Математическое моделирование ориентации деталей в процессе магнетронного напыления тонкопленочных покрытий на сферические поверхности

ШШШШША

УДК 629.7.036:621.373

Математическое моделирование ориентации деталей в процессе магнетронного напыления тонкопленочных покрытий на сферические поверхности

С. Н. Беляев, С. Д. Васильков, А. Г. Щербак, О. С. Юльметова

Приведены результаты работ по созданию средств технологического оснащения для напыления функциональных покрытий на сферические поверхности прецизионных узлов, включая конструктивные особенности многопозиционного устройства установки магнетронного напыления. Представлены математическая модель и методика расчета процесса позиционирования и ориентации напыляемых деталей.

Ключевые слова: магнетронное напыление, нитрид титана, эллиптическая и кольцевая траектория, гироскопические приборы.

Введение

В технологии изготовления узлов гиропри-боров важной операцией является формирование на выполненных с точностью в десятые доли микрометра прецизионных поверхностях различного рода функциональных покрытий, например формирование на деталях газодинамического подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа (ДПГ) износостойкого покрытия нитрида титана Т1Ы, наиболее эффективным методом получения которого является магнетронное напыление. Точность гироскопа и стабильность его технических характеристик напрямую зависят от геометрии и качества рабочих поверхностей деталей подшипников, что определяет актуальность создания технологии получения покрытия Т1Ы с идентичными свойствами и размерными параметрами на уровне десятых и сотых долей микрометра на рабочих поверхностях всего комплекта деталей подшипников, используемых в одном изделии. Это может быть решено созданием технологии многопозион-ного напыления, обеспечивающей напыление партии деталей за один цикл, т. е. в строго равнозначных условиях формирования покрытия для всего комплекта обрабатываемых узлов.

Объект исследований, цель и постановка задач

Объектом исследований являлись узлы газодинамического подшипника ДПГ с учетом того, что формируемое на рабочих полусферических поверхностях опор и фланцев покрытие Т1Ы должно иметь одинаковые свойства и размерные параметры для входящего в изделие комплекта, включающего две опоры и два фланца.

Известные технические решения [1], в которых для многопозиционного напыления предусмотрено размещение в вакуумной камере не менее двух распылителей-мишеней, не позволяют обеспечить требуемое качество покрытия вследствие возможной неоднородности потока материала от различных распылителей и сложности конфигурации устройств.

В установке для многопозиционного маг-нетронного напыления на детали, имеющие форму тела вращения [2], с ориентацией их в кольцевой зоне потока испаряемого материала, для повышения равномерности покрытия предусмотрен наклон оси вращения деталей к оси симметрии потока, что приводит к образованию эллиптической траектории перемещения деталей относительно плоскости, перпендикулярной к этой оси симметрии.

№ 1(79)/2014

¡3

ИАбштка

Очевидно, что указанная траектория должна находиться в пределах кольцевой зоны потока, испаряемого с мишени материала. Однако в данном случае угол наклона ограничен шириной кольцевой зоны потока, испаряемого с мишени материала, поскольку выход траектории перемещения деталей за пределы этой зоны недопустим. Это вносит неопределенность и сужает технологические возможности процесса напыления, а также не позволяет обеспечить требования по точности на уровне десятых и сотых долей микрометра.

Целью работы являлось создание средств технологического обеспечения, позволяющих комплексно решить проблемы формирования тонкопленочных покрытий на прецизионных узлах гироскопических приборов с созданием максимально равнозначных условий напыления для всех деталей комплекта за один технологический цикл многопозиционного напыления.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• разработка технологической схемы процесса магнетронного напыления и определение конструктивных особенностей многопозиционного устройства;

• математическое моделирование и создание методики расчета позиционирования и ориентации напыляемых деталей;

• выявление совокупности значимых факторов процесса многопозиционного напыления и их взаимосвязи.

Технологическая схема и математическое моделирование процесса многопозиционного напыления

Основным направлением исследований при создании технологии многопозиционного напыления являлась разработка конструктивных элементов устройства, обеспечивающих расширение диапазона варьирования углами наклона деталей к оси потока напыляемого материала за счет преобразования эллиптической траектории перемещения деталей относительно плоскости, перпендикулярной к оси симметрии этого потока, в круговую траекторию, лежащую в пределах кольцевой зоны этого потока.

При этом были сформулированы следующие исходные условия и положения:

• использование многопозиционного модуля с приводом вращения карусельного типа и обеспечением дополнительного автономного вращения каждой детали вокруг своей оси, причем направления вращения модуля и деталей противоположны;

• определение в качестве значимых параметров процесса напыления, таких как угол наклона деталей к оси потока материала, соотношение угловых скоростей вращения модуля и деталей вокруг своей оси, диаметр кольцевой зоны потока напыляемого материала и диаметр окружности, на которой располагаются детали, при условии их симметричного размещения относительно оси вращения модуля.

Наиболее наглядно рассматриваемую технологическую схему можно представить, используя средства математического моделирования.

Напыляемые детали 1 (полусферические опоры и фланцы подшипника ДПГ) жестко фиксируются в держателях 2, закрепленных на концах штоков 3, которые размещены с равным угловым шагом на окружности диаметром Бш, центр О* которой лежит на оси вращения О-О2 модуля 4 (рис.). Модуль содержит элементы редукции, задающие синхронное вращение штоков 3 с одинаковой угловой скоростью а>1. Ось О1О2 ориентируют под углом а к оси симметрии О3О4 кольцевого потока распыляемого материала 5. Угол а обусловлен конкретными требованиями к формируемому покрытию.

При повороте на угол а в проекции на плоскость, перпендикулярную к оси О3О4, окружность диаметра Бш, на которой размещены штоки 3, трансформируется в эллиптическую по отношению к этой плоскости траекторию 6 перемещения позиций штоков 3.

Кинематическая схема, когда при перемещении штоков 3 по эллиптической траектории 6 детали 1 перемещаются по кольцевой (в проекции на плоскость, перпендикулярную к оси О3О4) траектории 7, совпадающей с окружностью диаметром была реализована посредством выполнения держателей 2 в виде консольных элементов, обеспечивающих смещение на величину Ь геометрического центра каждой детали относительно оси своего штока [3]. При очевидной зависимости

И4

№ 1(79)/2014

ме^ллообраОтка

Рис. Основные элементы устройства для многопозиционного напыления

фш8т а < Бм < диаметра от диаметра Бм потока 5 и угла а, устанавливающей диапазоны значений и а, можно обозначить условия, которые определяются взаимосвязью диаметра и смещения Ь с углом а,

Kx -

D + L

cos у;

Ky -

DM + L sin а

sin у,

D0 / L - 2(1 + sin а) /(1 - sin а),

а также соотношением угловых скоростей разнонаправленного вращения о>1 и Ш2 штоков 3 и модуля 4 соответственно:

он - — 1 2 2

Указанное соотношение обеспечивает при повороте модуля 4 на 90° поворот штока 3 с консольными элементами и деталями 1 на 180 ° и, как следствие, определяет расположение деталей 1 и штоков 3 в требуемых позициях для большой и малой осей эллипса траектории 7 (рисунок).

Можно показать, что при любом угле у

поворота модуля 4 поворот держателя 2 произойдет на угол 2у (так как о>1 - — а>2). При

2

этом штоки 3 будут находиться на эллиптической траектории 6, а детали 1 — на круговой траектории 7, что следует из представления координат позиций штока K с помощью выражений, которые по определению являются параметрическими уравнениями эллипса (ось X совмещена с большой, а ось Y - с малой осью эллипса траектории 6):

а соответствующих координат позиций детали Д в виде зависимостей, которые являются уравнениями окружности

Дх -

-D„ - L

cos у - L cos у -

Ду -

1

- ^ у;

Dм - L sin а

sin у +

+ L sin а sin у - — Dм sin у.

На представленной схеме рассматриваются четыре позиции напыления, причем для одной пары противолежащих штоков, расположенных на большой оси эллиптической траектории, их перемещение и направление смещения задаются величиной Ь к центру эллипса, а для второй пары противолежащих штоков, расположенных на малой оси этой траектории, — в сторону, противоположную центру указанного эллипса. В общем виде число позиций напыления должно быть кратно четырем и ограничивается соотношением габаритных размеров деталей и устройства, что можно определить условием

№ 1 (79)/2014

Иг

ИАбштка

n < 180o /arcsin

Значимыми параметрами расчета процесса напыления в части ориентации и исходного позиционирования деталей являются углы а и у, диаметры DM и D0, а также смещение L.

На четырех комплектах деталей (8 позиций напыления, т. е. число штоков равно 8) было получено покрытие толщинами от 1,2 до 2,4 мкм как с допустимым отклонением по толщине на уровне 0,05 мкм, так и с заданной монотонно меняющейся толщиной в пределах изменения толщины на 0,1-0,4 мкм. При этом испытания показали полную идентичность свойств и структурных характеристик покрытия на всех напыляемых за один цикл деталях.

Заключение

Предлагаемое устройство обеспечивает процесс многопозиционного магнетронного напыления тонкопленочных покрытий на прецизионные детали за счет конструктивного

оформления и компоновки элементов напы-лительного модуля.

Рассматриваемая конструкция предназначена преимущественно для напыления покрытий на прецизионные детали изделий точного приборостроения, в частности гироскопических приборов. Предлагаемая установка была опробована при изготовлении опор и фланцев газодинамического подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа для формирования на их полусферических рабочих поверхностях тонкопленочного износостойкого покрытия нитрида титана.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-08-31097.

Литература

1. Пат. РФ Ии № 2214477, МПК С23С14/35, С23С14/38, 17.01.2002 г.

2. Беляев С. Н., Щербак А. Г. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющие форму тел вращения // Материалы X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ГНЦ РФ—ЦНИИ «Электроприбор», 2009.

3. Заявка № 201238783/02, МПК С23С14/50, В05С13/00. Установка для напыления покрытий на прецизионные детали узлов гироприборов / С. Н. Беляев, А. Г. Щербак, С. А. Яковлева [и др.]. Решение о выдаче патента от 14.10.2013 г.

№ 1(79)/2014