CC BY
19
электрофизические и электрохимические методы обработки
УДК 629.7.036:621.373
Технология ионно-плазменной обработки аэродинамического профиля газового подшипника
O. С. Юльметова, А. Г. Щербак, С. Н. Беляев, Р. Ф. Юльметова
Представлены результаты исследования формирования аэродинамического профиля на опорах газового подшипника поплавкового гироскопа методом ионно-плазменной обработки. Приведена схема устройства для ионного травления, обоснован выбор управляющих факторов и значимых параметров формообразования канавок. Определены закономерности влияния параметров ионного травления на характеристики профиля.
Ключевые слова: газовый подшипник, ионное травление, аэродинамический профиль, соприкасающиеся плоскости.
Развитие современного приборостроения во многом связано с разработкой новых прогрессивных технологий, таких как электрофизические методы обработки, использующие в качестве инструмента потоки высокоэнергетических частиц. Наиболее эффективно это проявляется в отношении прецизионных узлов гироскопических приборов. Например, в поплавковом гироскопе используются газодинамические полусферические обращенные подшипники с нагнетанием смазки к полюсу. Несущая способность подшипника создается за счет профиля в виде спиральных канавок, формируемых на опоре подшипника. Точность гироскопа и стабильность его технических характеристик во многом зависят от параметров и качества выполнения аэродинамического профиля газовых подшипников. Использование для формирования профиля методов лазерной и ионно-плазменной обработки [1] обеспечило существенное повышение точности выполнения профиля, а развитие этих технологий [2] показало принципиальную возможность решения качественно новых задач, связанных с созданием профиля заданной конфигурации, например c пе-
ременной глубиной канавок в продольном и поперечном сечениях. Это в наибольшей мере отвечает условиям эффективного функционирования подшипника, поскольку позволяет создавать идеальный подвес по законам газовой аэродинамики за счет захвата большего объема рабочего газа [3].
Следует отметить, что весьма перспективной конфигурацией канавок является профиль, переменный в поперечном сечении канавки. При условии определенной ориентации изменение глубины относительно направления вращения деталей подшипника при его функционировании может уменьшить износ на режимах пуска и остановки и снизить пусковой момент за счет использования появляющегося эффекта «пропеллера», который определяется наклоном дна канавки относительно плоскости разъема опоры. Это требует искать технические решения, позволяющие формировать аэродинамический профиль газового подшипника с возможностью регулирования конфигурации профиля.
Объектом исследований была полусферическая опора газового подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа (рис. 1). На
meta™BI^OTK)I
электрофизические и электрохимические методы обработки
Рис. 1. Схема ориентация полусферической опоры относительно ионного потока:
1 — опора газового подшипника; 2 — канавки аэродинамического профиля, выполненные в виде отрезков сферических винтовых линий; 3 — маска, плотно прилегающая к сферической поверхности опоры; 4 — экран; 5 — плоскость разъема опоры
рабочей поверхности опоры предусмотрено формообразование аэродинамического профиля в виде канавок шириной 0,7-0,8 мм и глубиной 3-6 мкм, оси которых представляют собой сферические винтовые линии. Для рабочей сферической поверхности опоры, выполненной из сплава 40ХНЮ-ВИ, допуск не-круглости составляет 0,4 мкм.
Цель работы — расширить технологические возможности процесса формирования аэродинамического профиля на полусферических поверхностях опор газового подшипника посредством ионно-плазменной обработки для получения профиля заданной конфигурации.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
• создание технологических приемов, методов и средств оснащения ионно-плазменной обработки с учетом использования наиболее эффективных элементов известных технических решений;
• выявление управляющих факторов и значимых параметров формирования аэродинамического профиля на полусферических поверхностях;
• сравнительный анализ и оценка характеристик получаемого профиля.
Для формирования переменного профиля канавок в процессе ионного травления наиболее эффективно использование многопозиционного модуля с приводом вращения карусельного типа, в котором предусмотрена возможность варьирования угла наклона а оси симметрии обрабатываемых деталей к оси ионного потока [4].
При этом необходимо учитывать ориентацию соприкасающихся плоскостей, в которых лежат аппроксимирующие осевые линии канавок аэродинамического профиля. Понятием соприкасающихся плоскостей, в которых лежат точки пересечения осей канавок и главных нормалей к осям канавок, оперируют применительно к сферическим винтовым линиям [5], определяющим конфигурацию канавок на опорах.
Очевидно, что угол а является значимым параметром процесса [2], поскольку при ионном травлении полусферической поверхности скорость травления, определяемая коэффициентом распыления материала, зависит от угла падения ионного потока. В этой точке сферической поверхности скорость травления определяется выражением vx = v cos j, где j — угол между направлением потока и нормалью к плоскости, касательной к сферической поверхности в данной точке, а v — скорость травления в точке, где j = 0°. Задавая угол наклона а оси вращения О1О2 опоры, совпадающей с ее осью симметрии, к направлению ионного потока, близкий к 90 , можно обеспечить условия, когда скорость травления максимальна у разъема полусферы и уменьшается по мере увеличения угла j, т. е. по мере смещения к полюсу опоры. Таким образом, ориентация опоры относительно оси ионного потока обусловливает формирование канавок переменной глубины в продольном направлении.
Полный аэродинамический профиль, состоящий из 10 спиральных канавок заданной конфигурации, можно выполнить с помощью трафарета в виде маски, плотно прилегающей к обрабатываемой сферической поверхности опоры [1]. В конструкции маски предусматрены соответствующие заданному профилю сквозные пазы. В качестве матери-
электрофизические и электрохимические методы обработки
ЧЕТАППООЕ
ала для маски выбирают сплав 40ХНЮ-ВИ, одноименный материалу опоры, т. е. сочетающийся с ним по теплофизическим свойствам. Геометрические характеристики маски, в частности толщины стенок и их соотношение у разъема и в зоне полюса опоры, также являются значимыми параметрами ионного травления, поскольку имеет место эффект различной степени экранирования обрабатываемой поверхности. Существенно расширить технологические возможности регулирования профиля, кроме выставки угла а и выбора определенной зависимости изменения толщины стенок маски, можно дополнительным регулированием характера взаимодействия ионного потока и обрабатываемой поверхности экраном, располагаемым в расчетной позиции между опорой и ионным источником [6]. При этом использование экрана можно определить как управляющий фактор ионной обработки, а условия его позиционирования — как значимые параметры.
На рис. 1 представлена схема ориентации опоры 1 с канавками 2 газодинамического подшипника относительно оси симметрии О3О4 ионного потока, когда плоскость, в которой лежит проекция обрабатываемой зоны опоры, перпендикулярна к указанной оси, т. е. ось симметрии О3О4 ионного потока перпендикулярна к плоскости чертежа. Угол наклона а оси вращения О1О2 опоры, совпадающей с ее осью симметрии, к направлению ионного потока (или к оси О3О4), выбран близким к 90 .
Опору 1 с маской 3, плотно прилегающей к наружной сферической поверхности опоры диаметром Б и имеющей прорези, задающие конфигурацию канавок 2 в виде сферических винтовых линий, закрепляют на приводе вращения. Ось симметрии О1О2 опоры 1 совпадает с ее осью вращения, вокруг которой опора вращается с угловой скоростью ю. Опору устанавливают таким образом, чтобы одна из соприкасающихся плоскостей, в которых лежат аппроксимирующие осевые линии канавок 2, была ориентирована параллельно оси О3О4 ионного потока [6]. Экран 4 и проекция плоскости, в которой лежит аппроксимирующая осевая линия канавки и которая ориентирована параллельно оси О3О4 ионного потока на плоскость, перпендикулярную к указанной оси, смещены на расстояние Ь = (0,15 - 0,35)Б
от геометрического центра Оц проекции обрабатываемой зоны опоры на плоскость, перпендикулярную к оси О3О4. Правомерность использования понятия соприкасающихся плоскостей обусловлена известными методиками преобразования для винтовой линии из сферической в декартову систему координат [5].
Можно считать, что проекция указанной соприкасающейся плоскости на плоскость, перпендикулярную к оси О3О4 ионного потока, будет представлять собой прямую линию. Проекции остальных соприкасающихся плоскостей будут этой линии параллельны, поскольку канавки 2 выполнены с наклоном под одинаковыми углами к плоскости разъема 5 опоры.
Модуль для ионно-плазменной обработки содержит в своей конструкции элементы для позиционирования прорезей маски 3 относительно опоры 1 и выставки экрана 4 с требуемым смещением Ь. Очевидно, что более эффективной является ориентация с размещением центра Оц на оси О3О4 ионного потока. Дополнительные элементы управления формированием канавок 2, имеющих переменную в продольном направлении глубину, определяются выполнением маски 3, имеющей прорези с монотонным увеличением толщины стенок в направлении от экваториальной плоскости разъема к полюсу опоры (рис. 1). Установлено, что при соотношении (где Ну — толщина
стенки маски в зоне экваториальной плоскости разъема 5 опоры; Й2 — толщина стенки в зоне, приближенной к полюсу), выбранном в диапазоне Й2/Н1 = 1,5 - 1,8, обеспечивается монотонный характер уменьшения глубины канавок от экваториальной плоскости разъема к полюсу опоры в пределах 2-5 мкм [2], тогда как использование только ориентации опоры позволяет получить профиль, меняющийся по синусоидальному закону. Очевидно, что глубина канавок в процессе ионного травления определяется скоростью травления, которая задается параметрами ионного источника и временем воздействия ионного потока на обрабатываемые участки (через прорези в маске 3) опоры 1. Для принятой схемы, когда имеет место вращение опоры с угловой скоростью ю относительно ионного потока, стенки маски в различной степени экранируют обрабатываемую зону, ограничивая время травления.
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
шдш
электрофизические и электрохимические методы обработки
На рис. 2 наглядно показано, как время, в течение которого происходит ионное травление конкретного участка опоры 1, зависит от толщины стенки маски в этом месте. Для участка (Б—Б)2 сечения Б—Б, соответствующего части канавки 2, приближенной к полюсу опоры, где толщина стенки маски составляет величину Л-2, травление начинается при углах в- и Р2 между осью ионного потока О3О4 и радиальными отрезками, определяющими границы канавки (или боковые стенки прорезей в маске 3). В то же время для участка (Б—Б)- у плоскости разъема опоры 1, где толщина стенок маски составляет к-, травление начинается при углах у- и 72. А поскольку к- < Т%2, что определяет соотношения в- < у-и Р2 < У2, то время травления участка (Б—Б)2 будет соответственно меньше, чем (Б—Б)- и, как следствие, глубина канавки у плоскости разъема будет больше, чем в области, смещенной к полюсной части опоры 1. Задавая изменение толщины стенки маски 3 по определенному закону, можно регулировать степень уменьшения глубины канавок 2 в направлении от плоскости разъема 3 к полюсу опоры 1. Значимым преимуществом предлагаемого тех-
(Б—Б)2
Вид А
Сечение Б—Б
(Б—Б)-
Рис. 2. Этапы формообразования канавок переменной глубины в продольном и поперечном сечениях:
1 — опора; 2 — обрабатываемая зона канавки аэродинамического профиля; 3 — маска; 4 — экран, определяющий зону ионно-плазменной обработки; 5 — ионный поток
нического решения по выполнению канавок аэродинамического профиля с канавками переменной глубины в продольном направлении является возможность компенсировать изменение скорости травления в зависимости от угла падения ионного потока, что весьма важно для сферы. Таким образом, маска, плотно прилегающая к сферической поверхности опоры, является элементом, обеспечивающим переменную глубину канавок аэродинамического профиля, причем в управлении указанной глубиной учтены все факторы, включая зависимость скорости ионного травления от угла падения ионного потока на обрабатываемую поверхность, что особо значимо для сферических изделий.
Одновременно с формированием канавок 2 переменной глубины в продольном направлении представленная на рис. 2 схема поясняет процесс выполнения этих канавок с глубиной, которая меняется и в поперечном сечении. Это обеспечивается размещением неподвижного экрана 4 перпендикулярно к оси О3О4 ионного потока 5 со смещением границы перекрытия ионного потока на расстояние Ь от геометрического центра Оц проекции обрабатываемой зоны опоры 1 на плоскость, перпендикулярную к оси О3О4 ионного потока. На рис. 2 обозначена проек-
гл *
ция Оц этого геометрического центра на плоскость, параллельную оси О3О4 ионного потока. Фактически для вида со стороны ионного источника (рис. -) совмещаются проекция соприкасающейся плоскости и граница экранирования ионного потока. Можно показать, что время ионной обработки для участка (Б—Б)- сечения Б—Б (при равной толщине к-стенок маски 3) определяется значениями углов в- и Р2 для положения обрабатываемой канавки 2 с одной стороны и угла Р-(-) для положения канавки с другой стороны оси О3О4 ионного потока 5, на которой лежит точка Оц*. При этом сам угол в1(1) определя-
МЕ
электрофизические и электрохимические методы обработки ши
ется размещением неподвижного экрана, т. е. расстоянием Ь.
Очевидно, что при р2 > Р1(1) (чт0 задается величиной V) травление в большей мере будет иметь место для участка канавки 2, обозначенного на рис. 2 углами р2 и р2(1), и в меньшей степени для участка канавки, определяемого углами р1 и Рщ).
Задавая смещение Ь, можно увеличивать или уменьшать время травления, управляя тем самым степенью кривизны переменного в поперечном сечении профиля канавок. При этом время ионного травления задается и толщиной стенок маски. Таким образом, характер изменения толщины стенок плотно прилегающей маски обеспечивает переменную глубину канавок аэродинамического профиля в продольном направлении, а совместное действие расположенного определенным образом неподвижного экрана и стенок маски — переменную глубину канавок в поперечном сечении.
Ионное травление осуществлялось с использованием источника ионов ИИ-4-0,15,
а)
в)
мкм 3 ■
2 .
1 -0 -1
-2
мкм 3
2
1
0
-1
-2 -3
д)
мкм 3
2
12 0
--12
имеющего следующие параметры: ионный ток I = 0,15 А, ускоряющее напряжение U = 4 кВ. Варьируемыми параметрами обработки являлись давление рабочего газа, аргона pAr (мм рт. ст.), и расстояние между ионным источником и обрабатываемой поверхностью l (мм). При pAr = 1,4 • 10-3 мм рт. ст. и l = 90 мм скорость травления сплава 40ХНЮ-ВИ (материал опоры газового подшипника) составила 0,9-1,1 мкм/ч. Шероховатость полученной поверхности Ra = 0,12 мкм, шероховатость базовой поверхности Rа = 0,14 мкм. Какие-либо краевые эффекты, искажающие полученный профиль, отсутствовали. После травления отклонение от круглости для сферической поверхности опоры не изменилось и составило 0,3-0,4 мкм. Реально отношение толщины маски в зоне экваториальной плоскости разъема к толщине в зоне полюса Н2/Нх = 1,5 - 1,8, минимальная толщина маски Ь,1 составила 1,1-1,3 от ширины канавки.
Практически зменение глубины канавки Н по ее длине l лежит в пределах 3,2-5,8 мкм и
б)
3 2 1 0 -1 -2
мкм 3
2 1 0 -1
-2 -3
г)
3 3
2 2
1 1
0 0
-1 -1
-2 -2
-3 -3
3 2 1
0 -01
-2
е) мкм 3
3 2 1 0 -1 -2 -3
3 2 1 0 -1 -2 -3
3 2 1 0 -1 -2
Рис. 3. Профили канавок в поперечном сечении
мкм
0
мета™Б1^ОТК)1
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
носит монотонный характер с погрешностью 0,2-0,3 мкм. Профиль поверхности опоры, шероховатость поверхности и глубину канавок определяли с помощью профилографа Та1увиг£ и кругломера Та1угоп^
На рис. 3 представлены профилограммы поперечных сечений канавок: рис. 3, а и б соответствуют наибольшей степени экранирования, когда смещение Ь составляет 0,15-0,20 от диаметра D опоры; рис. 3, в и г — среднему уровню экранирования (L = 0,30 - 0,35 от D); рис. 3, д и е — отсутствию экранирования. Кроме того, профилограммы на рис. 3, б, г и е соответствуют позициям вблизи плоскости разъема [участок (Б—Б)- сечения Б—Б (см. рис. 1)], где толщина стенки маски составляет Н-, а на рис. 3, а, в и д — участку (Б—Б)2 этого сечения, где толщина стенки маски составляет величину Ь,2- Из анализа и сравнения указанных профилограмм следует:
• варьирование угла наклона а оси симметрии обрабатываемых деталей относительно оси ионного потока позволяет сформировать канавки переменной глубины в продольном направлении (рис. 3, д и е), причем использование маски с различной толщиной стенок обеспечивает монотонный характер изменения этой глубины;
• совместное действие факторов различной толщины стенок маски и экранирование, т. е. регулирование такими параметрами, как изменение толщины стенок маски и степени экранирования ионного потока, обеспечивает переменную глубину канавок в поперечном сечении;
• задавая смещение Ь экрана, можно управлять степенью кривизны переменного в поперечном сечении профиля канавок (рис. 3, б и г);
• по мере увеличения угла между направлением потока и нормалью к плоскости, касательной к сферической поверхности в данной точке, т. е. по мере приближения к полюсной части опоры, уменьшается влияние экранирования на кривизну профиля канавки в поперечном сечении;
• важным элементом технологии является совмещение проекций на плоскость, перпендикулярную к оси ионного потока, плоскости, в которых лежит аппроксимирующая осевая линия одной из канавок, и внутренней по отношению к этой оси кромки экрана.
Основные выводы:
1) разработан комплекс технических решений по технологическому обеспечению ионно-плазменной обработки при формообразовании аэродинамического профиля на полусферических опорах газодинамического подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа;
2) определена оптимальная конфигурация канавок, выполненных в виде отрезков сферических винтовых линий, которая в наибольшей мере отвечает условиям функционирования газового подшипника и обеспечивает создание дополнительных эффектов, улучшающих эксплуатационные характеристики изделия;
3) выявлены управляющие факторы и значимые параметры ионного травления, обеспечивающие формирование канавок, имеющих заданную переменную глубину как в продольном, так и в поперечном сечении, и установлена взаимосвязь параметров, определяющая конфигурацию канавок;
4) приведены режимы ионно-плазменной обработки, обеспечивающие точность выполнения профиля на уровне десятых долей микрометра, и данные практического использования разработанной технологии, подтверждающие правомерность сформулированных исходных положений.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-08-31097.
Литература
1. Беляев С. Н., Щербак А. Г., Яковлева С. А. Методы формообразования аэродинамического профиля газового подшипника // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 5. С. 85-91.
2. Беляев С. Н., Щербак А. Г. Формирование профилированных функциональных элементов на прецизионных поверхностях узлов гироприборов методом ионного травления // Вопр. материаловедения. 2014. № 3 (79). С. 66-72.
3. Прецизионные газовые подшипники / И. Е. Си-пенков, А. Ю. Филиппов, Ю. Я. Болдырев [и др.] / Под ред. А. Ю. Филиппова, И. Е. Сипенкова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2007. 504 с.
4. Математическое моделирование ориентации деталей в процессе магнетронного напыления тонкопленочных покрытий на сферические поверхности / С. Д. Васильков, О. С. Юльметова, С. Н. Беляев, А. Г. Щербак // Металлообработка, 2014. № 1 (79). С. 13-16.
5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. 832 с.
6. Патент RU № 2 517 650. Способ изготовления газодинамического подшипника поплавкового гироскопа / С. Н. Беляев, А. Г. Щербак, О. С. Юльметова [и др.] Бюл. № 15. 27.05.2014.
