Разработка автоматизированной подсистемы по управлению выбором рациональных режимов лазерной обработки изделий из хрупких неметаллических материалов

• Автор: Чирков, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО РАЗМЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР)
1.1 Традиционные методы и особенности процесса разделения хрупких неметаллических материалов
1.2 Преимущества лазерного управляемого термораскалывания
1.3 Проблемы автоматизированого выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов
1.4 Постановка задачи исследования
Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫБОРА
РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ
2.1 Анализ математической модели процесса лазерного управляемого термораскалывания
2.2 Факторы влияния температурных полей и температурных напряжений при лазерном управляемом термораскалывании
2.3 Математическая модель автоматизированного выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания на основе методов принятия решений
2.4 Выводы по главе
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО
ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ

3.1 Методика автоматизированного выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания
3.2 Автоматизированная система управления процедурой выбора режимов термораскалывания хрупких неметаллических материалов
3.3 Архитектура системы управления универсальной технологической установкой для лазерного управляемого термораскалывания
3.4 Выводы по главе
Глава 4. РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ
4.1 Разработка универсальной технологической установки для лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов
4.2 Разработка аппаратных систем, определяющих эффективность процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла
4.3 Разработка гибридных методов, повышающих эффективность управляемого лазерного термораскалывания стеклянных изделий
4.4 Выводы по главе
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В условиях развития авиакосмической промышленности,
приборостроения, микро- и оптоэлектроники, проблема повышения качества и миниатюризации изделий является одной из самых актуальных. Все в большем масштабе применяются элементы, содержащие хрупкие неметаллические материалы: оптические приборы, дисплеи,
микроэлектронные сборки на основе сапфира, термооптические покрытия и многое другое.
Постоянное повышение требований к качеству таких прецизионных изделий вызывает необходимость применения и совершенствования новых лазерных методов высокоточного разделения хрупких неметаллических материалов, а именно лазерного управляемого термораскалывания.
Существующие традиционные технологии базируются на затратных операциях резки с помощью алмазных дисков, твердосплавных или алмазных резцов, алмазных или лазерных скрайбирующих систем. В ряде случаев эти технологии достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.
Лазерное управляемое термораскалывание - это один из наиболее эффективных методов высокоточного безотходного разделения хрупких неметаллических материалов, отличительной особенностью которого заключается в том, что разделение материала происходит не за счет механического воздействия или испарения материала вдоль линии реза, а за счет образования разделяющей трещины под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента.
Преимущества лазерного управляемого термораскалывания перед традиционными методами обработки:
- высокая чистота процесса разделения, связанная с безотходностью

этих условиях в момент разрушения 6(t)= всг и, как показывает численный анализ системы (2.2.26), (2.2.27), размер трещины г2- ri ~ 1.59R.
Согласно теории механического разрушения, трещина характеризуется энергией
Ет = 2л (у - r;yr » 397? V (2.2.28)
где у - плотность поверхностной энергии. Для формирования разрушения необходимо, чтобы механическая энергия, запасенная в поле деформации, превышала энергию, определенную соотношением (2.2.28). Это означает, что для реализации лазерного разрушения прозрачного твердого тела по механизму образования трещины необходимо
к£Ер>Ет (2.2.29)
где £р - энергия лазерного импульса; к- фактор, определяющий долю поглощенной энергии. Кроме того, как следует из теории лазерного разрушения [11], интенсивность излучения должна превышать пороговую интенсивность/*:
I-Ith (2-2.30)
В области импульсов большой длительности выполнение условия (2.2.30) влечет за собой выполнение требования (2.2.29), т. е. поглощенной энергии достаточно для образования трещины. С уменьшением длительности импульса (при постоянной интенсивности лазерного излучения) поглощаемая энергия уменьшается и, как следует из соотношения (2.2.29), в области
Tp<39R2y/k$Vp=Tp (2.2.31)
где Wp - мощность лазерного излучения в импульсе, Тр - время импульса, образование трещины будет невозможно.
Ясно, что увеличение интенсивности падающего излучения (при неизменной длительности импульса) опять должно приводить к возникновению трещин. Однако для реализации этого процесса необходимо поглощение дополнительной энергии на первой стадии процесса разрушения