Использование плазменной и лучевой технологий для обработки узлов гироприборов

УДК 629.7.036:621.373

j v v V

Использование плазменной и лучевой технологии для обработки узлов гироприборов

А. М. Фомичев, О. С. Юльметова, А. Г. Щербак, В. И. Новиков

В работе рассматриваются преимущества комплексного применения плазменных и лучевых технологий — катодно-ионного напыления покрытия нитрида титана и последующего лазерного маркирования светоконтрастного рисунка на поверхности ротора, являющегося основным конструктивным элементом оптоэлектронной системы съема информации в бескарданном варианте электростатического гироскопа.

Ключевые слова: лазерное маркирование, сферический ротор, электростатический гироскоп.

Примером высокоточных, но трудоемких в изготовлении гироскопических изделий могут являться карданные и бескарданные электростатические гироскопы. Подобные приборы разработаны только в США, во Франции и в России. На сегодняшний день технические характеристики карданных и бескарданных элекстростатических гироскопов достигли такого уровня, что именно устройство списывания информации становится определяющим в плане их совершенствования и развития. В связи с этим совершенствование технологии изготовления ротора с применением пучковых технологий является актуальным.

Исследование системы списывания информации в бескарданном варианте электростатического гироскопа, который установлен на подвижное основание и имеет угол поворота, определяемый путем сопоставления информации, поступающей с шести оптических датчиков, размещенных вокруг вращающегося ротора, с калибровочной кривой, проводилось с использованием бериллиевого ротора (рис. 1), вращающегося в электростатическом поле со скоростью 180 тыс. об/мин и являющегося основным конструктивным элементом системы списывания.

Существующие способы формирования растровых рисунков на чувствительных элементах оптоэлектронных систем съема информации в гироскопических приборах традиционно базируются на применении методов

химического, электрохимического травления или механического формирования рисунка. К недостаткам применяемых методов следует отнести необходимость нарушения поверхностной целостности изделия, невысокую точность, низкую воспроизводимость и производительность процессов, высокая себестоимость.

Одним из перспективных способов нанесения функционального рисунка на поверхность ротора, как отмечено в работе [1], было признано лазерное маркирование. Однако дальнейшие исследования показали, что более прогрессивным способом является не непосредственное маркирование поверхности бериллиевого ротора, а маркирование поверхности предварительно напыленного на ротор покрытия. Предлагаемая схема обладает следующими преимуществами.

1. Глубина маркированного слоя рисунка не должна превышать 0,5-0,7 толщины покрытия [2], что позволяет реализовать механизм возвратной технологии, которая расширяет технологические возможности и повышает экономические показатели процесса изготовления роторов. Технология заключается в следующем. Наносят покрытие и маркируют рисунок толщиной 0,5-0,7 толщины покрытия. Если ротор не удовлетворяет техническим требованиям, покрытие с рисунком стравливают химическим способом без повреждения поверхности ротора. К техническим

МЕТШООШЮШ

\

Ф

Рис. 1. Общий вид бериллиевого ротора

требованиям, предъявляемым к роторам, относятся: геометрия ротора, нормируемая сотыми долями микрометра; шероховатость поверхности (Яа < 0,09 мкм); контрастность рисунка и ее неравномерность; дисбаланс и т. д. Итак, ротор должен удовлетворять целому комплексу различных характеристик (оптических, геометрических, динамических).

2. Маркирование покрытия нитрида титана позволяет управлять цветовой гаммой ротора в более широком цветовом спектре, что позволяет регулировать контрастность в более широких пределах (рис. 2). Возможность управления контрастности позволяет использовать предлагаемую технологию для изготовления роторов разных гироскопов. Так, для ротора с

карданным вариантом контрастность рисунка, определяемая нормированной разностью коэффициентов отражения поверхности покрытия и рисунка, составляет не менее 0,6. Для бескарданного варианта используются роторы с контрастностью рисунка от 0,5.

3. Процесс напыления позволяет управлять оптическими характеристиками самой подложки, ведь, как известно, цветовая гамма нитрида титана может изменяться от соломенного до темно-коричневого. Изменение цветовой гаммы объясняется различным содержанием азота — чем меньше азота в камере при напылении, тем светлее поверхность ротора. Содержание азота, в свою очередь, определяет электрофизические свойства поверхности ротора, что является предметом отдельных исследований.

4. Покрытие нитрида титана повышает износостойкость поверхности ротора, что оказывает положительное влияние на работу системы и важно при аварийных остановах ротора.

5. При маркировании покрытия нитрида титана нанесение рисунка требуемой контрастности можно осуществить путем поверхностного локального окисления, не вызывая испарения и не изменяя тем самым геометрических и динамических характеристик ротора, в то время как маркирование поверхности бериллия требует испарения поверхностного слоя материала для изменения ее шероховатости в целях обеспечения требуемого уровня контрастности.

Таким образом, комплексное использование плазменной и лучевой технологий — вакуум-

б)

Рис. 2. Маркированные поверхности бериллиевых пластин: а — с покрытием нитрида титана; б — без покрытия нитрида титана

Оптимальный режим напыления покрытия нитрида титана

№ режима Давление азота, мм рт. ст. Выходное напряжение генератора, В Ток дуги, А Общее время напыления, мин Толщина покрытия, мкм

1 1,2 • 10-3 140 0,6

2 1,2 • 10-3 200 85 30 1

3 1,4 • 10-3 200 0,8

ного напыления и лазерного маркирования — позволяет улучшить технологические и экономические аспекты изготовления ротора, сделать технологию более гибкой, открывает ряд новых параметров варьирования как оптических, так и электрофизических.

В рамках исследований напыление покрытия нитрида титана на роторы было осуществлено методом катодно-ионной бомбардировки на установке «Булат-6» с применением специализированной оснастки. Использованный режим напыления представлен в таблице.

Эксперименты показали, что именно режим № 1 позволяет осуществлять напыление покрытия нитрида титана толщиной 0,6 мкм, обеспечивая сохранность геометрии и формы ротора.

Роторы маркировали на установке «Мини-маркер 2-М20» с использованием вращателя ПВ60М и специализированной оснастки для позиционирования и маркировки [3]. Оснастка и вращатель позволяют наносить на ротор рисунок сложной конфигурации, который представляет собой восемь полос, равнораспреде-ленных по экватору сферического ротора диаметром 10 мм, находящихся под углом 22°

Рис. 3. Растровые полосы на поверхности ротора

к экваториальной линии. Характерный фрагмент рисунка на поверхности ротора представлен на рис. 3.

Оптимальный режим маркирования покрытия нитрида титана

Мощность, % от 20 Вт..............25

Скорость, мм/с....................85

Плотность заливки, лин./мм . . . . 250

Частота следования импульсов, кГц 99

Длительность импульсов, нс . . . . 4

Количество проходов..............4

Основные требования к нанесенному рисунку следующие: контрастность, определяемая нормированной разностью коэффициентов отражения базовой поверхности покрытия нитрида титана и маркированного рисунка, которая не должна превышать 0,5; сохранность шероховатости и формы ротора после нанесения рисунка.

На рис. 4 представлена профилограмма шероховатости поверхности ротора в зоне перехода с поверхности покрытия на поверхность рисунка. Как видно из рис. 4, в зоне переходов с покрытия на поверхность рисунка и обратно не наблюдается всплесков и ступеней, что свидетельствует о том, что выбранные режимы не вызывают сильного испарения материала при маркировании.

Разработанная технология комбинированного применения вакуумного напыления покрытия и лазерного маркирования рисунка на поверхности ротора позволила изготовить ротор, удовлетворяющий требованиям чертежа. Процедура стравливания покрытия показала, что глубина рисунка, выполненного на оптимальном режиме, не превышает толщины покрытия нитрида титана, что делает технологию нанесения рисунка по поверхности покрытия возвратной.

Не менее важной характеристикой рисунка является его адгезионная стойкость. Сравнительную оценку адгезионных свойств

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

Рис. 4. Профилограмма шероховатости поверхности ротора

покрытия в зоне лазерного маркирования производили посредством испытания образцов в ультразвуковой ванне, где рабочей средой являлась дистиллированная вода. Возникающие при этом кавитационные воздействия были равнозначны как для покрытия нитрида титана, так и для маркированной поверхности, что определяет объективность данной методики контроля.

Методика испытаний бериллиевых образцов с покрытием нитрида титана, на котором были выполнены метки лазерным маркированием, заключалась в следующем. Образцы помещали в ультразвуковую ванну, заполненную дистиллированной водой, и подогревали до 45 °С для более жестких условий испытаний. Посредством ультразвукового генератора осуществляли механическое воздействие на образцы сил кавитации при частоте 50-60 Гц. Каждые 10 мин производили визуальный контроль поверхности образцов, включая нитрид титана и зону маркировки.

Эксперименты, проведенные по описанной методике, показали, что уровень адгезии рисунка не уступает уровню адгезии покрытия.

Выводы

1. Повышение экономичности изготовления гироскопических приборов может быть достигнуто разработкой качественно новых прогрессивных технологий их производства, например плазменных и лучевых методов

бездеформационного формообразования, использующих в качестве инструмента потоки высокоэнергетических частиц (пучковые технологии): светолучевая (лазерная) и ионно-вакуумная обработки.

2. В работе представлены преимущества комбинированного использования технологии вакуумного напыления и лазерного маркирования как метода формирования растрового рисунка на поверхности узла, являющегося важнейшим элементом оптоэлектронной системы съема информации, и выявлены режимы катодно-ионного напыления и лазерного маркирования рисунка, обеспечивающие требуемые уровени адгезии, контрастности (0,5), а также сохранность формы узла и возможность многократного использования ротора.

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

Литература

1. Юльметова О. С., Щербак А. Г. Исследование процесса формирования светоконтрастного растра посредством лазерного маркирования. // Науч.-техн. вестн. ИТМО. 2010. № 05(69). С. 28-34.

2. Пат. Ки 2498224. Способ изготовления ротора электростатического гироскопа / О. С. Юльметова, А. Г. Щербак, Б. Е. Ландау [и др.] / Опубликован 10.11.2013 г.

3. Мухаметов Р. М., Юльметова О. С. Разработка средств технологического оснащения для лазерного маркирования сферических деталей: сб. докл. V сессии научной школы «Проблемы механики и точности в приборостроении» IX Всерос. межвуз. конф. молодых ученых. Вып. 1. СПб: НИУ ИТМО, 2012. С. 85.