Особенности формирования регулярного микрорельефа на рабочих поверхностях плоских упругих чувствительных элементов электромеханических датчиков

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕГУЛЯРНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ПЛОСКИХ УПРУГИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ А.Ю. Буданова, Д.Н. Кокшаров Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Л. Ткалич

Показана особенность формирования микрогеометрии поверхностного слоя плоских упругих чувствительных элементов, что ведет к совокупному улучшению эксплутационных свойств этих устройств.

Введение

Технологии изготовления упругих элементов (УЭ) разнообразны и определяются конструкцией, назначением и материалом УЭ, а также техническими требованиями [1]. Производство современных конструкций определяется технологиями изготовления данных изделий. Поэтому важной задачей производства на сегодняшний день является этап изготовления УЭ. Ниже приведен ряд современных технологических процессов изготовления УЭ:

• технология прецизионного изготовления упругих элементов балочного типа методом электрохимико-механического полирования в деталях из труднообрабатываемых материалов;

• технология высокопрочного неразъемного соединения деталей из щелочных стекол с деталями из кремния в электростатическом поле высокого напряжения;

• технология прецизионной электроискровой обработки непрофилированным электродом - инструментом сложных закрытых профилей в деталях из труднообрабатываемых материалов;

• технология прецизионного размерного формообразования методом химического травления сложноконтурных сквозных пазов и упругих перемычек чувствительных элементов из кварцевого стекла;

• технология размерной обработки кремния для создания чувствительных элементов датчиков механических величин.

С целью повышения надежности, сокращения длительности приработки, замены дорогостоящих материалов на конструкционные элементы, сокращения трудоемкости изготовления деталей повышенной точности и долговечности и т.п. на поверхности контакт-деталей магнитных контактов (МК) предлагается наносить регулярный микрорельеф (РМР). Наиболее совершенным методом образования РМР является метод вибрационного накатывания профессора Ю.Г. Шнейдера.

Способ образования регулярных микрорельефов вибронакатыванием

и его особенности

Регулярность формы, размеров и взаиморасположения неровностей поверхностей с РМР предоставляет возможность практически впервые аналитически их рассчитывать как функцию различных эксплуатационных свойств, т.е. перейти к расчетному нормированию геометрических параметров микрорельефа поверхностей УЧЭ [1-3].

Принципиальная схема прокатки и параметры режима вибронакатывания цилиндрических прокатных валков приведены на рис. 1. Деформирующим элементом при вибронакатывании валков может быть шар, алмазный наконечник или валик с нанесенным на нем негативным (выпуклым) РМР [3].

Особенности регулярных микрорельефов, создаваемых способом вибронакатывания, заключаются в следующем [3]:

• микрорельеф вибронакатанной поверхности образуется как след движения участка деформирующего элемента, контактирующего с обрабатываемой поверхностью;

• благоприятная практически для всех условий эксплуатации форма неровностей регулярных микрорельефов, характеризуемая пологой формой выступов и впадин с радиусами на 1-2 порядка большими, чем при других видах обработки, и соответственно, большей величиной опорной поверхности как исходной после вибронакатывания, так и в приработочный период;

• усложненная кинематика процесса вибронакатывания и большое число регулируемых параметров его режима позволяют весьма тонко и в больших пределах варьировать значения большого числа параметров создаваемого регулярного микрорельефа, в том числе таких, как число выступов и впадин на единице площади, фактическая площадь поверхности и длина профиля, радиусы закруглений впадин и выступов и т.д.;

• возможность независимого регулирования параметров режима вибронакатывания и отсутствие жесткой их связи с параметрами регулярного микрорельефа позволяют управлять формой и взаиморасположением его элементов;

• способ позволяет управлять такими параметрами поверхности, а следовательно, и контакта поверхностей, как фактическая его площадь и фактическая площадь контакта, и создавать высокочистые поверхности достаточной смачиваемости, а также исключать явления молекулярного сцепления, адгезии, фреттинг-коррозии;

а) б)

Рис. 1. Схемы вибронакатывания поверхности прокатных валков (а) и рабочей поверхности плоских УЧЭ (б): п3 - число оборотов заготовки; п дв.х. - число осцилляций инструмента (шарика); Бпр - продольная подача; Бпоп - поперечная подача; Р -усилие вдавливания деформирующего инструмента; пв - число оборотов прокатных валков

• строгая кинематическая связь между параметрами режима процесса вибронакатывания и параметрами регулярного микрорельефа определяет возможность расчетного нормирования, технологического обеспечения и безаппаратного контроля поверхностей с регулярным микрорельефом;

• универсальность и возможность управления фактически всеми параметрами и характеристиками поверхностей с регулярным микрорельефом характеризуют способ вибронакатывания как инструмент для исследования и выявления взаимосвязей огромного многообразия эксплуатационных свойств поверхностей с их микрогеометрией.

Анализ сущности и особенностей регулярных микрорельефов свидетельствует о том, что практически все недостатки, свойственные шероховатым поверхностям деталей УЧЭ, при создании регулярных микрорельефов исключаются.

Регулярные микрорельефы могут быть разделены на две группы (рис. 2) [1,3]:

• с системой регулярно расположенных канавок, между которыми остаются участки исходной поверхности (рис. 2а, б, в);

• с полностью новым регулярный микрорельефом (ПРМР) поверхности (рис. 2г, д), ГОСТ 24775-81.

ПРМР могут иметь гексагональные и тетрагональные выпуклости. Для смены вида РМР рабочей поверхности УЧЭ необходимо менять сами валки, образуя на них различный РМР с помощью сферической виброголовки, за счет смены параметров режима вибронакатывания.

В работе [4] приведены профилограммы и фотографии поверхности КС с ПРМР для геркона типа КЭМ-1. Оптимальным для геркона является создание на поверхности УЧЭ ПРМР четвертого вида. Как показали расчеты, наилучшего качества спая УЧЭ с герметизированным баллоном можно добиться при формировании гексагонального выпуклого ПРМР поверхности УЧЭ [4].

Достоинством проведенного нормирования качества поверхности КС герконов на основании экспериментальных исследований является выявление одновременно с оптимальными значениями параметров микрорельефа условий и режима технологического его обеспечения.

В результате экспериментального исследования и расчетов были установлены следующие оптимальные значения параметров микрорельефа плоских КС герконов: радиус выступов 280 мкм, число выступов на 1 мм2 - 10. Этим параметрам соответствуют следующие параметры режима вибронакатывания: при вибронакатывании валков шаром, в целям создания вогнутого ПРМР: число осцилляций инструмента 1400 1/мин, амплитуда осцилляций 2 мм, скорость поперечной подачи 120 мм/с, диаметр шара 4 мм; при вибронакатывании прокатным валком: скорость прокатки 20 м/мин, диаметр валков 40 мм, ширина бочки 60 мм.

Конструкторско-технологическое решение, найденное в результате этих исследований, защищено свидетельством [5].

Рис. 2. Схемы и профиллограммы поверхностей с системами канавок

Заключение

Способ вибронакатывания позволяет получить оптимальную регулярную микрогеометрию и упрочненный приповерхностный слой материала УЧЭ, что ведет к совокупному улучшению эксплутационных свойств этих элементов. Кроме того, предложенная установка позволяет за одну технологическую операцию вибропрокатки в валках формировать макро- и микрогеометрию УЧЭ коммутационного устройства.

Литература

1. ГОСТ 24773-81. Поверхности с регулярным микрорельефом.

2. Ткалич В.Л., Михеева О.Д. Построение математических моделей присоединенных масс упругих элементов устройств автоматики. / Материалы Всероссийской научной конференции (Computer-Based Conference) «Методы и средства измерений», раздел «Мат. модели и численное моделирование измерительных приборов и датчиков», Нижний Новгород, 2000. 15 с.

3. Ткалич В.Л., Михеева О.Д., Железков В.В. Исследование динамики плоских УЧЭ устройств АСУ. / Материалы Всероссийской научной конференции (Computer-Based Conference) «Методы и средства измерений», раздел «Мат. модели и численное моделирование измерительных приборов и датчиков», Нижний Новгород, 2000. 14 с.

4. Ткалич В.Л. Разработка и исследование методов повышения надежности герконов и иреле на их основе. / Автореферат дис. на соискание степендии кандидата технических наук. ЛИТМО, Санкт-Петербург, 1994. 20 с.

5. Ткалич В.Л., Беккер Я.М., Фролкова Е.Г., Шнейдер Ю.Г. Потапов А.И. Магнито-управляемый контакт. Положительное решение на выдачу патента РСФСР по заявке № 5054669/07, 27.07.93. 2 с.