CC BY
30
2. Колмогорова С. С., Бирюков С. В. Обзор существующих датчиков и средств измерения напряженности электростатического поля. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 22 с. Деп. в ВИНИТИ 22.11.2011, № 504-В2011.
3. Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. URL: http://www. fundmetrology.ru/ (дата обращения: 16.03.2017).
4. Бирюков С. В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 196 с.
5. Пат. № 106959 Российская Федерация, МПК G01R 29/14. Датчик измерения напряженности электростатического поля / С. В. Бирюков, С. С. Колмогорова. № 2011110185/28; заявл. 17.03.2011; опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21. 2 с.
6. Пат. 2348905 Российская Федерация, МПК G 01 F 1/74 (2006.01) G 01 N 22/00 (2006.01). Измеритель расхода и способ измерения расхода многофазной текучей среды / ВЕЕ Арн-стейн. № 2006124233/28; заявл. 09.12.2004; опубл. 10.03.2009, Бюл. № 7. 2 с.
7. Поливанов К. М. Теоретические основы электротехники. В 3 т. М.: Энергия, 1975. Т 3. 207 с.
8. Миролюбов Н. Н., Костенко М. В., Левинштейн М. Л. [и др.]. Методы расчёта электростатических полей. М.: Высшая школа, 1963. 415 с.
9. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1972. 874 с.
10. Колмогорова С. С., Бирюков С. В. Математическая модель изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля // Ползуновский вестник. 2011. № 3-1. С. 15 — 18.
КОЛМОГОРОВА Светлана Сергеевна, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
КОЛМОГОРОВ Аркадий Сергеевич, ведущий инженер ООО «Автоматика-сервис», г. Омск. БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Физика» ОмГТУ.
Адрес для переписки: ss.kolmogorova@gmail.com
Статья поступила в редакцию 10.04.2017 г. © С. С. Колмогорова, А. С. Колмогоров, С. В. Бирюков
УДК б81.2.°84 е. в. леун
а. в. шулепов
АО «Научно-производственное предприятие им. С. А. Лавочкина», Московская область, г. Химки Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
г. Москва
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА САПФИРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ НАКОНЕЧНИКОВ ДЛЯ ПРИБОРОВ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ
„ 3 о
В статье представлены результаты экспериментальных исследований механи- > ческого контактирования сапфирового стержня с вращающейся пятизубой фрезой в режиме, близком к активному контролю ее диаметра. Показано, что сапфировый стержень выдерживает подобные циклические ударные нагрузки, а износ его поверхности соответствует режиму пластичного удаления материала. Отмечается появление локальных зон металлизации от контакта с фрезой. Для повышения износостойкости предложена конструкция составного измерительного наконечника с введением защитного покрытия. Обсуждаются современные высокопрочные материалы для этого покрытия.
Ключевые слова: измерительный наконечник, прибор активного контроля, контактные измерения, сапфир, диоксид циркония, трещиностойкость.
Введение. В 2015 году впервые было разработа- маз, сапфир, рубин и других материалов [1]. Позже и
но семейство приборов активного контроля (ПАК) это направление получило дальнейшее развитие Е
размерных параметров изделий с использованием в работах [2 — 5]. Например, в работе [4] представ-
измерительных наконечников (ИН) из высокопроч- лены разработанные 3 типа приборов с использо-
ных оптически прозрачных материалов из ряда: ал- ванием сапфировых ИН, реализующие контактные
а)
б)
Рис. 1. Механическая схема эксперимента (а) и общий вид (б) при его проведении
и бесконтактные измерения, разделенные условно по следующим группам:
1. ПАК с высокопрочным и оптически прозрачным наконечником.
2. ПАК с низкокогерентным интерферометром и ВОП.
3. Универсальный ПАК для измерения размеров изделия, шероховатости поверхности и угла ее наклона и температуры.
В основе функционирования большинства этих ПАК лежат особенности механического контактирования высокопрочных оптически прозрачных ИН с движущимися (вращающимися или перемещаемыми) изделиями с прерывистыми поверхностями. В настоящий момент в научной литературе этот вопрос не освещен и данная статья направлена на устранение этого недостатка.
1. Экспериментальные исследования влияния механического контактирования изделия с прерывистой поверхностью на свойства сапфировых ИН. Для понимания режима работы сапфировых ИН в контактных измерениях был проведен эксперимент с использованием прозрачного искусственно выращенного сапфирового стержня (оксид алюминия — А1203), прямоугольным сечением 5х6 мм и длиной -20 мм с предварительно измеренной шероховатостью поверхности профилометром мод.252 (произв. завода «Калибр»).
Закрепленная в шпинделе и центрах токарного станка пятизубая твердосплавная фреза диаметром 15 мм вращалась с частотой вращения -1000 об/мин. Сапфировый стержень, установленный в резцедержателе с длиной выступающей части -12 мм, дважды с разными линиями контакта подводился своим плоским торцом по образующей режущей части вращающейся фрезы с небольшим усилием до формирования механических ударных воздействий с частотой / и 85 Гц (рис. 1). Схема крепления сапфирового стержня обладала жесткостью механической части токарного станка. Направление вращения зубьев фрезы соответствовало удалению материала.
Для лучшего понимания процесса контактирования было сделано два контактирования: пробный и основной в течение около Т и 4 мин. После эксперимента регистрировалась шероховатость поверхности контактирующего торца сапфирового стержня.
Самым главным является вывод о том, что в результате механического контактирования ИН с усилием прижима существенно превышающем максимально рекомендуемое значение -3Н, согласно [6], не привел к поломке, растрескиванию или расслаиванию сапфирового стержня.
Результаты более детального исследования (рис. 2) показали следующее. Испытуемый сапфировый стержень изначально содержал внутренние включения 1 на глубине 5 мм и более от торца. Как видно на фото, торец сапфирового стержня от эксперимента не растрескался. Но вынужденное самовыравнивание торца сапфирового стержня вдоль образующей вращающейся фрезы в начальный момент контактирования привел к появлению небольших сколов 2 и 3 на его противоположных углах. В результате контактирования на торце появились две широкие линии контактирования: первая — 4 (пунктир) и вторая — 5 (штрих-пунктир) от механического воздействия вращающейся фрезы. Рядом с линиями контакта 4 и 5, формирующими на про-филограмме (рис. 3в) участки 1 (рис. 3г) и 2 (рис. 3д) появились локальные зоны 6 с ярко выраженным металлическим отблеском.
Профилограммы, полученные в результате измерения шероховатости поверхности торца сапфирового стержня до (рис. 3а, б) и после (рис. 3в, г) эксперимента, показали следующее. Износ сапфирового стержня, оцененный для участка 2 с более долгим механическим контактированием с учетом наклона профиля (рис. 3в, д) составил -0,4 мкм со средней скоростью 0,1 мкм/мин. Для сравнения, по данным [6], износ корундового наконечника за восьмичасовую рабочую смену не превысил 1 мкм, что соответствует средней скорости износа ИН и 2 нм/мин.
Эти скорости износа существенно меньше значения 30 мкм/мин [7], соответствующего пластичному удалению материала согласно проведенным ранее теоретическим и экспериментальным исследованиям для хрупких материалов (алмаз, сапфир и др.), что не приводит к их растрескиванию.
Большой износ сапфирового стержня, полученный в проведенном эксперименте, можно объяснить высокой жесткостью механической схемы (рис. 2а, б), превышающей эмпирически до 30 — 50 крат усилия прижима сапфирового
а)
б)
в) г)
Рис. 2. Фотографии торца сапфирового стержня после механического контактирования: общий вид (а, б), с нанесением металлизации (в), общий вид реальной структуры поверхности (г)
стержня к фрезе максимально значения давления, равного 3 Н, возникающего в процессе выхода наконечника из впадины на выступ при контактном контроле размеров изделий с прерывистой поверхностью [6].
Появление небольших горбов можно объяснить вышеупомянутой искусственной металлизацией трением поверхности торца стержня от фрезы, отблеск которой хорошо виден на рис. 2в, г.
Шероховатость поверхности усредненно для всего участка 2 составляла -0,15 мкм и была меньше, чем для участка 1. Это, вероятно, можно объяснить некоторой притиркой поверхности торца сапфирового стержня к поверхности фрезы, тем самым приближаясь к качеству поверхности до обработки.
2. Разработка составных измерительных наконечников ПАК. Для повышения износостойкости сапфира при контактных измерениях, используемого в качестве светопровода (окна), предлагается ввести в состав ИН защитное покрытие для приема и распределения по телу большей части энергии удара при контакте (рис. 4). В качестве него могут быть как традиционно используемые корундовые сплавы или новые перспективные кристаллические или керамические материалы с высокими параметрами микротвердости и трещиностойкости.
Среди таких новых материалов перспективно использование высокопрочной керамики на основе оксида алюминия, получаемой с использованием магнитно-импульсного прессования композитных нано порошков с сочетанием «микротвердость — трещиностойкость» (19,4 ГПа — 7,3 МПа.м05), полученной из композитного нанопорошка с 15 %-ным содержанием металлической фракции при давлении прессования 0,3 ГПа и температуре спекания 1550 °С [8].
В исследованиях [9] получена микротвердость керамики на основе оксида алюминия со спецдобавками до 22...24 ГПа, а в работе [10] при создании мелкозернистой (порядка нескольких микрон), плотной, пластичной керамики достигнута микротвердость до 35 ГПа. Данных по трещиностойкости нет.
Для материалов на основе наноструктуриро-ванных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония в приведенном выше сочетании достигнута более высокая трещиностойкость: 13,2 ГПА — 10 МПа.м05 (и даже до 20 МПа.м05) [11].
Однако эти данные получены в статике, а для динамики при циклических нагрузках для диапазона частот и 50 — 200 Гц могут отличаться.
Для уточнения этого нужно провести дополнительные исследования.
1— 1 г 1 и г 4 С г р гттттт
— — —1 — г Г] г г г г
• \ ■ ■ я р £ я»* 11 I 1
как т ш МШр И т ■ж. и т ■ ■ П7.....гтт
-Ш [I □ Ш и и с С и г: участок 2 а ...■■«—■■»—«-1—л-
д)
Рис. 3. Профилограммы торца сапфирового стержня (значение одной клетки: по высоте «0,38 мкм, по длине «33 мкм): до (а, б) и после (в, г, д) эксперимента
3. Влияние шероховатости поверхности сапфирового ИН после механического контактирования на прохождение оптических потоков. Известно условие между шероховатостью поверхности и длиной волны X света < Х/к, где значение к находится в диапазоне от 4 до 6. Считается, что при выполнении этого условия влиянием шероховатости на изменения проходящих оптических потоков в виде дополнительного рассеяния, нарушения когерентности и др. можно пренебречь.
Для определенного выше значения для контактирующего участка 2, равного ~0,15 мкм, полученный диапазон длин волн при к = 4 составляет X > 0,6 мкм, а для к = 6 имеем X > 0,9 мкм.
Оценим полученное для возможности реализации пирометрических методов измерения температуры и оптических методов измерения перемещений.
При использовании пирометрических методов измерения температур изделия и/или наконечника, используемых в ПАК, за счет прозрачности сапфира [1], наиболее распространенным является излучение в ИК области Хцк=3...15 мкм. И можно утверждать, что шероховатость поверхности Я2, появляющаяся от механического контактирования сапфирового ИН, не приведет к дополнительному рассеивающему воздействию на ИК-поток и не будет вносит дополнительной погрешности.
Для оптических методов измерения перемещений часто используется гелий-неоновый (Ие-Ые) лазер с длиной волны 0,6328 мкм. И, как следует из вышеизложенного, формируемый им оптический поток будет занимать промежуточное положение для двух значений к, равных 4 и 6: 0,6 мкм < 0,6328 мкм < 0,9 мкм. Это значит, что есть вероятность, что шероховатость поверхности появляющаяся от механического контактирования сапфирового ИН, не будет нарушать когерентность оптических потоков и будет можно применять высококогерентные лазерные интерферометры перемещений. Но для уточнения этого необходимо проведение дополнительных исследований.
Для низкокогерентных лазерных и волоконных интерферометров возможное рассеяние оптических потоков и нарушение их когерентности не играет существенной роли.
Заключение. 1. Результаты первых исследований механического контактирования сапфирового стержня с вращающейся пятизубой фрезой показывает, что в случае ровного линейного контакта его торца по образующей (после самовыравнивания) циклические ударные нагрузки не приводят к поломке, растрескиванию или расслаиванию. При этом режим износа торца сапфирового стержня соответствует режиму пластичного удаления материала.
б)
Рис. 4. Механическое контактирование сапфировых ИН с защитным покрытием: с выступом изделия (а), распределение нагрузки по всей площади ИН (вид сверху, б)
2. Отсутствие выравнивания сапфировых ИН при ударных нагрузках может приводить к сколам по краям. Для исключения этого и повышения износоустойчивости сапфировых ИН предлагается в его конструкцию ввести защитное покрытие, позволяющее принять и распределить по телу большую часть энергии удара от выступа изделия. Наиболее перспективным следует считать керамики на основе оксида алюминия со спецдобавками или наноструктурированных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония с высокими значениями микротвердость — трещиностойкость.
3. Шероховатость поверхности, формируемая в результате механического контактирования сапфирового стержня с вращающейся фрезой, не вносит дополнительной составляющей погрешности и не ухудшает точность измерения температуры изделия и/или наконечника пирометрическим методом, не влияет на функционирование низкокогерентных интерферометров перемещений. Но требует дополнительных исследований для уточнения возможности применения высококогерентных интерферометров перемещений.
Библиографический список
1. Пат. 2557381 Российская Федерация, МПК В 24 B 49/00, G01B7/12. Способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия и устройство для его реализации / Леун Е. В., Леун А. В. № 2013152692/02; заявл. 28.11.13; опубл. 20.07.15, Бюл. № 20.
2. Леун Е. В., Сысоев В. К. Применение в ракетно-космической промышленности рефлектометрических датчиков в составе приборов активного контроля параметров изделий: размеров, шероховатости и угла наклона поверхности, температуры // Оптическая рефлектометрия: материалы Всерос. науч.-практ. конф., 26 — 27 мая 2016 г. Пермь, 2016. C. 33 — 35. ISBN 978-5-7691-2440-2.
3. Леун Е. В. Особенности построения перспективных лазерных способов активного контроля размеров изделий // Х Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова, 30 — 31 мая 2016 г. / ОмГТУ. Омск, 2016. С. 68-74. ISBN 978-5-8149-2316-5.
4. Леун Е. В. Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2016. № 4 (148). С. 123-127.
5. Пат. 2603516 Российская Федерация, МПК В 24 В 49/04, В 24 В 49/12, В 24 О 17/20. Способ измерения линейных размеров изделия, выполненного с впадинами и выступами на поверхности / Леун Е. В. № 2015117471/02; заявл. 08.05.15; опуб. 27.11.16, Бюл. № 33.
6. Леун В. И. Повышение эффективности технологии изготовления и точности измерения линейных размеров прецизионных деталей приборов, машин и изделий инструментального производства средствами автоматического контроля: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.11.14, 05.11.01. СПб.: ИТМО. 1994. 25 с.
7. Сильченко О. Б. Теория и методы размерно-регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.13.07. М., 2000. 317 с. РГБ ОД, 71 01-5/198-8.
8. Иванов В. В. [и др.]. Прочная керамика на основе оксида алюминия, получаемая с использованием магнитно-импульсного прессования композитных нанопорошков // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1, № 1-2. С. 201 — 207.
9. Пат. 2379257 Российская Федерация, МПК С 04 В 35/10. Способ изготовления изделий из корундовой керамики / Са-ванина Н. Н., Русин М. Ю., Горчакова Л. И., Саломатина Л. И. № 2008141080/03; заявл. 17.10.08; опубл. 20.01.10, Бюл. № 2.
10. Номоев А. В. Сверхмикротвердость керамики на основе нанодисперсных порошков оксида алюминия с добавками нанопорошков оксидов магния и кремния // Письма в журнал технической физики (ЖТФ). 2010. Т. 36, вып. 21. С. 46 — 53.
11. Борик М. А., Бублик В. Т., Вилкова М. Ю., Кулебя-кин А. В. [и др.]. Структура, фазовый состав и механические свойства кристаллов 2Ю2, частично стабилизированных У203 // Материалы электронной техники. 2014. № 1 (65). С. 58 — 64.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «Научно-производственное предприятие им. С. А. Лавочкина». Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru ШУЛЕПОВ Алексей Виленинович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Измерительные информационные системы и технологии» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН». Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru
Статья поступила в редакцию 17.04.2017 г. © Е. В. Леун, А. В. Шулепов
