CC BY
11
УДК 629.7.036:621.373
Разработка средств математического обеспечения процесса формирования тонкопленочных покрытий на роторах шаровых гироскопов
О. С. Юльметова, А. М. Фомичев, В. И. Новиков, Р. Ф. Юльметова, А. Г. Щербак
Приведены результаты исследований по разработке технологии формирования функциональных покрытий методом катодно-ионной бомбардировки на сферических поверхностях прецизионных изделий. Представлены исходные условия и значимые параметры построения процесса, математическая модель и методика расчета ориентации деталей, а также данные практической реализации.
Ключевые слова: сферический ротор, шаровой гироскоп, функциональное покрытие, катодно-ионная бомбардировка, позиционирование.
Основным узлом шарового гироскопа является сферический ротор (сплошной или полый тонкостенный). Уровень технологического обеспечения изготовления ротора во многом определяют качество и эксплуатационные характеристики гироскопов. Особенностью технологии изготовления ротора являются требования к точности сферы и дисбалансу порядка сотых долей микрометра. Такая точность должна соблюдаться и при выполнении одной из наиболее важных операций, связанной с нанесением на сферическую поверхность ротора тонкопленочного функционального покрытия методом, например, катодно-ионной бомбардировки или магнетронного напыления. Таким покрытием может быть нитрид титана, который обладает износостойкостью, обеспечивающей посадки ротора, и на котором формируют растровый рисунок посредством лазерного маркирования [1].
К покрытию предъявляются жесткие требования по допустимой неравномерности толщины, которая выражается в конечном счете, как некруглость ротора и влияет на его дисбаланс. Очевидно, что это требует разработки технологических методов и средств управ ле-ния процессом напыления в части регулирова-
ния толщины покрытия с точностью на уровне сотых долей микрометра.
Цель работы — создание управляемой технологии напыления, обеспечивающей заданные параметры тонкопленочных покрытий с моделированием процесса их формирования на примере сферических роторов шаровых гироскопов.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:
• выявление исходных условий и принципов построения регулируемого процесса формирования тонкопленочных покрытий на сферических поверхностях;
• определение значимых параметров технологии напыления;
• моделирование процесса формирования покрытий заданной конфигурации с выявлением корреляции значимых параметров и характеристик покрытий.
Можно считать, что исходные условия в первую очередь связаны с ориентацией, позиционированием и схемой перемещения сферической поверхности, на которой формируется тонкопленочное функциональное покрытие, относительно ионного потока (или потока напыляемого материала). Необходимо выделить
О9 (Ов) !
Рис. 1. Ориентация сферического ротора относительно ионного потока
совокупность значимых параметров процесса напыления, которые определяют возможность формирования тонкопленочного покрытия, соответствующего требованиям к точности, а также разработать расчетную методику, основанную на использовании значимых зависимостей характеристик формируемого покрытия от этих параметров.
Получение покрытий с точностью на уровне сотых долей микрометра очевидным образом связано с обеспечением строго определенной схемы позиционирования и изменения по заданной программе ориентации ротора по отношению к ионному потоку. На рис. 1 представлена схема ориентации ротора 1, зафиксированного с помощью двух диаметрально разнесенных игольчатых упоров [1]. Для приведенной схемы приняты следующие исходные условия и положения:
• ионный поток 2, в зоне которого размещен ротор 1, рассматривается как однородный;
• в процессе формообразования покрытия ось О5О6, циклически изменяет ориентацию относительно потока 2 одномоментным поворотом вокруг дополнительной оси О3О4;
• основная ось О1О2 постоянного вращения определяется как перпендикулярная к направлению ионного потока 2, а изменение угла наклона оси О5О6 относительно ионного потока задается элементами связи, в состав которых
входит поворотный механизм упоров с приводом вращения [2];
• ось О5О6 упоров совмещена с динамической осью ротора 1, а точка пересечения осей О^2 и О3О4, вокруг которой поворачивается ротор, совпадает с его центром О, сохраняющим постоянную позицию относительно зоны ионного потока 2;
• в условиях однородного потока напыляемого материала, толщина покрытия hx в данной точке сферической поверхности определяется выражением
hx = h cos ф, (1)
где ф — угол (на рис. 1 не обозначен) между направлением потока 2 и нормалью к плоскости, касательной к сферической поверхности в данной точке; h — толщина покрытия в позиции, соответствующей точке а, в которой ось потока перпендикулярна к плоскости, касательной к ротору 1 в точке а, т. е. угол ф = 0°.
На основе перечисленных исходных положений можно определить значимые параметры напыления, которые связаны с ориентацией и позиционированием ротора в зоне ионного потока. Сюда можно отнести угол а наклона оси О3О4 к оси О1О2 вращения привода и угол в циклического поворота ротора вокруг оси О3О4, определяющий его новое положение относительно оси О1О2.
Существенными факторами являются как номинальные значения, так и соотношение указанных углов, а также цикличность изменения угла наклона ротора относительно потока напыляемого материала, отнесенная к оборотам ротора вокруг оси О1О2.
Поворот ротора на угол в вокруг оси О3О4 целесообразно осуществлять после полного оборота ротора вокруг оси О1О2 на угол 360°, задавая его в диапазоне от 30° до 90°, который в полной мере обеспечивает требования по размерным параметрам формируемого покрытия (на рис. 1 угол в принят равным 90°).
В положении ротора, представленном на рис. 1, точка a располагается на оси потока 2, т. е. ось потока 2 перпендикулярна к плоскости, касательной к ротору 1 в точке a. При вращении ротора 1 вокруг оси О1О2 точка a перемещается по траектории 5, и при повороте на 180 ° на ее первоначальную позицию попа-
дает точка С1, диаметрально противоположная точке а. При дальнейшем вращении вокруг оси О1О2 через 180точка а попадает в исходную позицию. В этот момент времени (после поворота на 360°) осуществляется поворот ротора относительно оси О3О4 на заданный угол р, принятый, как указывалось, равным 90°. При этом на позицию, которую занимала точка а, перемещается точка 1, на ее место становится точка с, а сама точка а перемещается в позицию точки Ь. Очевидно, что перемещение точек происходит по траектории, определяемой окружностью 3. Соответственно имеет место перемещение точек а1, Ь1, с1 и <1 по окружности 4.
Очевидно, что на каждые четыре полных оборота вокруг оси О1О2 ротор 1 при угле в = 90° совершает один полный оборот вокруг оси О3О4.
Диаметр Б окружностей 3 и 4 можно определить из выражения
Б = Бр вт (90° - а) =Бр сов а,
(2)
где Бр — диаметр ротора 1.
Высота Бш шарового слоя 6, заключенного между параллельными плоскостями 7 и 8, определяется зависимостью
Бш = 2Бр вт а сов а.
(3)
Согласно выражению (2) при уменьшении угла а значение диаметра Б увеличивается. При увеличении диаметра Б увеличивается расстояние между точками а и Ь, < и с, с и 1, которые определяют смену позиций ротора при повороте на угол р. На рис. 1 это расстояние обозначено длиной дуги аЬ, являющейся частью окружности 3. Отсюда следует, что углы а и р связаны определенной зависимостью, т. е. для обеспечения равномерности покрытия при уменьшении угла а необходимо уменьшать угол р. Этот фактор, с учетом обеспечения равномерности покрытия на всей поверхности ротора 1, можно определить как значимый для напыления в целом.
Таким образом, чем больше сферическая поверхность шарового слоя 6, тем более равнозначны условия напыления и, как следствие, более высокая равномерность покрытия. Из вы-
ражения (3) следует, что оптимальным значением угла а является 45°, когда высота Бш шарового слоя 6 равна диаметру Бр ротора 1, т. е. вся поверхность ротора 1 находится в зоне, множество точек которой поочередно занимают позиции на оси потока 2. Значение угла а, большее или меньшее чем 45°, для изменения величины Бш возможно при необходимости формирования на роторе покрытия переменной толщины.
Определяя точность формируемого покрытия для схемы, представленной на рис. 1, целесообразно оценивать отклонение от сферической формы ротора в двух сечениях: в экваториальном сечении, перпендикулярном к оси О5О6, и в меридиональном сечении, в котором лежит ось О5О6. Можно считать, что равномерность толщины покрытия в экваториальном сечении ротора при напылении в условиях вращения с постоянной скоростью вокруг оси О1О2 обеспечивается на высоком уровне.
При изменении ориентации ротора в результате циклического поворота вокруг оси О3О4 на угол р точка а перемещается на позицию, в которой до этого была точка Ь. Для выявления влияния значимых факторов процесса напыления на равномерность формируемого покрытия на поверхности ротора можно выделить дугу аЬ, которая является частью окружности 3 (точка а* соответствует середине дуги аЬ).
С учетом принятого положения, определяемого выражением (1), можно показать, что для схемы, представленной на рис. 1, существует взаимосвязь углов а, р и ф. Определив эту взаимосвязь, можно технически корректно выбирать такие значимые параметры напыления, какими являются углы а и р. Следует учитывать, что угол а задает конфигурацию шарового слоя 6 на роторе 1, т. е. не-круглость ротора в меридиональном сечении, а угол р — равномерность покрытия по толщине в пределах сформированного шарового слоя 6, т. е. приоритетным параметром процесса напыления на сферу является значение угла а.
На основе положений векторной алгебры [4], используя матрицу поворота в трехмерной системе координат на угол р вокруг оси О3О4, можно получить координаты вектора ОЬ, в который переходит вектор Оа при повороте и ко-
Wiiii
¡РАБОТКА
торый является нормалью к плоскости, касательной к сфере ротора в точке b. Скалярно умножая единичный вектор направления потока на полученный вектор нормали, для точки b получаем угол ф между направлением потока и нормалью к плоскости, определяемый выражением
ф = arcos [cos в + (1 - cos в) sin2a)]. (4)
Соответственно, для точки a* получаем ф1 = arcos [cos в/2 + (1 -cos в/2) sin2a)]. (5)
Рассматривая совместно два цикла напыления: первый, когда на оси потока 2 находится точка b, и второй, когда на этой оси размещается точка a, с учетом зависимости (1) можно определить толщины покрытия в точках a, b и a*. Очевидно, что чем меньше угол в, тем короче длина дуги ab, меньше угол ф и соответственно имеет место более равномерная толщина покрытия.
Считая, что для точек a и b за два цикла напыления суммарная толщина покрытия составит величину
hi = h + h cos ф =
= h[1 + cos в + (1 - cos в) sin2a],
*
а для точки a — величину
(6)
h2 = h cos ф + h cos ф = 2h cos ф1 = = 2h[cos p/2 + (1 - cos p/2) sin2a], (7)
можно определить некруглость А ротора как разницу:
А = h2 - h1.
(8)
При рассматриваемой схеме изменения позиций напыления разница толщин в смежных областях выделенной дуги аЬ, т. е., с одной стороны, в точках а и Ь, где толщина одинакова, и, с другой стороны, в точке а*, будет характеризовать некруглость А ротора в меридиональном сечении.
Вводя параметр О = А/Н, где Н — заданная суммарная толщина покрытия, и используя выражения (6) и (7), можно представить общую зависимость
Q = А/H = 2 cos в/2 + 2(1 - cos в/2) sin2a - 1 -- cos в — (1 - cos в) sin2a = = 2 cos в/2 - 1 - cos в + + sin2a(1 - 2 cos в/2 + cos в). (9)
Решение зависимости (9) целесообразно выполнить в графическом виде, где представить изменение величины угла в от угла a при заданных реальных значениях Q = А/H. Соответственно для угла a, оптимальное значение которого, как показано выше, составляет 45°, можно установить диапазон значений с учетом того, что при изменении угла a обеспечивается сохранение в соседних точках ротора разности толщин покрытия, определяемое согласно выражению (3), в допустимых пределах, т. е. для указанных углов целесообразно оперировать диапазонами значений или значениями, которые нежелательно превышать.
Экспериментальная проверка расчетной методики производилась при напылении на сферические роторы покрытия нитрида титана методом катодно-ионной бомбардировки на установке «Булат-6» с применением специализированной оснастки [3], обеспечивающей позиционирование и изменение положения ротора относительно ионного потока. Было установлено, что для реальных соотношений Q = А/H в диапазоне 0,02-0,08 можно аналитически определить диапазон значений угла a — 36°-54°. При этом для углов a > 54° будет иметь место формирование покрытия переменной толщины с большей толщиной H в зоне образуемого шарового слоя 6, высота которого заведомо меньше диаметра Др ротора 1. Очевидно, что ориентация покрытия переменной толщины относительно динамической оси ротора задается углом наклона этой оси к оси потока 2.
Углы a < 36° в данном случае не рассматриваются, поскольку методика расчета будет принципиально иной, учитывающей, что зона ротора, где образуется покрытие большей толщины, ориентируется иначе, чем для углов a > 54°.
Приведенная выше схема представлена исходя из условия получения максимально равномерного покрытия. Вместе с тем возможны технические ситуации, когда требуется нане-
90 _
60-
30-
-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
0 30 60 90
в,
Рис. 2. Области выбора углов а и в
сение тонкопленочного покрытия с заданной переменной толщиной. В этом случае подбором углов а и в можно задать зоны напыления, где в соответствии с приведенными выше зависимостями будут формироваться слои с различной толщиной Нх с плавным и монотонным изменением толщины.
На рис. 2 обозначены полученные расчетные области выбора соотношений углов а и в для различных схем формирования покрытий:
• равномерной толщины покрытия по всей поверхности ротора (область I);
• переменной толщины покрытия с большей толщиной в зоне образуемого шарового слоя, высота которого заведомо меньше диаметра Бр ротора (область II), при этом очевидно, что соотношения углов а и в в зоне II соответствует равномерной толщине покрытия только в пределах данного шарового слоя, определяемого конкретными значениями угла а.
Профиль покрытия привязывается к функциональным элементам ротора, например к динамической оси вращения или к вектору дисбаланса, соответствующим позиционированием ротора при его фиксации в игольчатых упорах с ориентацией оси упоров относительно осей вращения ротора. В целом практическая реализация перечисленных возможных вариантов формирования тонкопленочных
функциональных покрытий обеспечивается регулированием углов а и в в пределах: а = = 35° ^ 80° и в = 30° ^ 90°. Получены тонкопленочные функциональные покрытия нитрида титана на сферических роторах с отклонениями по толщине 0,02-0,04 мкм при толщине покрытий 0,5-0,9 мкм.
Выводы
1. Сформулированы принципы и исходные условия построения управляемого технологического процесса формирования тонкопленочных покрытий на сферических поверхностях.
2. Выявлены значимые параметры управляемой технологии напыления, в качестве которых можно выделить номинальные значения и соотношение углов ориентации основной и дополнительной осей вращения сферического изделия.
3. Разработана математическая модель позиционирования и изменения ориентации сферических конструкций относительно потока напыляемого материала при формировании покрытия заданной конфигурации.
4. Определены зависимости характеристик формируемого покрытия от значимых параметров позиционирования с построением номограмм, позволяющих определить сочетания указанных параметров для получения заданных характеристик покрытия.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-08-31097.
Литература
1. Беляев С. Н., Щербак А. Г. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющих форму тел вращения // Материалы X конф. молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008.
2. Использование плазменной и лучевой технологий для обработки узлов гироприборов / А. М. Фомичев, О. С. Юльметова, А. Г. Щербак, В. И. Новиков // Металлообработка. 2014. № 1 (79). С. 17-20.
3. Технологические аспекты формирования функциональных элементов на поверхностях узлов гироприборов / М. А. Туманова, О. С. Юльметова, А. М. Фомичев [и др.] //Материалы XVI конф. молодых ученых. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор. 2014 г.
4. Лурье А. И. Аналитическая механика. М.: Физ-матлит, 1961. 824 с.
0
а
