крепится к подложкодержателю 7. Вакуумная камера откачивается до остаточного давления 10 -2 мм рт.ст. Далее в камеру через систему газонапуска 8 напускается углеродсодержащий газ (C 6 H 12 ), устанавливается рабочее давление 510 -1 мм рт.ст. и включается ВЧ-генератор 10. При этом в камере зажигается электрический разряд и начинается рост углеродной пленки на образце. Толщина и шероховатость растущей пленки контролируется рентгеновской системой. После покрытия образца углеродной пленкой толщиной (d), превышающей высоту шероховатостей (h 4 s ) на поверхности образца, процесс осаждения останавливается. Углеродсодержащий газ откачивается из камеры 11. Далее в камеру через систему газонапуска напускается кислород. Рабочее давление кислорода в камере может изменяться от 10 -1 мм рт.ст. до нескольких мм рт. ст. Это зависит от конструкции камеры и подложкодержателя, параметров генератора (рабочей частоты генератора, его мощности) и др. В целом, условия травления углеродной пленки подбираются таким образом, чтобы добиться минимальной шероховатости ее поверхности. Далее включают ВЧ-генератор, и осуществляется процесс полирующего травления. Травление углеродной пленки заканчивают до ее полного удаления с поверхности образца.

Пример 1. Осаждение и травление углеродной пленки.

Вид типичной экспериментальной зависимости интенсивности отраженного излучения от времени проведения процесса осаждения углеродной пленки показан на фиг. 2 (кривая 1). Углеродная пленка была получена из C 6 H 12 в плазме, возбуждаемой высокочастотным (ВЧ) электрическим разрядом (13,56 МГц). Осаждение проводилось на пластину кремния.

Из фиг. 2 видно, что в процессе роста углеродной пленки зависимость I o (t) осциллирует. Период повторения осцилляций равен 44 ангстрем. Стрелки на фиг. 1 показывают начало («н») и конец процесса нанесения и травления («к»). Интенсивность отраженного сигнала в максимумах не превышает I s , контрастность осцилляций (K=(I max -I min )/(I max +I min )) медленно уменьшается. Известно, что в подобных процессах пленка повторяет профиль поверхности. После достижения толщины 160 ангстрем процесс роста пленки был остановлен.

Травление полученной углеродной пленки проводилось в кислородной плазме, возбуждаемой высокочастотным (ВЧ) электрическим разрядом. Полученная зависимость I т (t), представлена на фиг. 2, кривая 2. Видно, что зависимость I т (t) хорошо повторяет в обратном порядке зависимости I o (t). Однако по абсолютным значениям I т (t) идет выше, чем I о (t) и I s . Это является следствием того факта, что шероховатость поверхности пленки при травлении не только меньше, чем при ее осаждении, но и меньше, чем у исходной подложки. После удаления углеродной пленки с поверхности Si коэффициент отражения перестал осциллировать.

На фиг. 3. показаны зависимости I=f(t) при осаждении (кривая 1) и травлении (кривая 2) углеродной пленки. Осаждение проводилось при тех же условиях, что и в примере 1.

Из фиг. 3 видно, что в процессе роста углеродной пленки зависимость I о (t) осциллирует. Толщина выращенной пленки d=110 ангстрем. Далее процесс осаждения был прекращен. После этого был проведен процесс травления выращенной углеродной пленки (при условиях, что и в примере 1). Полученная зависимость показана на фиг. 3, кривая 2. Процесс травления углеродной пленки был прекращен после удаления 70 ангстрем. Следовательно, на поверхности кремниевой пластины осталась сверхтонкая пленка толщиной порядка 40 ангстрем, с шероховатостью поверхности меньшей, чем у Si. Шероховатость поверхности ( s ) кремниевых пластин составляет приблизительно 8 ангстрем. Тогда можно найти значение f для поверхности пленки [5]. Было получено, что f = 6,5 ангстрем.

На фиг. 4 показаны зависимости I о (t) и I t (t) пленки, полученной магнетронным распылением в смеси C 6 H 12 /Ar=1/1. Видно, что в процессе роста пленки на кремниевой подложке зависимость I о (t) практически не изменяется, а остается приблизительно равной I s . Такой вид зависимости возможен в случае, если оптические константы пленки и подложки совпадают, а шероховатость поверхности пленки совпадает с шероховатостью поверхности кремния. Найти толщину пленки, естественно, невозможно.

При проведении травления осцилляции отраженного излучения также не наблюдаются. Однако зависимость I т (t) идет значительно выше, чем I o (t). Следовательно, и в этом случае в процессе травления шероховатость поверхности пленки меньше, чем у подложки на 2,5 ангстрема. После удаления пленки с поверхности кремния интенсивность отраженного излучения уменьшается до значения, соответствующего отражению от чистой подложки перед началом процесса осаждения.

Литература
1. Обработка полупроводниковых материалов, под ред. Новикова Н.В. -Киев: Наукова думка, 1982, 256 с.

2. I. Ali, S.R.Roy, G. Shinn, Chemical-mechanical polishing of interlayer dielectric: a review, Solid State Technology, October 1994, p.63.

3. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. -М.: Радио и связь, 1986, 232 с.

4. S. Ilias, G.Sene, P.Moller, V.Stambouli, J.Pascallon, D.Bouchier, A. Gicquel, A.Tardieu, E.Anger, M.F.Ravet, «Planarization of diamond thin film surfaces by ion beam etching at grazing incidence angle», Diamond and Related Materials, 1996, N 5, с. 835-839.

5. Плазменная технология в производстве СБИС. -М.: Мир, 1987, 469 с.

6. A. Baranov, S. Tereshin, I. Mikhailov, Proc. SPIE, 1996, v.2863, p. 359-367.

Источник

Adblock
detector

Деталь, независимо от выбранного способа производства, невозможно изготовить с абсолютно идеальной и гладкой поверхностью.

При использовании любой технологии обязательно остаются неровности разной высоты, формы, значения (расположение) которых определяются условиями, факторами внешнего характера: качеством обрабатывающего инструмента, выбранной технологией обработки, физико-химическими свойствам материала заготовки, скоростью реза.  

Шероховатость поверхности, это совокупность неровностей, имеющих достаточно малый шаг, которые выделены на определённой длине, именуемой базовой. Этот показатель прямо влияет на стойкость к истирающим нагрузкам, прочность, коррозионную и химическую стойкость, показатели внешнего вида и контактного трения, ряд иных параметров. Это настолько важная характеристика, что её обязательно проставляют на чертежах. Выбор технологии обработки происходит с обязательным учётом достижения требуемой шероховатости.

В России шероховатость регламентируется блоком нормативов:

• 309-73 (устанавливает обозначения);
• 2789-73 (задаёт характеристики, параметры);
• 25142-82 (вводит определения, термины).

Каким образом контролируется шероховатость обработанной поверхности

Чтобы определить фактическое значение данного параметра, деталь, визуально или органолептическим методом (на ощупь) сравнивают с эталонной версией. Образцы шероховатости установлены нормативом 9378-93. Каждый образец маркируется. На нём, в мкм, проставляются величины параметра R_a, указывается вид обработки (в нашем случае, фрезерование). Визуально, с приемлемой точностью, доступна оценка поверхности, у которой R_a≥ (⁶/₁₀ – ⁸/₁₀) мкм. Если требуется высокая точность, используют применяются микроскопы сравнения (вариант, щупы).

Осуществление количественного контроля рассматриваемых параметров выполняют:

• бесконтактно, с применением специальных приборов (микроинтерферометры, иные);
• контактно (в этом случае потребуются профилографы, профилометры).

В ходе контроля профиль поверхности проходится алмазной иглой специального типа, что позволяет получить фактический профиль поверхности.

Какими параметрами нормируется шероховатость

Оценка шероховатости профиля выполняется неровностям, располагающимся поперечно. Они определяются нормальным сечением контролируемой поверхности условной перпендикулярной плоскостью.

Фактический профиль отображается профилографом. Чтобы определить параметры профиля, следует провести:

• среднюю линию (обозначение m), повторяющую номинальный профиль;
• ещё одну, впадин, выступов (она эквидистанна средней линии).

«m», это база, используемая в целях определения остальных параметров шероховатости. Чтобы отделить шероховатость от иных неровностей поверхности со значительно большим шагом (примеры: волнистость, отклонение от заданной формы) выполняется её рассмотрение на ограниченном участке малых размеров. Длина последнего обозначается «l» и именуется базовой. Она задаётся на чертеже (вариант, определяется с учётом числовой величины высоты шероховатости конкретной поверхности, которое проставлено на чертеже.

Нормирование и количественная оценка шероховатости (согласно ГОСТ) предусматривает 6 базовых параметров: трёх высотных — (с первого по третий), пары шаговых — (4, 5), одного, задающего опорную длину рассматриваемого профиля (относительную):

• первый параметр R_a – так обозначают среднее арифметическое, указывающее величину отклонения профиля;
• второй, R_z – определяемая по 10 произвольным точкам (усреднённое значение) высота имеющихся неровностей;
• третий, R_max – наибольшая высота профиля;
• четвёртый, S обозначается средний шаг, который имеют местные выступы исследуемого профиля;
• пятый, S_m – аналогичный показатель для неровностей, которые имеет профиль;
• шестой, t_p обозначает опорную длину оцениваемого профиля (опорного). Литера «р» – величина сечения профиля.

Действующим стандартом, дополнительно к поименованным количественным параметрам, определены типы направлений имеющихся неровностей (указаны качественные характеристики последних).

Чем задается шероховатость

Комплекс требований, предъявляемых к шероховатости (Ш), задаётся с учётом функционального назначения оцениваемой поверхности, заданных конструктивных особенностей и отличий детали, возможности получения подобных параметров методами обработки изделия, именуемыми рациональными. Выбирая конкретные нормируемые параметры (Ш) следует принимать во внимание влияние, которое оказывается ими на эксплуатационные характеристики поверхности.

Первоочередным, во всех рассматриваемых случаях, считается нормирование высотных характеристик (параметров). Наиболее часто применяемым является R_a, в силу его максимальной информативности и обеспечения высокоточными средствами измерения.

R_z используется, когда нормируются:

• незначительные неровности, величина которых укладывается в диапазон, измеряемый в микрометрах – от 0.025 до 0.10;
• на поверхностях, имеющих незначительные размеры, на которых ощупывающие приборы использовать невозможно;
• если речь идёт о нормировании требований, предъявляемым к грубым (значительным) неровностям поверхности (мкм) – (от десяти до тысячи шестисот).

Переходные формулы для этих параметров выглядят следующим образом:

• при величине R_z, от 8 мкм и выше — R_a≈0.25R_z;
• в тех случаях, когда этот показатель менее указанного значения, R_a≈0.20R_z.

Числовые величины значений, рассмотренных выше, выбираются согласно таблицам 1.1, 1.2 норматива 2789-73 (предпочтительные в них подчёркнуты).

При определении данных параметров с привязкой к базовой длине, используют таблицу 1.3.

Остальные параметры используются достаточно редко (в случаях специально заявленных особых требованиях к эксплуатационным характеристикам поверхности).  Поэтому в настоящей статье они детально не рассматриваются.

Факторы, влияющие на величину шероховатости, получаемой в процессе фрезерной обработки материалов

Причиной появления (Ш) при выборе данной технологии обработки, являются:

• режущий клин фрезы скалывает материал с заготовки неравномерно;
• режущая кромка может иметь дефекты (включая естественный износ);
• сила реза, повысившаяся в месте обработке температура, иные факторы внешнего характера могут нарушить правильный контакт инструмента и заготовки, деформировав систему взаимодействия узлов и элементов станка, приспособления для закрепления инструмента, самой фрезы, заготовки.

В отдельных источниках термины шероховатость и качество поверхности подаются, как идентичные. Однако это в корне неверно. Последний характеризует не только состояние поверхности обработанной заготовки, но и учитывает фактические изменения, произошедшие во внутренних структурах её наружного слоя, возникающие при фрезеровании. Это обязательно требуется учитывать при подборе нужного режима обработки.

Как минимизировать шероховатость на фрезере

Для уменьшения высоты образующихся неровностей рекомендуется понижать углы заточки режущего инструмента, повышать радиус скругления вершины зуба, уменьшать величину подачи. Отсюда понятно, что на шероховатость существенное влияние оказывает размер фрезы (её геометрические размеры).

Пример. Выполнив черновую обработку с использованием 6 мм фрезы, получаем на поверхности крупные, явно видимые неровности. При замере можно получить их высоту в 100 и более мкм. Поэтому потребуется повторная обработка фрезой меньшего диаметра, что позволит довести этот параметр до приемлемых 5-10 и даже меньше.

На фактическую шероховатость после завершения обработки влияет целый ряд иных факторов. Например, материал обрабатываемой заготовки. Чугун и аналоги при фрезеровании дают рваную неровную стружку, имеющую острые края, скол которой не ограничивается плоскостью реза, а затрагивает и соседние слои. Итог, величина фактических неровностей значительно превосходит ожидаемую.

Если скорость подачи невелика, то основное влияние на состояние поверхности оказывает состояние кромок инструмента, выполняющих рез. Её дефекты, неровности чётко отображаются на обрабатываемой поверхности. Поэтому весьма важно работать только качественными фрезами.Фрезерные станки, выпускаемые в настоящее время (пример, оборудование линейки фрезерных станковWATTSAN) имеют высочайшую точность обработки, что обеспечивает, в большинстве случаев, необходимую шероховатость, без выполнения дальнейшей полировки и шлифования.