Лазерное импульсное формообразование деталей из хрупких неметаллических материалов

• Автор: Щукин, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 05.02.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса. Постановка цели и задач исследования
1.1. Систематизация хрупких неметаллических материалов и виды применяемых технологических воздействий
1.2. Сравнительный анализ методов формообразования хрупких неметаллических материалов
1.3. Анализ механизмов процесса оптического пробоя в объеме материала и оценка их вклада в форму образуемых разрушений
1.4. Анализ механизмов процесса оптического пробоя поверхности
хрупких неметаллических материалов
Выводы по главе. Цель работы и задачи исследования
Глава 2. Теоретические исследования лазерного дискретного формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов
2.1. Анализ способов лазерного дискретного формообразования поверхности
2.2. Лазерное дискретное формирование разделяющей поверхности в объеме материала
2.2.1. Разработка технологических схем формообразования
2.2.2. Определение условий образования непрерывной поверхности
2.3. Лазерное дискретное формообразование поверхности в результате съема материала
2.3.1. Разработка технологических схем формообразования
2.3.2. Определение условий образования непрерывной поверхности
2.4. Влияние нагрева материала на порог оптического пробоя при
воздействии наносекундного лазерного излучения
Выводы по главе
Глава 3. Экспериментальные исследования лазерного дискретного формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов
3.1. Исследования лазерного дискретного формирования разделяющей поверхности в объеме материала

3.1.1. Исследование структуры разрушений в объеме обрабатываемого материала
3.1.2. Исследование влияния поляризации лазерного излучения на формирование разрушений в объеме обрабатываемого материала
3.1.3. Исследование формообразования материалов с применением рациональных схем относительного расположения разрушений
3.2. Исследования лазерного дискретного формообразования поверхности в результате съема обрабатываемого материала
3.2.1. Исследование формообразования от «входной» поверхности обрабатываемых материалов
3.2.2. Исследование формообразования от «выходной» поверхности прозрачных обрабатываемых материалов
3.2.3. Исследование формообразования поверхности материалов в различных технологических средах
3.2.4. Исследование процессов эвакуации продуктов обработки
Выводы по главе
Глава 4. Технологические исследования лазерного дискретного формообразования поверхности. Примеры реализации способа
4.1. Прогнозируемые технологические показатели лазерного дискретного формообразования
4.2. Примеры реализации лазерного дискретного формообразования
4.2.1. Получение глубоких отверстий
4.2.2. Получение фасонных отверстий
4.2.3. Получение объемных элементов с комбинацией поверхностей
4.2.4. Получение комплексов поверхностей
4.2.5. Получение внутренних незамкнутых полостей
4.3. Разработка системы автоматизированного проектирования
технологических операций
Выводы по главе
Заключение
Список литературы
Приложение

Введение
На сегодняшний день лазерная импульсная обработка нашла широкое применение в технологиях последовательного дискретного формообразования поверхности твердых неметаллических материалов, обладающих повышенной хрупкостью таких, как стекло, керамика, стеклокристаллические и полупроводниковые материалы. Широкое распространение определяется гибкими возможностями формообразования поверхностей обрабатываемых материалов, отсутствием как такового износа инструмента, высокой локализацией воздействия на материал и возможностью использования свойства оптической прозрачности обрабатываемого материала для осуществления технологических воздействий.
Основными способами лазерного импульсного формообразования поверхности, которые используются при обработке указанных материалов, являются абляция и объемное скрайбирование.
Лазерная абляция обеспечивает высокую точность и качество обработки, минимальные термические воздействия и возможность обработки большого числа хрупких неметаллических материалов. Тем не менее, высокая пространственная (2-3 мкм) и временная локализация (до 10 фс) энергии определяют низкую производительность способа и возможность его эффективного применения только для микрообработки.
Объемное скрайбирование прозрачных хрупких материалов импульсным лазерным излучением позволяет осуществлять последовательное формообразование, основанное на формировании поверхности разделения в объеме прозрачного материала, состоящей из локальных разрушений, формируемых с некоторым шагом. К недостаткам способа можно отнести необходимость приложения механических изгибающих усилий для достижения полного разделения и возможность осуществлять разделение только по плоским поверхностям.
Таким образом, указанные способы последовательного дискретного

небольшие величины коэффициентов теплопроводности, по причине которых возникают высокие температурные градиенты. В результате этого образуемые значения напряжений значительно превышают предел прочности материалов и приводят к интенсивному трещинообразованию. При этом, поскольку, предел прочности кристалла фторида лития весьма низкий, хрупкое разрушение в последнем проявляется наиболее интенсивно.
На основании анализа рассмотренных разрушений в различных материалах можно сделать следующие выводы:
- механизм хрупкого разрушения присутствует при оптическом пробое большинства прозрачных твердых материалов;
- причиной хрупкого разрушения являются напряжения, возникающие в результате теплового расширения локального облучаемого объема, и приводящие к превышению предела прочности;
- коэффициент теплопроводности играет важную роль в причине хрупкого разрушения, поскольку, его низкие значения способствуют увеличению тепловых градиентов, приводящих к большим величинам термонапряжений;
- высокое значение модуля Юнга для материала, также является важным фактором хрупкого разрушения поскольку, чем больше величина модуля упругости, тем больше склонность материала к хрупкому разрушению с ярко выраженными зонами трещинообразований.
Таким образом, основным условием возникновения локального хрупкого разрушения при воздействиях интенсивного импульсного лазерного излучения является возникновение термонапряжений, превышающих предел прочности материала. Возникновению значительных напряжений при тепловом воздействии, может способствовать только высокая склонность материала к термическому расширению, то есть, высокое значение коэффициента термического расширения.
Статистический характер формы и размеров разрушений.
Как показывает анализ литературных источников [54-58], посвященных оптическому пробою прозрачных твердых диэлектриков, влияние мик-