CC BY
37
ЛИТЕРАТУРА
Полуянович Н.К. Программа ввода и топологического анализа схем в ППП PRE.EXE // Электротехника. - 1995. - Вып.4. - С. 108-110.
Полуянович НК. Методы автоматизации синтеза нелинейных резистивных цепей. -Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - 81с.
УДК 658.512.2.011.56
С.П. Малюков
ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА СТЕКЛОВИДНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ МАГНИТНЫХ ГОЛОВОК
Непрерывный процесс совершенствования конструкций магнитных головок, используемых в звуко- и видеозаписывающих устройствах, а также в вычислитель, -вания стекловидных диэлектриков, как для формирования рабочих зазоров, так и для поверхностей трения многодорожечных магнитных головок (ММГ). Такие стекловидные диэлектрики должны отвечать следующему комплексу требований [1]:
♦ иметь согласованные величины коэф фициента линейного термического расширения (^ЛТР) с ферритами для обеспечения минимальных напряжений в спае;
♦ соответствовать ферритам по велич ине износостойкости и микротвердости. В
, , , иметь аналогичную ферриту износостойкость, а стекло для формирования рабочих поверхностей трения - более высокую износостойкость, чем феррит, гарантируя тем самым надежную работу ММГ;
♦
взаимной диффузии компонентов стекла в феррит.
Надежность спая феррит-стекло существенно зависит от физикомеханических характеристик используемых ферритов. В качестве объектов исследования выбраны горячепрессованные №-2п-ферриты марок 500НТ и 1000НТ, а также горячепрессованный Мп-2п-феррит марки 200МТ. Результаты измерений параметров ферритов показали значительный разброс величин КЛТР, микротвер-, , -
ными марками ферритов, но также и между различными партиями ферритов однотипных марок (табл.).
Таблица
Физико-механические свойства горячепрессованных ферритов
Марка феррита КЛТР-107 1/Х, темпер. Интервал 20~700°С Микротвердость, кг/мм2 Условная износостой- , / 2 Плотность, г/см3 Водопогло-щение, % Кажущаяся , % Прочность на изгиб, /2
500 НТ 88-95 678-818 0,067-0,069 5,1-5,3 0,06 0,3 170-195
1000 НТ 86-93 644-714 0,017-0,079 5,1-5,2 0,05 0,23 148-168
2000 МТ 92-112 532-630 0,088-0,092 4,9-5,1 0,06 0,3 68-78
, -
риалов даже для одной и той же марки феррита необходима серия стекол, имеющих соответствующий набор величин КЛТР феррита от партии к партии.
1. Формирование матмодели эксперимента. Для синтеза материала в системе 8Ю2-Б203^0 ^20] (рис. 1, [2]) с заранее заданными свойствами применяли метод симплексного планирования эксперимента - выбор количества и условий проведения опытов, минимально необходимых для решения поставленной задачи. Результаты эксперимента использовали для получения математической модели, по которой рассчитывали требуемые параметры: КЛТР и микротвёрдость.
Экспериментальные точки при симплекс-центроидном планировании располагаются по всему симплексу, число их равно числу коэффициентов полинома степени п [3].
Рассматриваем систему 8Ю2-Б203-2п0 с соотношением компонентов х1+х2+х3=1, где X! - весовая доля 8Ю2; х2 - 2п0; х3 - Б203.
БЮ
В2О
Рис. 1. Область стеклообразования (вес. %) в системе БЮ2-В20з-1пО; О - прозрачное стекло, @ - закристаллизованное стекло, ф- спек
БЮ,
В2О3
5(1 6(1
В2О3 ^
Рис.2. Симплекс-центроидные планы неполного третьего порядка: заштрихованная область - КЛТР=87-114 •1071/°С
Для расчета область стеклообразования (симплекс) разбивали на два треугольника (рис.2). Вершины треугольника ъх, 72 и 73 выражены координатами в весовых долях компонентов системы (хьх2,х3). Треугольник 1 с вершинами 71 (0,4; 0; 0,6); 72 (0,3; 0,4; 0,3) и 73 (0,119; 0; 0,881). Треугольник 2 с вершинами 71 (0,4; 0,2; 0,4); 72 (0,3; 0,4; 0,3) и 73 (0,4; 0; 0,6).
Экспериментальные точки (составы стекол) для составления матрицы планирования по симплекс-центроидному плану неполного третьего порядка выбирают, ( . . 2). Исследование КЛТР экспериментальных составов стекол показало их несоот-
2. -
нейшем изучали составы стекол, относящиеся к области треугольника 1. Координаты экспериментальных точек, а также результаты измерения КЛТР стекол области треугольника 1 (матрица планирования) приведены в таблице:
Таблица
Матрица планирования эксперимента____________
Номер стекла ^2 23 Х1 Х2 Х3 КЛТР*10'7 1/0С н, кг/мм2
Бь1 1 0 0 0,4 0 0,6 87 617
Бь2 0 1 0 0,3 0,4 0,3 76 510
Бь3 0 0 1 0,119 0 0,881 102 572
Бь4 0,5 0,5 0 0,35 0,1 0,55 79 570
Бь5 0,5 0 0,5 0,258 0 0,747 100 554
Бь6 0 0,5 0,5 0,209 0,201 0,590 96 640
Бь7 0,333 0,333 0,333 0,27 0,139 0,591 89 537
На основании матрицы планирования треугольника 1 составлена модель неполного третьего порядка для трехкомпонентной смеси, имеющая вид:
Из уравнения (1) и вычисленных коэффициентов в получаем уравнение рег-( ):
Адекватность модели проверяли по двум составам стёкол в области треугольника 1 (№74 и №75 см. рис. 2). Эти составы синтезировались экспериментально и сравнивались с теоретическими. Относительная ошибка расчета находиться в соответствии с общепринятым уровнем значимости для подобных измерений. Следовательно, по уравнению регрессии (3) могут быть рассчитаны значения КЛТР для материала с заранее заданными свойствами.
Аналогично рассчитывается уравнение регрессии для определения микротвердости заданного стекла:
2. Создание программного модуля автоматизации синтеза стекол с заранее заданными свойствами. В результате использования полученных уравнений регрессии был создан программный модуль позволяющий определить состав стекла по заданным параметрам КЛТР и микротвердости на его соответствие ферритам . -вания состава стекла и определения его параметров, а также получения технологических условий и рекомендаций по изготовлению.
В качестве внутреннего алгоритма вычислений в процессе работы был использован программный модуль создания уравнения регрессии по введенным пользователем исходным данным, т.е. программа построения матмодели эксперимента. Эта матмодель будет содержать в себе уже не дискретные данные исследо-, , можно определить как состав необходимого стекла, так и его свойства. Получение уравнений, необходимых для расчета любых параметров, описано в разделе 1. Представление же уравнений регрессии и их расчет производился с использованием матричной алгебры [4].
, -чение имеет получение уравнения регрессии для определенного параметра.
Второй шаг данного эксперимента предполагает расчет параметров стекла с ,
параметрам выбранной марки феррита. С этой целью в программу включена база
(1)
где
Д = а , Д2 = 4а12 -2а1 -2а2, в2 = а2, Д2 = 4а13 - 2а1 - 2а3, Д = а3, Д23 = 4а23 - 2а2 - 2а3,
Д23 = 27а123 - 12(а12 + а13 + а23) + 3(а1 + а2 + а3). (2)
а = 87 • Z1 + 76 • Z2 +102 • Z 3 -10 • Z1 • Z2 + 22 • Z1 • Z3 + + 28 • Z 2 • Z 3 -102 • Z1 • Z 2 • Z 3.
(3)
H = 617 • Z1 + 510 • Z2 + 572 • Z3 + 26 • Z1 • Z2 -162 • Z1 • Z3 + + 396• Z2 • Z3 -1572 • Z1 • Z2 • Z3
(4)
данных по различным маркам ферритов, так что пользователь может выбрать необходимую марку из таблицы. Чтобы решить задачу обратного характера, т.е. выполнить сопоставление полученного стекла с выбранной маркой феррита, в программу был введен модуль подбора марки феррита.
На основе полученного решения появляется возможность вывести графики зависимостей параметров стекла от его состава. Данная возможность включена для наглядности представления изучаемых зависимостей. Более того, при необходимости программа сохраняет во внутренней базе данных данные расчета синтезируемых стекол. Эта возможность реализована для сравнения полученных результатов с результатами, .
на экран - выводятся графики с близким составом и параметрами.
В данной работе была поставлена задача синтеза стекол подходящих по параметрам ферритам марок 500НТ, 1000НТ и 2000МТ. Вариации составов и рассчитанные параметры синтезируемых стекол приведены в таблице 3. В нее включены различные составы стекол: 8Ю2-В203-Я0 [Я20] (где весовая доля 8102 - 50 вес.%, В203 - 22 вес.%, Я0 - 10 вес.% и Я20 - 18 вес.%) при этом не только те, которые подходят по параметрам заданным маркам ферритов, но и промежуточные экспериментальные составы. В этом эксперименте варьирование содержания Я20 и Я0 в составе стекол, используемых для формирования зазора и поверхности , -лах. При этом суммарное содержание Я20 составило 18%, а Я0 - 10%. Серия стекол, синтезированных на основе указанного состава, в дальнейшем по тексту условно обозначена как серия 81-15. Оксиды щелочных металлов были представлены №20; Ы20 и К20 в виде одного оксида либо вместе в соотношении 1:1:1.
3
Химический состав и некоторые термохимические свойства стекол серии 81-15
сЗ £1 5 * £ Состав стекла в вес. % Свойства стекла
бю2 В2Оз ^а2О К2О и2о МО О р О Ю1ТР 1071/°С Тв°С Тэ=0, °С
15-1 50 22 6 6 6 10 - 87,8 509 900 617
15-2 50 22 6 6 6 7,5 2,5 88,8 509 900 606
15-3 50 22 6 6 6 5 5 91,6 510 900 566
15-4 50 22 6 6 6 2,5 7,5 92,4 511 850 551
15-5 50 22 6 6 6 - 10 93,4 512 850 650
15-6 50 22 18 - - 10 - 85,8 580 900 565
15-7 50 22 18 - - 7,5 2,5 86,9 580 900 561
15-8 50 22 18 - - 5 5 89,0 582 900 537
15-9 50 22 18 - - 2,5 7,5 91,0 582 900 513
15-10 50 22 18 - - - 10 92,0 587 850 630
15-11 50 22 - 18 - 10 - 74,6 607 1050 556
15-12 50 22 - 18 - 7,5 2,5 75,2 607 1050 547
15-13 50 22 - 18 - 5 5 76,4 611 1000 510
15-14 50 22 - 18 - 2,5 7,5 78,6 619 1000 484
15-15 50 22 - 18 - - 10 79,3 626 1000 570
15-16 50 22 - - 18 10 - 108,0 485 900 572
15-17 50 22 - - 18 7,5 2,5 110,2 487 900 566
15-18 50 22 - - 18 5 5 111,0 488 900 558
15-19 50 22 - - 18 2,5 7,5 112,1 493 900 529
15-20 50 22 - - 18 - 10 113,3 495 900 640
На рисунке 3 приведен график зависимости КЛТР стекол серии 81-15 от концентрации в составе стекла оксидов ЯО и Я02.
КЛТР
10 7,5 5 2,5
Рис.3. Зависимость КЛТР стекол серии Si-15 от концентрации RO и RO2:
1 - концентрация Li2O = 18%; 2 - концентрация ZR2O = 18% (Li2O:Na2O:K2O = 1:1:1); 3 - концентрация Na2O = 18 %; 4- концентрация K2O =18 %
Таким образом, изменяя содержание в стекле оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, можно получить серию стекол с требуемыми величинами КЛТР. Такие стекла, содержащие 18% Na2O или 18% суммарного количества Li2O, Na2O и K2O в соотношении 1:1:1 (стекла Si-15-1 - Si-15-10) имеют КЛТР в пределах (85,8-93,4)-10-7 1/°С, что согласуется с КЛТР феррита марок 500НТ и 1000НТ, а стекла Si-15-3; Si-15-5; Si-15-10; Si-15-16; Si-15-19 имеют КЛТР в пределах (91,6-112,1)-10-71/°С, что согласуется с КЛТР феррита марки 2000МТ.
Данные по изменению величины микротвердости стекол серии Si-15 от содержания RO и R2O, приведенные в табл. 3, показывают, что при замене MgO на CaO (дня всех исследованных составов) величина микротвердости сначала понижается, достигая минимума при содержании 7,5% CaO и 2,5% MgO, а затем резко возрастает и достигает максимальной величины при содержании 10% вес. CaO.
R2O -
логичен для всех исследованных щелочных оксидов. Однако, большие величины
микротвердости имеют стекла, содержащие три оксида щелочных металлов совме-, , K2O.
RO R2O -
Микротвердость, Н кг/мм2
10 7,5 5 2,5
Рис.4. Зависимость микротвердости стекол серии Si-15 от концентрации RO
и RO2:
1 - концентрация ZR2O = 18% (Li2O:Na2O:K2O = 1:1:1); 2 - концентрация Li2O = 18%;3 - концентрация Na2O = 18 %; 4- концентрация K2O =18 %
Таким образом, вводя в стекла серии Si-15 различное содержание R2O и RO, можно получить стекла с различной величиной микротвердости от 484 кг/мм2 до 650 кг/мм2.
3. Реализация алгоритма. Данный алгоритм был реализован для Windows’98 с использованием Borland C++ Builder 3.0 [5]. Данная программа использует многозадачность Windows, поэтому параметры алгоритма можно изменить во время работы. Полученное решение можно занести во внутреннюю базу данных приложения реализующего данный алгоритм, которое сохраняется в файле. Это решение можно также вывести на печать. Разработанные модели предполагается использовать для создания комплексных САПР технологии изготовления .
ЛИТЕРАТУРА
1. Цесар ский А А. Выбор конструкционных материал ов для магнитных головок высокоплотной записи // Техника кино и телевидения. - 1991. - Вып.11. - С. 16-19.
2. Annen A.A. Химия стекла. - J1.: Химия, 1974. - 352с.
3. Адлер ЮЛ., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1971.
4. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР. - М: Радио и связь, 1990. - 351с.
5. Borland C++ Builder 3.0. - СПб.: Питер пресс, 1999.
RO,
