Các ứng dụng gia công tinh - Chương 9: Các dạng gia công tinh trên bề mặt

Chương 9 CÁC DẠNG GIA CÔNG TINH TRÊN BỀ MẶT 9.1 Tôi bề mặt chi tiết bằng laser Những laser khí công suất liên tục đến hàng chục kw cho phép gia công nhiệt bề mặt kim loại. Ưu điểm: - Có ưu việt đặc biệt với một số chi tiết có hình dạng không thích hợp với phương pháp gia công nhiệt truyền thống khác. - Tôi bề mặt: đốt nóng và làm nguội nhanh - Tách oxit và các bụi trên bề mặt chi tiết. Việc tạo lớp cứng mỏng bề mặt chi tiết bằng việc nung nóng và làm nguội nhanh đóng vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo chi tiết: như bề mặt bánh răng, rãnh then, các khớp rãnh, … Quá trình tôi là xảy ra ở lớp kim loại nền cơ bản. Khi nung nóng đến nhiệt độ chuyển pha của các cấu trúc austenit như là dung dịch rắn cacbit trong thép, khi làm nguội nó tạo thành trạng thái bền peclit với pherit hoặc xemetit, còn dung dịch rắn cacbit rất bền trong sắt α gọi là mactenxit. Tốc độ nguội của thép tùy thành phần của thép từ 30÷40 0C/giây cho đến dưới 250 0C, thường sử dụng chất lỏng làm nguội. Khi tôi laser: Phần lớn năng lượng bị hút vào kim loại để đốt nóng bề mặt, còn phần kim loại còn lại thì làm nguội. Khi đó bề mặt bị đốt nóng sẽ nguội đi. Trong khoảng thời gian đầu tiên, sự làm nguội sẽ gần bằng: với T0: là nhiệt độ bề mặt τ: độ dài xung đốt laser Nhiệt độ phụ thuộc q của laser bán kính a theo trục z vuông góc với bề mặt phẳng của môi trường bán cực: Ttĩnh(z)= -Ánh sáng bị hấp thụ mạnh bởi kim loại ở bước sóng khả biến -Sự hấp thụ bề mặt lại tăng với sự tăng nhiệt độ bề mặt và sự hình thành màng ô xýt Thép thường, bức xạ hấp thụ 8 kw/cm2 đốt lớp chiều sâu 0,5mm đến nhiệt độ cao tới hạn, khi đó chuyển pha γ thành α ausetenit (T≤9370C) trong thời gian khoảng 0,05 giây. Nếu nhiệt từ chùm tia bị truyền sang các vùng khác do sự dẫn nhiệt cao của vật liệu thì lớp bề mặt sẽ nguội rất nhanh tạo nên bề mặt mactenxit. Nhận xét: + Hiệu quả của quá trình tôi chịu ảnh hưởng rất lớn của độ phản xạ bề mặt. Bước sóng λ=0,6µm với thép ở nhiệt độ thường hệ số hấp thụ bề mặt nhỏ hơn 10% song nó tăng rất nhanh với sự tăng nhiệt độ bề mặt. + Khi có lớp màng mỏng graphit nó làm tăng hệ số hấp thụ và tăng hiệu quả quá trình tôi. Quá trình gia công nhiệt các loại thép có thể tiến hành trong các môi trường khác nhau: nước, khí… song tốt hơn cả là trong chất lỏng. Các nghiên cứu thực nghiệm cho các kết luận: -Quá trình tôi chi tiết hấp thụ ít năng lượng nên không đốt nóng chi tiết vì quá trình nung xảy ra nhanh. -Dễ dàng tôi các bề mặt trong và ngoài. Sự tập trung năng lượng trong vùng gia công có thể kiểm soát điều khiển được. -Khả năng nhận được giải tôi và vùng tôi rất hẹp nhờ tiêu tụ, chắn hoặc dùng maska chùm tia. -Trong quá trình tôi không xảy ra quá trình hóa học độc hại cũng như tiếng ồn và nhiệt độ cao tại vùng làm việc. -Quá trình tôi xảy ra rất nhanh nên sự oxi hóa bề mặt và các phản ứng hóa học khác là nhỏ nhất. Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng: laser công suất cũng có thể bóc các lớp oxit bề mặt để phục hồi lớp kim loại bề mặt bị khí quyển tác dụng. Ngoài ra laser cũng có thể thực hiện được các quá trình chế tạo chi tiết có hình dạng yêu cầu từ hợp kim bột với nhiều ưu việt hơn các phương pháp đốt nóng khác. Nhược điểm: Với chi tiết đủ lớn buộc phải tôi điểm có điều khiển. 9.2 Gia công tạo hình bề mặt Là phương pháp gia công mà hình dạng tiết diện của chùm tia laser được xác định bởi một mặt nạ, chiếu lên bề mặt gia công với tỷ lệ cần thiết để nhận được hình ảnh lặp lại dạng của mặt nạ. Đây gọi là phương pháp chiếu hình để tạo các màng định hình trong công nghiệp điện tử và các lĩnh vực khác hoặc in chữ và số lên bề mặt nhạy cảm với ứng suất cơ học và áp lực dễ bị phá hủy hoặc thay đổi cấu trúc. Ví dụ: Vi mạch ,tấm mỏng gốm đơn tinh thể hoặc đầu từ là vật liệu pherit. Người ta dùng laser để đốt cháy lớp bề mặt tạo số qua mặt nạ mà không phá hủy nó. Phổ hấp thụ của gốm chỉ với những bước sóng nhỏ hơn 1,1µm còn với bước sóng dài hơn nó trở nên trong suốt. Ánh sáng nhìn thấy được hấp thụ trên gốm ở độ sâu gần 0,1µm. ,năng lượng bị hấp thụ trong vài pico giây và chuyển thành nhiệt. -Tia laser sẽ đốt nóng vật tạo ra sự giãn nở nhiệt và ứng suất. -Khi đó sự truyền nhiệt từ vùng chiếu sáng đến các vùng lân cận cần phải giảm cực đại bằng cách dùng laser xung. - Nếu xung laser dài 1ms thì chỉ xảy ra sự truyền nhiệt trong thời gian đó. - Hiệu ứng tác động của tia laser phụ thuộc vào năng lượng của nó. Với gốm, năng lượng laser bị hấp thụ chậm và khi xung đủ năng lượng thì xảy ra sự nóng chảy cục bộ, khi tăng năng lượng xung thì nhiệt động sẽ tăng lên đến điểm bay hơi vật liệu. Khi mật độ công suất đạt 108 w/cm2 thì nhiệt độ có thể đạt tới 1010 0C/s còn gardien nhiệt độ đến 10-6 0C/cm, cần khoảng 5ns thì bề mặt chi tiết đạt đến nhiệt độ bay hơi, sau 50ns thì vật liệu bắt đầu nóng chảy ở độ sâu 2µm. Vật liệu bay hơi thì có hệ số hấp thụ cao hơn khi nó ở trạng thái rắn. Sự bay hơi sẽ lần lượt từng lớp . Hình trên lỗ maska được chiếu lên bề mặt gia công, mặt nạ thường làm bằng đĩa molipden Ф76mm và dày 0,1mm, các số được đục trên vành đĩa và bằng cách quay người ta sẽ đưa nó vào vị trí cần thiết khi chiếu. Các laser thường sử dụng: Rubi, neodim, thủy tinh và YAK Một số nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình bay hơi: - Sự phân bố cường độ trong tiết diện ngang chùm tia không đều gây nên sự tác động không đồng nhất lên vật liệu gia công. Đồng thời do sự phân bố cường độ đó theo luật Gauss nên chiều sâu bay hơi vật liệu sẽ giảm từ tâm ra ngoài, khắc phục điều này hết sức phức tạp. Do sự phân bố cường độ không đồng đều, nên tại các điểm cường độ tăng cao sẽ nứt hoặc vết lõm trên bề mặt gia công do không đồng chất vật liệu laser và hệ quang. Để làm đồng đều cường độ tia, người ta dùng phương pháp tia laser được mở rộng và đi vào một thấu kính đặc biệt mà mặt trước của nó như một mặt tán xạ sẽ phân tán phần cường độ mạnh nhất theo nhiều góc đi vào bề mặt gia công. Phương pháp: in litô laser để tạo dưỡng quang học: để làm dưỡng quang tốn thời gian và có nhiều khuyết tật. Phương pháp laser đốt cháy lớp màng phủ làm dưỡng loại trừ được phương pháp in chụp quang học đồng thời còn có khả năng kiểm tra kích thước hình trên dưỡng quang ở tỷ lệ thực và rút ngắn thời gian chế tạo. Quá trình đôt: Để tạo các ảnh cỡ micro có 3 phương pháp tạo hình bằng hệ quang để tạo litograph: - Phương pháp chiếu hình - Phương pháp chùm công tua - Phương pháp chiếu công tua . . Hình 9.5 (a): màng Fe2O3 1000A0 30×30mm2 (b): màng Cr 800A0 30×28mm2 9.3 Một số dạng ứng dụng gia công với laser. Cắt ống thủy tinh thành mỏng Trong công nghệ chế tạo dụng cụ, ví du: ống điện tử chân không … cần phải cắt không được khuyết tật các ống thủy tinh. Ví dụ ống Ф20 với chiều dày thành 0,75mm. Cơ chế của việc cắt này là phân bố có hướng của ứng suất nhiệt đàn hồi xuất hiện trên thủy tinh do tác dụng của gradien nhiệt lớn. Ứng suất bên trong bề mặt trụ G tăng theo công thức: Ở đây: β: Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính E: Modun đàn hồi P: Hệ số Poatxong T: Nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép (đối với các  mác thủy tinh đã cho) hơn 5 lần. Nhận xét: Tùy theo mức độ tăng của ứng suất, độ nhám của bề mặt thay đổi từ cấp: 4÷13 Nhờ bức xạ laser có thể cắt các tấm thủy tinh, gốm và ống thạch anh Ngoài ra phương pháp này còn cho phép cắt ống thủy tinh trong quá trình kéo ống liên tục với tốc độ cao. Phương pháp laser do không có tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và thủy tinh nên không xuất hiện trong thủy tinh và dụng cụ những ứng suất phụ. Không có các yếu tố va chạm cơ học , khả năng điều chỉnh và khống chế mức độ tác động lên thủy tinh độ ổn định quá trình cắt, là ưu điểm của phương pháp này. . 9.3.2Bóc các màng cách ly, cách điện từ dây dẫn. Làm sạch màng cách điện từ dây dẫn mỏng là một vấn đề của công nghệ chế tạo điện tử, các phương pháp cơ, hóa không đảm bảo độ tin cậy làm sạch. Công nghệ làm sạch dây khỏi màng mỏng, dựa trên tính chất: nhờ laser CO2 có bước sóng 10,6µm bị hấp thụ tốt bởi điện môi và bị phản xạ mạnh từ kim loại, laser CO2 liên tục công suất 25w, dây dẫn đưa vào qua mặt phẳng tiêu tụ nhờ thấu kính gốm quang học ZnS xảy ra sự đốt cháy chất cách điện, lõi kim loại không bị phá hủy do độ phản xạ cao. Tốc độ dịch chuyển dây tùy thuộc vào đường kính của nó, công suất laser, độ dày. Đồ thị hình 9.6 mô tả sự phụ thuộc của tốc độ tách lớp phủ cách điện, từ dây dẫn với đường kính khi công suất laser 16 và 19w 9.3.3 Cắt điện trở Bằng laser CO­2 công suất không lớn người ta cắt tạo điện trở bằng cách bóc lớp điện tử trên lõi gốm, khi đó lõi gốm vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến theo đướng xoắn ốc. Ưu việt của phương pháp này so với mài bằng đá mài tròn là: - Giảm kích thước điện trở (với đá mài kích thước điện trở phải đủ lớn). - Có thể cắt nhanh sơ bộ để tạo độ chính xác cho điện tử. - Không có bụi do việc cắt lớp điện tử gây ra nên không gây chập giữa các vòng điện trở. - Tốc độ cao có năng suất cao gấp 5 lần. Ví dụ: Dùng laser đơn mốt liên tục với đường kính chùm ra 10mm, tiêu tụ bằng thấu kính gốm quang học (ZnS) tiêu cự 50µm, đường kính vết hội tụ trên nửa chiều rộng phân bố Gauss gần 120µm, công suất ra 12w khi cắt điện trở Cr đường kính 7,5mm dài 19,5mm. Khi nhận 3 giá trị đầu 40, 10, 1Ω, lớp điện tử tạo bằng khuếch tán Crom trên lớp bề mặt gốm, độ sâu khuếch tán 10÷20µm và nồng độ hạt Crom thay đổi theo chiều sâu và cực đại trên bề mặt, tạo ra điện tử 22,5; 5,1; 0,51 Ω/cm. Các nghiên cứu về sử dụng laser CO2 đê cắt các màng kim loại cho phép giải thích những khả năng và khó khăn khi chế tạo điện trở. Ví dụ: Khi cắt các màng từ nhôm và vàng thì bề rộng vết cắt thay đổi từ 200-600m tùy thuộc vào vận tốc chuyển động của laser. Tốc độ cực đại đến 650cm/phút. Còn tốc độ cực tiểu là sự xuất hiện các vết nứt… trong vùng  ảnh hưởng nhiệt 1,5÷2 rộng hơn vết nứt. Vậy cần chọn tốc độ thích hợp để giảm vùng ảnh hưởng nhiệt. 9.3.4 Khắc vạch và cắt tấm bán dẫn Trong công nghệ sản xuất vi mạch và dụng cụ bán dẫn, cần phải cắt các tấm vật liệu bán dẫn thành các miếng nhỏ. Khi dùng các lưỡi cắt kim cương sẽ xuất hiện hàng loạt các vết nứt, độ vát sườn mép cắt ở tiết diện ngang vết cắt và xảy ra sự mài mòn dụng cụ kim cương tạo nên phế phẩm lớn. Việc dùng laser cho phép cắt nhỏ hơn các tấm bán dẫn và bố trí các phần tử của vi mạch gần nhau hơn, quá trình cắt rãnh sẽ nhanh hơn, sâu hơn và tốt hơn cơ khí. Quá trình cắt rãnh xảy ra do tác động nhiệt của tia laser tạo nên các rãnh sâu không có ứng suất cơ học. . Sơ đồ trên sử dụng laser YAK làm việc ở chế độ điều biến hệ số phẩm chất với công suất tia đủ để gia công chi tiết với tần số xung 5÷50kHz và chiều dài xung gần 250ns, đủ để đốt cháy vật liệu như gốm song không truyền nhiệt sang vùng không gia công. Nhiệt độ tại vùng gia công đạt đến 18000C nhưng không phá vùng lân cận. Tùy theo mức độ dịch chuyển tấm sẽ tạo ra một rãnh chữ V sâu 25µm và rộng gần 50µm với độ sâu dáng lỗ không đồng đều. Không xảy ra các vết nứt và sự đốt nóng tấm được kẹp trên bàn gia công nhờ bơm chân không. Chiều sâu rãnh cắt rất quan trọng đối với vi mạch và với việc tách rời các phần của chúng. Thực nghiệm thấy rằng khi chiều sâu bằng 20÷25% chiều dày tấm có thể nhận được sự tách với chất lượng cao, độ sâu hơn việc tách tốt hơn song tốc độ gia công phải chậm lại. Ví dụ: Triển vọng của việc cắt bằng laser YAK có công suất bức xạ lớn và độ dài xung nhỏ cho phép cắt các tấm gốm dày 0,25µm. Nhận xét: Khi gia công các vật liệu có độ giãn và nhiệt tương đối thấp không cần thiết phải sử dụng laser xung, ví dụ để cắt đá dùng laser CO2 liên tục cắt các gốm, cutana, tấm thủy tinh trong công nghiệp vi điện tử. Việc tạo mối nối giữa các lớp trong mạch tích phân xảy ra trong một số giai đoạn do sự tác động của một số lượng xung nhất định, trước tiên là tạo lỗ trong nhôm: Do lớp SiO2 trong suốt nên xung bị hấp thụ trên bề mặt Si và đốt cháy nó và đưa Si nóng chảy lên bám vào Al tạo tiếp xúc điện trở tốt. Số lượng xung xác định chất lượng lớp nối giữa lớp Al mỏng cỡ µm với lớp n+Si. Kết luận: - Ta đã xét chỉ một số công nghệ sử dụng laser, triển vọng của công nghệ laser với sự phát triển của điện tử học lượng tử để tạo các laser mới và nâng cao chất lượng laser cũ là rất lớn. - Ưu điểm của công nghệ laser: tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng chi tiết, giải phóng diện tích và cường độ lao động song còn đất và cần phải nghiên cứu mạnh hơn..