Особенности формирования регулярного микрорельефа на рабочих поверхностях плоских упругих чувствительных элементов электромеханических датчиков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕГУЛЯРНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ПЛОСКИХ УПРУГИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ А.Ю. Буданова, Д.Н. Кокшаров Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Л. Ткалич

Показана особенность формирования микрогеометрии поверхностного слоя плоских упругих чувствительных элементов, что ведет к совокупному улучшению эксплутационных свойств этих устройств.

Введение

Технологии изготовления упругих элементов (УЭ) разнообразны и определяются конструкцией, назначением и материалом УЭ, а также техническими требованиями [1]. Производство современных конструкций определяется технологиями изготовления данных изделий. Поэтому важной задачей производства на сегодняшний день является этап изготовления УЭ. Ниже приведен ряд современных технологических процессов изготовления УЭ:

• технология прецизионного изготовления упругих элементов балочного типа методом электрохимико-механического полирования в деталях из труднообрабатываемых материалов;

• технология высокопрочного неразъемного соединения деталей из щелочных стекол с деталями из кремния в электростатическом поле высокого напряжения;

• технология прецизионной электроискровой обработки непрофилированным электродом - инструментом сложных закрытых профилей в деталях из труднообрабатываемых материалов;

• технология прецизионного размерного формообразования методом химического травления сложноконтурных сквозных пазов и упругих перемычек чувствительных элементов из кварцевого стекла;

• технология размерной обработки кремния для создания чувствительных элементов датчиков механических величин.

С целью повышения надежности, сокращения длительности приработки, замены дорогостоящих материалов на конструкционные элементы, сокращения трудоемкости изготовления деталей повышенной точности и долговечности и т.п. на поверхности контакт-деталей магнитных контактов (МК) предлагается наносить регулярный микрорельеф (РМР). Наиболее совершенным методом образования РМР является метод вибрационного накатывания профессора Ю.Г. Шнейдера.

Способ образования регулярных микрорельефов вибронакатыванием

и его особенности

Регулярность формы, размеров и взаиморасположения неровностей поверхностей с РМР предоставляет возможность практически впервые аналитически их рассчитывать как функцию различных эксплуатационных свойств, т.е. перейти к расчетному нормированию геометрических параметров микрорельефа поверхностей УЧЭ [1-3].

Принципиальная схема прокатки и параметры режима вибронакатывания цилиндрических прокатных валков приведены на рис. 1. Деформирующим элементом при вибронакатывании валков может быть шар, алмазный наконечник или валик с нанесенным на нем негативным (выпуклым) РМР [3].

Особенности регулярных микрорельефов, создаваемых способом вибронакатывания, заключаются в следующем [3]:

• микрорельеф вибронакатанной поверхности образуется как след движения участка деформирующего элемента, контактирующего с обрабатываемой поверхностью;

• благоприятная практически для всех условий эксплуатации форма неровностей регулярных микрорельефов, характеризуемая пологой формой выступов и впадин с радиусами на 1-2 порядка большими, чем при других видах обработки, и соответственно, большей величиной опорной поверхности как исходной после вибронакатывания, так и в приработочный период;

• усложненная кинематика процесса вибронакатывания и большое число регулируемых параметров его режима позволяют весьма тонко и в больших пределах варьировать значения большого числа параметров создаваемого регулярного микрорельефа, в том числе таких, как число выступов и впадин на единице площади, фактическая площадь поверхности и длина профиля, радиусы закруглений впадин и выступов и т.д.;

• возможность независимого регулирования параметров режима вибронакатывания и отсутствие жесткой их связи с параметрами регулярного микрорельефа позволяют управлять формой и взаиморасположением его элементов;

• способ позволяет управлять такими параметрами поверхности, а следовательно, и контакта поверхностей, как фактическая его площадь и фактическая площадь контакта, и создавать высокочистые поверхности достаточной смачиваемости, а также исключать явления молекулярного сцепления, адгезии, фреттинг-коррозии;

а) б)

Рис. 1. Схемы вибронакатывания поверхности прокатных валков (а) и рабочей поверхности плоских УЧЭ (б): п3 - число оборотов заготовки; п дв.х. - число осцилляций инструмента (шарика); Бпр - продольная подача; Бпоп - поперечная подача; Р -усилие вдавливания деформирующего инструмента; пв - число оборотов прокатных валков

• строгая кинематическая связь между параметрами режима процесса вибронакатывания и параметрами регулярного микрорельефа определяет возможность расчетного нормирования, технологического обеспечения и безаппаратного контроля поверхностей с регулярным микрорельефом;

• универсальность и возможность управления фактически всеми параметрами и характеристиками поверхностей с регулярным микрорельефом характеризуют способ вибронакатывания как инструмент для исследования и выявления взаимосвязей огромного многообразия эксплуатационных свойств поверхностей с их микрогеометрией.

Анализ сущности и особенностей регулярных микрорельефов свидетельствует о том, что практически все недостатки, свойственные шероховатым поверхностям деталей УЧЭ, при создании регулярных микрорельефов исключаются.

Регулярные микрорельефы могут быть разделены на две группы (рис. 2) [1,3]:

• с системой регулярно расположенных канавок, между которыми остаются участки исходной поверхности (рис. 2а, б, в);

• с полностью новым регулярный микрорельефом (ПРМР) поверхности (рис. 2г, д), ГОСТ 24775-81.

ПРМР могут иметь гексагональные и тетрагональные выпуклости. Для смены вида РМР рабочей поверхности УЧЭ необходимо менять сами валки, образуя на них различный РМР с помощью сферической виброголовки, за счет смены параметров режима вибронакатывания.

В работе [4] приведены профилограммы и фотографии поверхности КС с ПРМР для геркона типа КЭМ-1. Оптимальным для геркона является создание на поверхности УЧЭ ПРМР четвертого вида. Как показали расчеты, наилучшего качества спая УЧЭ с герметизированным баллоном можно добиться при формировании гексагонального выпуклого ПРМР поверхности УЧЭ [4].

Достоинством проведенного нормирования качества поверхности КС герконов на основании экспериментальных исследований является выявление одновременно с оптимальными значениями параметров микрорельефа условий и режима технологического его обеспечения.

В результате экспериментального исследования и расчетов были установлены следующие оптимальные значения параметров микрорельефа плоских КС герконов: радиус выступов 280 мкм, число выступов на 1 мм2 - 10. Этим параметрам соответствуют следующие параметры режима вибронакатывания: при вибронакатывании валков шаром, в целям создания вогнутого ПРМР: число осцилляций инструмента 1400 1/мин, амплитуда осцилляций 2 мм, скорость поперечной подачи 120 мм/с, диаметр шара 4 мм; при вибронакатывании прокатным валком: скорость прокатки 20 м/мин, диаметр валков 40 мм, ширина бочки 60 мм.

Конструкторско-технологическое решение, найденное в результате этих исследований, защищено свидетельством [5].

Рис. 2. Схемы и профиллограммы поверхностей с системами канавок (а-в) и полностью новым регулярным микрорельефом (г, д)

Заключение

Способ вибронакатывания позволяет получить оптимальную регулярную микрогеометрию и упрочненный приповерхностный слой материала УЧЭ, что ведет к совокупному улучшению эксплутационных свойств этих элементов. Кроме того, предложенная установка позволяет за одну технологическую операцию вибропрокатки в валках формировать макро- и микрогеометрию УЧЭ коммутационного устройства.

Литература

1. ГОСТ 24773-81. Поверхности с регулярным микрорельефом.

2. Ткалич В.Л., Михеева О.Д. Построение математических моделей присоединенных масс упругих элементов устройств автоматики. / Материалы Всероссийской научной конференции (Computer-Based Conference) «Методы и средства измерений», раздел «Мат. модели и численное моделирование измерительных приборов и датчиков», Нижний Новгород, 2000. 15 с.

3. Ткалич В.Л., Михеева О.Д., Железков В.В. Исследование динамики плоских УЧЭ устройств АСУ. / Материалы Всероссийской научной конференции (Computer-Based Conference) «Методы и средства измерений», раздел «Мат. модели и численное моделирование измерительных приборов и датчиков», Нижний Новгород, 2000. 14 с.

4. Ткалич В.Л. Разработка и исследование методов повышения надежности герконов и иреле на их основе. / Автореферат дис. на соискание степендии кандидата технических наук. ЛИТМО, Санкт-Петербург, 1994. 20 с.

5. Ткалич В.Л., Беккер Я.М., Фролкова Е.Г., Шнейдер Ю.Г. Потапов А.И. Магнито-управляемый контакт. Положительное решение на выдачу патента РСФСР по заявке № 5054669/07, 27.07.93. 2 с.