способ гидрооптической обработки поверхности деталей из диэлектрических материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ гидрооптической обработки поверхности деталей из диэлектрических материалов, в котором на деталь, помещенную в жидкость, воздействуют оптическим излучением, отличающийся тем, что на границу раздела жидкости и обрабатываемой детали подают сфокусированное импульсное оптическое излучение мощностью, достаточной для локального закипания жидкости, возникновения паровых пузырьков и их коллапса в паузах между импульсами излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость выбирают из условия химической активности ее пара к материалу обрабатываемой детали.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку поверхности деталей проводят в потоке жидкости.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку поверхности осуществляют жидкостью с добавками солей легирующих элементов, а воздействие импульсного оптического излучения осуществляют до локального насыщения поверхности легирующими элементами.

5. Устройство для гидрооптической обработки поверхности деталей из диэлектрических материалов, содержащее сосуд для размещения обрабатываемых деталей в жидкости и источник оптического излучения, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит насос, который трубопроводами через вентили соединен с сосудом для размещения деталей, при этом трубопроводы выполнены так, что сосуд и насос образуют замкнутый контур, на выходах сосуда и насоса выполнены соответственно заправочный и предохранительный клапаны, в сосуде под местом расположения обрабатываемых деталей выполнено оптически прозрачное окно, над которым размещены линза и источник импульсного оптического излучения, закрепленные с возможностью перемещения вдоль их общей оптической оси, и фотоприемник, сфокусированный на обрабатываемую деталь, причем узел перемещения линзы электрически последовательно соединен с приводом, преобразователем и фотоприемником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике обработки поверхностей непроводящих и плохо проводящих материалов, таких как конструкционная керамика, кварц, ситал, полупроводящие стекла и т. п. и может найти применение в размерной высокоточной обработке и модификации состава поверхности керамических деталей в машиностроении, и при изготовлении полупроводниковых элементов электронной техники, преимущественно для вырезания точных фигурных отверстий в керамических и полупроводниковых изделиях, резки подложек для интегральных схем, сверления отверстий, в том числе очень мелких, особенно в материалах, склонных к растрескиванию под действием термических напряжений, для модификации состава и свойств поверхности диэлектрических материалов путем насыщения поверхности легирующими веществами, для локальной полировки поверхностей, гравирования и нанесения на них надписей.

Известны способ и устройство термического воздействия на непрозрачные материалы сфокусированным оптическим излучением, в качестве источника которого, как правило, применяется лазер, установленный над поверхностью обрабатываемой детали, и за счет локального испарения материала детали образуется отверстие, разрез и т. д. Аналогичным образом, при локальном лазерном плавлении проводится легирование поверхности слоя из специальной пасты, предварительно нанесенной на поверхность детали, или из жидкости, налитой поверх детали (1).

Недостатками известного технического решения является его большая энергоемкость, требующая применения мощных лазеров в качестве источников излучения, особенно для обработки тугоплавких керамических материалов. Кроме того, поскольку удаление материала происходит путем его испарения, что требует в случае тугоплавких материалов осуществления локального нагрева деталей до высокой температуры, это обстоятельство увеличивает опасность растрескивания материала под действием термических напряжений. Высокая температура в рабочей зоне не позволяет получать высокое качество обрабатываемой поверхности и выдерживать точные размеры отверстий и разрезов, так как плавление и испарение материала происходит не вполне стабильно и оставляет после себя неровную обрабатываемую поверхность с наплавами и часто сколами, если материал хрупкий. Такое воздействие концентрированным потоком оптического излучения на шероховатые диэлектрические поверхности не способно также уменьшить их шероховатость, например, в случае керамических композиционных материалов, имеющих различные теплофизические свойства матрицы и наполнителя.

Наиболее близким техническим решением является способ и устройство для обработки поверхности керамических материалов при производстве интегральных схем (2), согласно которому заготовку помещают в сосуд с прозрачной химически активной жидкостью, на поверхность заготовки направляют оптическое излучение, обычно создаваемое лазером, и это излучение нагревает деталь и жидкость, увеличивая скорость локального растворения детали.

Недостатком известного технического решения является то, что скорость удаления отработанного материала мала, необходимо постоянно подбирать жидкость для соответствующего материала и возможно проводить только одну операцию растворение материала обрабатываемой детали.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей обработки неэлектропроводных, в частности керамических материалов, при одновременном увеличении точности и качества производимых разрезов в поверхности, изменений ее шероховатости и легирования поверхностного слоя.

Технический результат достигается тем, что в способе гидрооптической обработки и модификации поверхности деталей из диэлектрических конструкционных материалов, при котором на деталь, помещенную в жидкость, воздействуют концентрированной мощностью, обрабатываемую деталь помещают в прозрачную для оптического излучения жидкость, и на границу раздела жидкости и обрабатываемой детали подают направленное импульсное оптическое излучение мощностью, достаточной для локального закипания жидкости, возникновения паровых пузырьков и образования в результате их коллапса требуемой формы поверхности, причем обработку поверхности осуществляют жидкостью, выбранной из условия химической активности ее пара к материалу обрабатываемой детали, кроме того, обработку ведут в потоке жидкости, а модификацию поверхности осуществляют жидкостью с добавками солей легирующих элементов и воздействуют импульсными оптическими излучениями до локального насыщения поверхности легирующими элементами, при этом в устройстве, содержащем сосуд, с помещенной в жидкость обрабатываемой деталью и источник питания, сосуд соединен трубопроводами через вентили с насосом, образуя замкнутый контур, на выходе из сосуда и насоса установлены заправочный и предохранительный клапаны, в сосуде над обрабатываемой деталью выполнено окно, над которым закреплен фотоприемник с возможностью перемещения вдоль оси, линза и источник импульсного оптического излучения, закрепленный на стойке и соединенный последовательно с узлом перемещения, приводом, преобразователем и фотоприемником.

На фиг.1 изображена схема осуществления способа гидрооптической обработки непрозрачных диэлектрических конструкционных материалов; на фиг.2 схема полировки локального участка детали в проточной жидкости; на фиг.3 - принципиальная схема устройства.

Обработка деталей происходит следующим образом.

Пучок излучения 1 собирают линзой 2 в фокус на границе раздела прозрачной для оптического излучения жидкости 3 и поверхности обрабатываемой детали 4, помещенной в сосуд 5. Интенсивность излучения промодулирована с определенной частотой. Пучок излучения создают, например, лазером 6 и собирают линзой 2 в фокус на детали 4, помещенной в жидкость. Жидкость может прокачиваться насосом 7 через сосуд с прозрачным окном 8. Вентили 9 регулируют скорость течения жидкости. Клапаны 10 заправочный и предохранительный служат соответственно для заполнения и дренажа гидравлической системы. Точность фокусировки на деталь контролируют фотоприемником 11, включенным в систему автоматической настройки оптической системы, состоящей кроме фотоприемника из преобразователя 12, привод 13 и узла перемещения 14, закрепленного на стойке 15. Лазер соединен с блоком питания 16.

Пучок оптического излучения достаточно большой интенсивности в фокусе, попадающий на прозрачную поверхность детали, нагревает ее, а от нее и жидкость, доводя до кипения и возникновения пузырьков пара в фокусе пучка. Величина пузырька зависит от интенсивности излучения, например около 10⁵ Вт/см², и длительности, например около 10^-5 с, интервала облучения детали. В паузах, например, около 10^-6 с, между импульсами облучения детали, пузырьки пара схлопываются, воздействуя на материал (например, керамику) в месте расположения фокуса излучения, соответствующего обрабатываемому участку детали. Многократный коллапс паровых пузырей, сопровождаемый возникновением огромных давлений (до 810⁷ Па в случае, например, воды) создает эрозионную лунку, размеры которой имеют порядок размера пятна сфокусированного излучения на детали. Поскольку оптическое излучение можно сфокусировать в пятно с поперечником в несколько микрон, то высококачественные разрезы диэлектрических конструкционных материалов, например керамики, можно производить шириной в несколько микрон, что недостижимо другими способами, например ультразвуком или лазерным испарением.

Материал из обрабатываемой зоны уносится в результате механического воздействия коллапсирующих пузырей газа на обрабатываемый материал, для чего необходимо нагреть жидкость до ее температуры кипения, которая в десятки раз меньше, чем температура испарения тугоплавких, как правило, керамических материалов. Это позволяет использовать источники излучения соответственно меньшей (примерно на четыре порядка) мощности, чем в традиционных способах лазерной обработки (1).

Использование способа обработки, например керамики, позволяет производить прецизионную фигурную резку и сверление керамики и изоляционных материалов, например, для изготовления полупроводниковых приборов, с помощью лазеров вполне умеренным энергозапасом до нескольких джоулей. Кроме того, ввиду присущего этому способу уменьшенного (всего на несколько десятков градусов) нагрева обрабатываемого материала практически исключено образование трещин и сколов обработанных краев вследствие термических напряжений, что позволяет повысить точность размеров обработки непроводящих материалов.

Для обработки поверхности материалов используются и жидкости, пары которой могут разлагаться на химически активные компоненты при коллапсе пузырьков пара и ударе жидкости о поверхность детали. Примером такой жидкости могут служить жидкие фторированные углеводороды при обработке поверхности, например ситала. При этом кроме ударного воздействия подлежащий обработке участок детали подвергается химическому воздействию продуктов разложения рабочей жидкости, в результате чего скорость разрушения и удаления материала резко возрастает.

Для активизации химических процессов на границе раздела движущейся жидкости и шероховатой поверхности детали 4 ее помещают в поток жидкости 3 (фиг. 2 и 3), что позволяет осуществить локальную гидрооптическую полировку непрозрачных диэлектриков.

Обработка происходит следующим образом.

Пучок излучения 1 падает на участок детали 4, подлежащий полировке, вдоль которой течет прозрачная рабочая жидкость 3. В общем случае рабочая жидкость обладает некоторой химической агрессивностью по отношению к материалу детали (керамике). На границе раздела жидкости и твердого тела жидкость испаряется и разлагается с образованием мелких пузырьков химически активного газа. Поток жидкости увлекает прилежащий к нагретой поверхности слой активного газа, который при своем движении растворяет выступы на поверхности детали с большей скоростью, чем материал во впадинах, так как скорость обтекания выступов выше, чем впадин. В результате происходит уменьшение высоты микрорельефа поверхности детали, т. е. его полировка. Для модификации поверхности материала обрабатываемой детали в рабочую жидкость добавляют соли элементов, легирующих керамику, и создают серию микроударов жидкости по поверхности детали в месте формирования сфокусированного оптического излучения, причем количество микроударов при той же мощности уменьшают примерно на полтора порядка по сравнению с количеством, необходимым для образования эрозионного рельефа поверхности. В результате этих микроударов многократного действия поверхность диэлектрика локально насыщается легирующими элементами.

Способ и устройство оптической обработки и модификации поверхности материалов позволяет получать очень точные размеры разрезов на поверхности обрабатываемых материалов с толщиной разрезов до нескольких микрон, причем границы разрезов отличаются высоким качеством (гладкостью, отсутствием сколов и трещин). Этот же способ позволяет имплантировать с помощью микроскопических гидроударов ионы металлов локальным образом в точно определенные участки поверхности. Кроме того, использование движущейся вдоль поверхности жидкости определенного состава позволяет создавать в предлагаемом устройстве локальные высокополированные участки деталей из прочных непроводящих материалов.