CC BY
0К.И. Власкин, мл. науч. сотр.
С.К. Прищепов, канд. техн. наук, доц.
Уфимский государственный авиационный технический университет
УДК 620.193.1:681.586.782
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ
Рассмотрены особенности технологий изготовления магниточувствительных сердечников ферро-зондовых датчиков из тонкопленочных аморфных сплавов. Представлен способ изготовления магниточувствительных сердечников с применением электроэрозионной установки. Приведены данные экспериментальных исследований по изготовлению магниточувствительных сердечников, показаны возможности и перспективы представленной технологии.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, феррозондовый датчик, тонкопленочный аморфный сплав.
K.I. Vlaskin
S.K. Prischepov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
MANUFACTURE TECHNIQUES OF MAGNETICALLY SENSITIVE ELEMENTS
OF FLUXGATE SENSORS
The article considers the manufacture techniques of magnetically sensitive elements of fluxgate sensors. The features of production technologies of magnetically fluxgate sensors sensitive cores made of thin-film amorphous alloys are presented. The manufacturing method of magnetically sensitive cores with spark erosion installation is shown. The data of experimental researches of the production of magnetically sensitive cores are given. The potential and prospects of the technologies are shown.
Key words: spark erosion machining, fluxgate sensor, thin-film amorphous alloys.
Магнитометры феррозондового типа в настоящее время относятся к наиболее совершенным средствам измерений и контроля. Феррозонды обладают высокой чувствительностью, острой диаграммой направленности, надежностью, малыми энергопотреблением и габаритами. Феррозондо-вые датчики относятся к активным магнитомодуляционным преобразователям [1], основу которых составляют сердечники из магнитомягких материалов, помещаемые внутрь обмоток: сигнальной и возбуждения. В настоящее время традиционно применяемые в качестве материалов сердечников пермаллои вытесняются аморфными сплавами [2], обеспечивающими лучшие метрологические и эксплуатационные характеристики феррозондов (ФЗ). Аморфные сплавы производятся в виде лент толщиной 20^30 мкм и шириной 5^60 мм. Ширина изготавливаемых магниточувствительных сердечников 0.3^2.5 мм является расчетной величиной, так как определяет параметры возбуждения и чувствительность ФЗ. Соотношение ширины и толщины сердечника представляет его как тонкопленочную структуру, поэтому ФЗ с такими сердечниками относятся к магнитометрическим датчикам с плоскими магнитными пленками (ПМП) [3].
Жесткость как характерное свойство аморфных сплавов, с одной стороны, является положительным признаком, так как защищает изготавливаемые сердечники от механических воздействий в процессе их изготовления и при эксплуатации; с другой - жесткость заготовок препятствует использованию традиционных технологий при их обработке.
При изготовлении ФЗ с ПМП, в частности дифференциального типа, существует проблема точности обеспечения заданной ширины сердечника и ее равномерности на длине до 60 мм. Решение проблемы осложняется тем, что сплавы ПМП характеризуются высокой степенью прочности и твердости порядка 10 ГПа.
Известны следующие способы изготовления сердечников из аморфных ПМП: штамповка; механическая резка; травление; лазерная резка.
Первые два способа оказывают непосредственное влияние на ферромагнитные свойства ПМП, так как механические воздействия приводят к ухудшению характеристик сердечников, в частности к увеличению коэрцитивной силы, что сопряжено с повышением потерь на гистерезис, а
также с возрастанием уровня магнитных шумов. Кроме того, механические воздействия приводят к искривлению или излому сердечников, отрицательно сказываются на диаграмме направленности феррозондов.
Первые три способа характеризуются общим недостатком: дают большую шероховатость 17^40 мкм кромки сердечника по его длине. Это приводит к ухудшению метрологических характеристик ФЗ, а также к разбросу параметров сердечников, что затрудняет их идентификацию в пределах выпускаемой партии.
Лазерная резка обеспечивает наименьшую шероховатость кромки сердечника, порядка 15 мкм. Однако вследствие температурного воздействия на ПМП в процессе резки для изготовленных сердечников требуется дополнительная технологическая операция - отжиг при температуре
Известен метод электроэрозионной обработки материалов, основу которого составляет ис -кровой разряд, направленное воздействие которого на обрабатываемый образец сосредоточено в объемах, соизмеримых с его микроструктурой [5].
Задача экспериментальных исследований авторов заключалась в изготовлении магниточув-ствительных ПМП-сердечников для феррозондовых датчиков методом электроэрозионной резки с сохранением сертифицированных магнитных свойств аморфных сплавов ПМП.
Электроэрозионная обработка основана на выбивании частиц материала заготовки с ее поверхности энергией направленного искрового разряда. Режимы обработки задаются уровнем электрического напряжения и расстоянием между электродами, а также свойствами жидкого диэлектрика, в который данные электроды погружены. При сближении электродов, одним из которых является обрабатываемая заготовка, происходит пробой диэлектрика - возникает искровой разряд, канал которого является направляющим и сосредоточивающим электроэнергию источника питания. Длительность процесса выбивания частиц заготовки с ее поверхности не превышает 0,01 с, поэтому выделяющееся тепло не успевает проникнуть вглубь материала. Кроме того, нагреванию заготовки выше температуры окружающей среды препятствует достаточно большой объем жидко -го диэлектрика.
Таким образом, метод электроэрозионной обработки обеспечивает высокое качество обраба -тываемых поверхностей твердых материалов и сложных изделий при незначительных затратах расходуемой электроэнергии [5].
Рис. 1. Схема технологической электроэрозионной установки: 1 - ось электрического контакта;
2 - искровой разряд; 3 - заготовка ПМП; 4 - охлаждающая диэлектрическая жидкость;
5 - электропроводящая режущая струна; 6 - сердечник; 7 - ролики натяжения струны; е - высоковольтный источник питания; I - линейное перемещение режущего инструмента;
а - направление вращения роликов
Основу процесса экспериментальных исследований по изготовлению сердечников ФЗ составляет резка ПМП электроэрозионным методом согласно рисунку 1. Заготовка ПМП 3, являющаяся электродом, помещается в жидкий диэлектрик 4. Между заготовкой и режущим инструментом 5 подается напряжение е высоковольтного источника питания. Линейное перемещение I режущего инструмента 5 приближает его к электроду 3 и на заданном расстоянии между ними происходит пробой диэлектрика 4 - возникает электрический разряд, канал которого отделяет сердечник 6 от заготовки ПМП 3. В процессе обработки происходит испарение как материала заготовки
450 оС [4].
3, так и режущего инструмента 5. Поэтому для обеспечения равномерного по длине уменьшения диаметра режущей проволоки производится ее перемотка на роликах 7 с постоянной угловой скоростью ш. Напряжение источника питания е для искрового пробоя в межэлектродном объеме подключается к электропроводящей режущей струне 5 посредством электрического контакта 1 через ось ролика 7.
В экспериментальных исследованиях по изготовлению ПМП-сердечников использовался электроэрозионный проволочно-вырезной станок А207.86-М2 фирмы «ИНТЕЛПРОМ». На рисунке 2 представлена фотография процесса электроэрозионной резки: длина заготовок 3 из лент различных ПМП аморфных сплавов составляла 10^60 мм. Заготовки устанавливались в электропроводящем держателе 5 при помощи стягивающих винтов 6. Держатель с заготовкой ПМП жестко прикреплялся к основанию станка, т.е. оставался неподвижным в процессе изготовления сердечника. При этом уровень диэлектрической охлаждающей жидкости доводился оператором до по -гружения в нее ПМП на глубину порядка 50 мм. В соответствии со схемой рисунке 1 на рисунке 2 модуль режущего инструмента 1, подключенный к высоковольтному источнику питания, содержит электропроводящую режущую струну 4 и совершает линейное перемещение I вдоль держателя 6. Расстояние от кромки ПМП до канала искрового разряда 2 является шириной изготавливаемого сердечника и задается на компьютерном пульте управления станка с точностью ± 5 мкм.
Рис.2. Фотография процесса электроэрозионной резки: 1 - модуль режущего инструмента; 2 - искровой разряд; 3 - заготовка ПМП; 4 - режущая струна; 5 - держатель заготовки ПМП; 6 - стягивающий винт; I - линейное перемещение режущего инструмента
На рисунке 3 представлена фотография части ПМП-сердечника, позволяющая оценить степень шероховатости его кромки, оставленной искровым режущим инструментом.
Рис.3. Фотография ПМП-сердечника, полученного методом электроэрозионной резки
Используемый электроэрозионный станок оснащается режущей проволокой различных диаметров 0 0,025^0,3 мм с заданными электромеханическими свойствами (материалы: молибден; латунь и др.). Экспериментальная база исследований авторов была ограничена: применялась лишь латунная струна 0 0,25 мм. С учетом резервных возможностей станка можно прогнозировать существенное уменьшение шероховатости кромки сердечника, в частности с использованием режущей струны малых диаметров 0 0,025 мм, так как для разрушения ПМП малой толщины не требуется искровой разряд большой мощности. Кроме того, после изготовления сердечник может быть освобожден от неровностей кромки различными технологическими методами, в том числе электрополировкой на переменном токе [1].
Координаты траектории перемещений режущего инструмента в горизонтальной плоскости задаются на компьютерном пульте управления станка с точностью ± 5 мкм, что позволяет воспро-
изводить магниточувствительные элементы различных размеров и конфигураций: линейных, лекальных, кольцевых, эллипсообразных.
Позитивными признаками представленной технологии являются: отсутствие механического воздействия на ПМП в процессе изготовления сердечника; минимизация температурного воздействия на ПМП-заготовку, т.е. ее обработка практически при температуре окружающей среды - в объеме жидкого диэлектриа. В связи с этим данная технология рассматривается, прежде всего, с точки зрения сохранения в изготовленном сердечнике свойств, идентичных сертификату исходной ПМП. Идентификация свойств сердечников производилась в образцовом феррозонде методом сравнения с экземплярами, полученными альтернативными способами из общих ПМП-заготовок. Исследования показали, что представленный процесс электроэрозионной обработки не является фактором, влияющим на свойства магниточувствительных сердечников, которые определяют основные характеристики ФЗ (чувствительность; параметры возбуждения; диаграмма направленности).
Представленный способ изготовления сердечников составляет основу гибридной технологии производства феррозондов. Данная технология обеспечивает совмещение геометрической оси датчика с его физической осью чувствительности. При этом магнитопровод может состоять из двух идентичных стержней или быть общим для полуэлементов ФЗ дифференциальной структуры. В результате получается монолитный модуль, сохраняющий метрологическую устойчивость при эксплуатации в условиях разрушающих природных и промышленных воздействий. Эти свойства особенно важны при создании многокомпонентных модульных структур феррозондовых магни -тометров, в которых точность взаимной ориентации комплекса осей чувствительности датчиков определяет принципиальную возможность алгоритмической обработки совокупности информационных сигналов магнитометрического модуля [3].
Выводы
1. Требуемые технические характеристики феррозондов обеспечиваются применением маг -ниточувствительных сердечников из аморфных сплавов при их изготовлении способом, сохраняющим сертифицированные магнитные свойства исходного материала.
2. При искровом способе резки плоских магнитных пленок практически устранены факторы, влияющие на магнитные, механические и другие свойства изготавливаемых сердечников.
3. Электроэрозионный способ позволяет воспроизводить из различных сплавов в виде тонких пленок магниточувствительные сердечники различных размеров и конфигураций с улучшенными метрологическими характеристиками.
Библиография
1. АфанасьевЮ.В. Феррозонды. - Л.: Энергия, 1969. - 168 с.
2. Аморфные металлические сплавы / под ред. Ф.Е. Люборского. - М.: Металлургия, 1987.- 582 с.
3. Прищепов С.К., Власкин К.И. Интегральные и гибридные технологии производства феррозондовых датчиков // Нано- и микросистемная техника. - 2011. - №9. - С. 2-4.
4. Заруцкий А.А., Обидин А.З., Малинский Т.А. Лазерные технологии при изготовлении феррозондовых датчиков магнитного поля // Компоненты и технологии. - 2009. - №4. - С. 168-171.
5. НемилоеЕ.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. - Л.: Машиностроение, 1983. - 160 с.
Bibliography
1.Afanasev Yu.V. Fluxgate sensors. - L.: Energiya, 1969. - 168 p.
2. Amorphous metal alloys / Ed. by F.E. Luborskij. - M.: Metallurgiya, 1987. - 582 p.
3. Prischepov S.K., Vlaskin K.I. Integrated and hybrid manufacture technologies of fluxgate sensor // Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. - 2011. - N 9. - P. 2-4.
4. Zarutskiy A.A., Obidin A.Z., Malinskiy T.A. Laser technology in the manufacture of fluxgate magnetic field sensors// Komponenty i tekhnologii. - 2009. - N 4. - P. 168-171.
5. Nemilov E.F. Spark erosion machining of materials. - L.: Mashinostroenie, 1983. - 160 p.
