CC BY
9
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
УДК 629.7.036:621.373
Устройство для ионно-плазменной обработки прецизионных сферических узлов гироприборов
А. М. Фомичев, О. С. Юльметова, А. Г. Щербак, В. И. Новиков, Р. Ф. Юльметова
Описано устройство для прецизионного формообразования сферических изделий, в котором в качестве инструмента используются потоки высокоэнергетических частиц. Рассмотрены конструктивные особенности устройства для позиционирования и ориентации обрабатываемых деталей по заданной программе. Приведен пример получения методом катодно-ионной бомбардировки тонкопленочных покрытий на сферических узлах гироскопических приборов с точностью до сотых долей микрометра.
Ключевые слова: сферический ротор, модуль вращения, конденсатно-ионная бомбардировка, ориентация, позиционирование.
Развитие современного приборостроения во многом связано с разработкой качественно новых прогрессивных технологий изготовления высокоточных изделий, таких как электрофизические методы обработки, использующие в качестве инструмента потоки высокоэнергетических частиц. Наиболее эффективно это проявляется в отношении прецизионных узлов гироскопических приборов. Например, формообразование тонкопленочных функциональных покрытий на сферических роторах шаровых гироскопов методом катодно-ионной бомбардировки связано с требованием обеспечения точности изделия на уровне сотых долей микрометра, что практически невозможно при применении традиционных методов обработки. Очевидно, что для сферических деталей на первый план выходят проблемы позиционирования и перемещения обрабатываемого узла относительно ионного потока. Это определяет необходимость разработки технологических схем ориентации таких изделий и кинематики средств оснащения, входящих в состав оборудования, а также поиска технических решений по конфигурированию элементов фиксации для обеспечения требуемой точности процесса.
Объектом исследований являлся модуль вращения, входящий в комплекс средств оснащения установки для ионно-плазменной обработки и задающий требуемую ориентацию и позиционирование сферических изделий на примере роторов шаровых гироскопов, а также кинематические связи деталей и узлов модуля. Обработка при этом должна обеспечивать точность формообразования на уровне сотых долей микрометра.
Известно устройство для напыления тонкопленочных покрытий на сферический ротор электростатического гироскопа [1], в котором сферический ротор фиксируется двумя встреч-но-поджатыми игольчатыми упорами. Наклон оси вращения ротора к оси ионного потока материала изменяется из-за того, что один упор закреплен в неподвижном шарнире, а второй — в шарнире, смещенном от центра диска, вращающегося вокруг своей оси. В данном случае имеет место низкая точность получаемого покрытия, поскольку в процессе напыления циклически изменяется расстояние ротора как от источника ионов (мишени), так и от оси симметрии ионного потока.
Более широкие возможности по ориентации сферических деталей предусмотрены в установ-
ке для нанесения покрытий [2], в которой механизм вращения выполнен в виде двух подвижных рамок, установленных одна в другую в опорах с возможностью независимого вращения каждой рамки от своего электродвигателя. Электродвигатель внешней рамки неподвижно закреплен на корпусе камеры, а на внутренней рамке закреплены второй дополнительный электродвигатель и электродвигатель с закрепленной сферой, при включении которых напыляемая сфера начинает вращаться в рамках относительно трех координатных осей. Однако чрезмерная сложность конструкции устройства, связанная с его значительными габаритными размерами, приводит к экранированию поверхности детали, т. е. создает теневые эффекты и существенно ухудшает равномерность покрытия. Кроме того, такая схема неприемлема для получения формы сферического ротора с точностью в сотые доли микрометра вследствие сложности подбора и, главное, сохранения стабильности в процессе напыления частот вращения электродвигателей. Ограниченные возможности в части обработки полной сферической поверхности имеет также известное устройство для многопозиционного магнетронного напыления [3].
Цель работы — создание устройства для позиционирования, ориентации и перемещения по заданной программе сферических изделий при ионно-плазменной обработке с обеспечением геометрической точности на уровне сотых долей микрометра.
Для достижения поставленной цели необходимы:
• разработка структурной схемы и определение исходных условий компоновки механизмов устройства с учетом использования наиболее эффективных конструктивных элементов известных технических решений;
• разработка принципов функционирования и детализация кинематических связей узлов и элементов устройства;
• оценка соответствия особенностей функционирования устройства и характеристик обрабатываемой сферы.
Основным элементом устройства для ионно-плазменной обработки прецизионных сферических узлов, таких как ротор шарового гироскопа, является размещаемый в камере установки модуль вращения и ориентации обрабатываемых
сферических деталей, обеспечивающий их фиксацию и требуемые ориентацию и перемещение по отношению к ионному потоку. В качестве основных положений, определяющих конструктивное оформление модуля, можно принять:
• выявление взаимосвязи осей, ориентирующих и перемещающих ротор относительно ионного потока: оси диаметрально разнесенных игольчатых упоров, которые фиксируют ротор, основной оси вращения модуля с постоянной угловой скоростью и дополнительной оси поворота ротора с игольчатыми упорами на заданный угол относительно ионного потока;
• пересечение указанных осей в одной точке, совпадающей с геометрическим центром ротора при фиксированном положении основной оси;
• формирование кинематических связей узлов устройства, обеспечивающих изменение ориентации ротора относительно ионного потока за счет циклических поворотов ротора вокруг дополнительной оси на угол 360°/п, где п — целое число, с обеспечением не менее трех пространственно ориентированных в трехмерной системе координат последовательно меняющихся осей вращения ротора.
На рис. 1 представлен модуль вращения и ориентации для ионно-плазменной обработки прецизионных сферических узлов. Для наглядности обозначены оси трехмерной системы координат, где ось х соответствует направлению ионного потока 3, а ось г — основной оси О1О2 вращения модуля. Дополнительная ось О3О4 поворота ротора 1 ориентирована под углом а к основной оси О1О2 вращения модуля.
Модуль состоит из внутренней 4 и наружной 5 рамок, которые выполнены в виде концентричных полуколец. Наружная рамка 5 жестко связана с приводом вращения 6, закрепленным в камере установки, и посредством вала и цилиндрического шарнира с рамкой 4. На внутренней рамке 4 предусмотрены соосные игольчатые упоры 2, посредством которых в модуле фиксируется сферический ротор 1. Ось О5О6 игольчатых упоров 2 целесообразно совмещать с характерной осью ротора 1, например его динамической осью (осью вращения). Ориентация оси О5О6 относительно оси О1О2 постоянного вращения и оси О3О4 циклического поворота зависит от конкретных требований к ротору, например заданной переменной толщины покрытия относительно его динамической оси.
ЧЕТАППООЕ
Об
сгт
'О!
Рис. 1. Модуль вращения сферических изделий: 1 — ротор; 2 — игольчатые упоры; 3 — ионный поток; 4 и 5 — внутренняя и наружная рамки; 6 — привод вращения модуля; 7 — поворотно-шаговый механизм; 8 — стержень
Очевидным является расположение центра ротора 1 на оси однородного ионного потока 3, с учетом того что зона напыления должна превышать диаметр ротора, а длина игольчатых упоров 2 при вращении вокруг оси О1О2 — исключать экранирование ротора нижней частью рамок 4 и 5. Требуемое значение угла а задают посредством перемещения цилиндрического шарнира по наружной рамке 5. Практически это может быть реализовано, например, выполнением в полукольце наружной рамки 5 сквозного паза, в котором может перемещаться и жестко фиксироваться с помощью крепежных элементов указанный шарнир, являющийся опорным элементом для вала поворотно-шагового механизма 7. Это требует обеспечения концентричности полуколец наружной 5 и внутренней 4 рамок, поскольку таким образом при перемещении шарнира вдоль полукольца рамки 5 сохраняется условие пересечения осей О1О2, О3О4 и в одной точке — геометрическом центре 0 ротора 1, что является весьма важным для функционирования устройства.
Конкретное значение угла а определяется техническими требованиями к конфигурации
изделия. Соответственно исходя из решаемой задачи задают угол поворота р ротора 1 с рамкой 4 вокруг оси О3О4 посредством поворотно-шагового механизма, в состав которого входят зубчатое колесо и жестко зафиксированный на корпусе камеры установки стержень 8. Угол Р определяется конфигурацией зубчатого колеса и положением стержня 8, которые за счет зацепления зубьев колеса и стержня вызывают поворот рамки 4 на угол р после каждого оборота наружной рамки 5 вокруг оси 0102 на угол 360°. При этом циклический поворот на угол Р можно считать одномоментным. На рис. 1 представлен вариант для угла р, равного 90°.
Оптимальные соотношения углов а и р можно определить, исходя из общих положений теории напыления методом катодно-ионной бомбардировки и технических требований к формируемому покрытию. Можно показать (рис. 2), что после каждого нового поворота на 360° вокруг оси 0102 в результате поворота вокруг оси О3О4 у ротора 1 появляется новая (по отношению к телу ротора) ось вращения, совмещаемая на данный момент с осью О1О2. Определить эти оси вращения можно, обозначив вписанный в сферу ротора 1 многогранник, который для варианта поворота ротора вокруг оси О3О4 на 90° через каждые 360° поворота вокруг оси 0102 будет представлять собой правильную четырехгранную призму (рис. 2). Вершинами этой призмы являются точки е,
\ /V Ух ¿С ^ Хх \ / / \ // -V" \ \ \\ ё
О \\
е1 ■"О «
01
Рис. 2. Формирование осей вращения ротора, последовательно совмещаемых с осью О1О2: 1 — ротор; 2 — ионный поток; 3 и 4 — плоскости, определяющие точки пересечение осей вращения со сферой ротора
3
О 2
3
е
4
2
f, g, к и 61, /1, gl, Ъ-1, лежащие на окружностях, образованных пересечением плоскостей 3 и 4, перпендикулярных к оси О3О4 и равноудаленные от центра О ротора 1, со сферой ротора. При этом диагонали призмы egl, gel, к/1 и /к1 поочередно после каждого циклического поворота ротора 1 вокруг оси О3О4 совмещаются с осью О1О2, выполняя функцию новой оси вращения и задавая изменение ориентации участков поверхности ротора к ионному потоку 2. В общем случае число граней многогранника (и соответственно количество осей вращения) определяется зависимостью 360°/р.
Таким образом, в процессе напыления у ротора 1 последовательно меняются оси вращения относительно потока 2 напыляемого материала. А поскольку эти оси имеют пространственную ориентацию, то в целом ротор 1 вращается в трехмерной системе координат, причем ориентация участков ротора в этих координатах задается и регулируется изменением угла между осями постоянного и циклического вращения, а также углом циклического поворота ротора. Например, для куба при а = 45° и р = 90° все оси взаимно перпендикулярны. Конструкция реального модуля позволяет варьировать значения угла а в пределах 35°-80° и угла р в диапазоне 30°-90°, что позволило решить проблемы формирования на сферических роторах тонкопленочных покрытий хрома толщиной 300-600 А и износостойких покрытий нитрида титана толщиной 0,4-1,2 мкм. Точность сферы сохранялась на уровне отклонений, не превышающих 0,02-0,05 мкм, а значения дисбаланса составили не более сотых долей микрометра. Кроме того, экспериментальные исследования подтвердили возможность формирования на сферической поверхности тонкопленочного покрытия переменной толщины с монотонным характером изменения этой толщины в заданном направлении, что обеспечивается выбором соотношения углов а и р, а также ориентацией оси фиксации ротора игольчатыми упорами с получением конфигурации ротора в виде эллипсоида вращения расчетной формы.
Предлагаемое техническое решение существенно упрощает конструкцию модуля вращения по сравнению с известными устройствами, поскольку в нем используется только один внешний привод вращения ротора, а последователь-
ное изменение положения ротора в трехмерной системе координат задается поворотно-шаговым механизмом, который последовательно по заданной программе изменяет ориентацию осей вращения ротора относительно ионного потока. Функционирование поворотно-шагового механизма задается внешним приводом, а характер функционирования определяется выбором конструкции входящих узлов. Управляемыми параметрами устройства являются номинальные значения и соотношение углов ориентации основной и дополнительной осей вращения ротора. Это улучшает условия эксплуатации устройства и существенно расширяет технологические возможности для напыления тонкопленочных функциональных покрытий на сферические роторы шаровых гироскопов.
Выводы
1. Разработаны основные конструктивно-технологические элементы устройства для позиционирования, ориентации и перемещения по заданной программе сферических изделий при ионно-плазменной обработке.
2. Предложена структура кинематических связей узлов и элементов устройства с минимизацией внешних приводов перемещения и позиционирования деталей относительно ионного потока.
3. Определены возможности практического применения устройства при формообразовании прецизионных изделий с точностью до сотых долей микрометра.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-08-31 097.
Литература
1. Беляев С. Н., Щербак А. Г. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющих форму тел вращения // Материалы юбилейной X конф. молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ГНЦ РФ «ЦНИИ „Электроприбор"», 2009. С. 68-73.
2. Пат. РФ Ки № 2 038416, МПК С23С14/50.
3. 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.
