Повышение эффективности размерной и поверхностной обработки деталей и инструмента за счет применения источников пучков быстрых нейтральных молекул

Большой проблемой в современном машиностроении является создание профилированных углублений (пазов) с требуемыми параметрами качества на плоских поверхностях изделий, изготовленных из сверхтвердых керамических материалов.

Одним из основных элементов бесконтактного торцового уплотнения вала компрессора является кольцо, имеющее на своей плоской рабочей поверхности газодинамические канавки (каналы) [1−5]. Профилированные канавки работают на эффекте использования вязких свойств газа. При перемещении поверхностей друг относительно друга, канавки обеспечивают нагнетание газовой среды и повышение давления в зазоре между поверхностями колец, а это приводит к их устойчивому разделению. Несущая способность газового слоя сильно зависит от формы (очертаний) и точности изготовления газодинамических канавок [6−8]. Допуски на отклонение размеров такого профиля по глубине, как правило, не превышают ~ (5−10) % от номинальных значений, которые для глубины канавок составляют от нескольких единиц до нескольких десятков микрометров.

Создание в «сухих» газовых уплотнениях (СГУ) сверхмалых рабочих зазоров ~ 10 мкм и наличие в них сухого трения в момент пуска и остановки требует выбора соответствующего материала для их изготовления. Применяемые для создания вращающихся колец уплотнений с газовой смазкой материалы (оксид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния) обладают повышенной твердостью и стойкостью к агрессивным средам. Поэтому механические и химические (жидкостные) методы формирования канавок с заданной конфигурацией малоэффективны. В настоящее время широко используют новые высокоэффективные технологии обработки, такие как электроэрозионная, электроннолучевая, ионно-лучевая, лазерная, а также обработка быстрыми нейтральными атомами и молекулами. В отличие от методов механической лезвийной обработки они базируются на иных физических механизмах диспергирования материала заготовки, позволяющих без износа инструмента обрабатывать любой материал независимо от его механических свойств.

Для изготовления газодинамических канавок на поверхности подвижного уплотнительного кольца из керамики можно использовать технологию «сухого» физического травления [9−10] через прорези (окна) в маске. В этом случае поверхностные атомы обрабатываемого материала выбиваются с поверхности под воздействием налетающего на нее потока ионов или быстрых атомов.

Для распыления диэлектрической поверхности необходим источник пучка ионов или быстрых нейтральных атомов с поперечным сечением, превышающим ее размеры. Сечение пучка известных ионных источников с термоэмиссионными катодами [11−12] позволяет обрабатывать металлические поверхности диаметром до 500 мм. Однако при травлении диэлектрической поверхности осаждение на катодах и других электродах такого источника пленок диэлектрического материала, поступающего в него через ускоряющие сетки, сразу приводит к выходу источника из строя. Осаждение диэлектрических пленок на эмиссионной сетке и холодном полом катоде источника быстрых нейтральных атомов и молекул также приводит к выходу его из строя. Пленки вызывают пробои между этими электродами и плазменным эмиттером источника, следующие друг за другом с высокой частотой, и приводят к выходу из строя системы дугозащиты источников электропитания.

Таким образом, разработка и исследование новых принципов и технологий изготовления фасонных канавок с требуемыми параметрами качества и в установленном производственной программой количестве на плоских поверхностях изделий машиностроения из керамических материалов с помощью источников быстрых нейтральных атомов и молекул является актуальной задачей. Кроме того, технологии обработки такими источниками можно использовать не только для размерной, но и для поверхностной обработки режущих инструментов из различных материалов, например, ионной химико-термической обработки, нанесения покрытий и комбинированной обработки инструмента, включающей предварительное упрочнение его поверхностного слоя и последующее осаждение на него сверхтвердого покрытия.

Цель работы заключается в повышении эффективности травления канавок различного профиля в деталях из керамических материалов и поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов на основе разработки и применения источника быстрых нейтральных атомов и молекул и выбора рациональных условий обработки.

Научная новизна состоит в:

— разработанных и экспериментально подтвержденных принципах физического травления газодинамических канавок различного профиля в деталях из керамических (диэлектрических) материалов с использованием источника быстрых нейтральных атомов аргона, обеспечивающего создание профилированных углублений глубиной более 0,02 мм с требуемыми показателями качества;

— установленных взаимосвязях между показателями качества фасонных газодинамических канавок на плоской торцовой поверхности изделий, изготовленных из сверхтвердых диэлектрических материалов, и технологическими режимами процесса травления — энергией ускоренных нейтральных частиц, их эквивалентным током и расстоянием от эмиссионной сетки источника до подложки.

Практическая ценность работы заключается в:

— разработанной конструкции источника широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул, способного длительное время распылять диэлектрические материалы и получать пучки быстрых молекул химически активных газовразработанной технологии изготовления спиральных газодинамических канавок на поверхности подвижного уплотнительного кольца из а-корунда глубиной до 20±0,5 мкм, с шероховатостью Яа ~ 0,4 мкмразработанной технологии комбинированной обработки инструмента, включающей предварительное азотирование и последующее осаждение сверхтвердого покрытия с нагревом инструмента пучком быстрых нейтральных молекул в плазме, получаемой ионизацией газа в камере быстрыми молекулами. В результате такой обработки не происходит увеличения радиуса округления режущей кромки по сравнению со значением данного параметра, достигаемого при использовании традиционных технологий, предусматривающих нагрев инструмента ионами из плазмы, ускоренными подаваемым на инструмент отрицательным напряжением.

Первая глава содержит обзор литературных данных по источникам широких пучков ионов и быстрых нейтральных атомов, используемых для травления спиральных газодинамических канавок в керамических кольцах и азотирования режущих инструментов из быстрорежущей стали.

Во второй главе представлено оборудование, используемое для проведения экспериментальных исследований в соответствие с целями и задачами работы.

В третьей главе представлены результаты измерений пространственного распределения скорости травления металлов в камере с помощью источника без секционирования электродов, который формирует пучок диаметром ~ 200 мм с током до 0,8 А быстрых атомов аргона с энергией до 4 кэВ.

Четвертая глава посвящена исследованию травления с требуемыми параметрами качества образцов из диэлектрических материалов с помощью источников быстрых нейтральных атомов и молекул с секционированными электродами. Представлены результаты разработки технология травления газодинамических канавок на плоских поверхностях колец торцовых уплотнений компрессоров, изготовленных из а-корунда (А1203).

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. С помощью источника быстрых нейтральных атомов и молекул можно изготавливать спиральные газодинамические канавки на поверхности подвижного уплотнительного кольца из а-корунда глубиной до 20±0,5 мкм, с шероховатостью Яа ~ 0,4 мкм.

2. Азотирование режущих пластин из быстрорежущей стали Р6М5 можно проводить в плазме, создаваемой пучком быстрых нейтральных молекул азота. Поток быстрых нейтралов способен нагревать образцы до температуры 500 °C.В результате модификации твердость поверхностного слоя увеличивается в 1,5 раза, а радиус округления режущей кромки не увеличивается.

Работа выполнялась в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 02.740.11.0129 от 15.06.2009 г. «Проведение коллективом научно-образовательного центра „Центр физико-технологических исследований“ работ по созданию и практической реализации технологий и оборудования для высокопроизводительного травления сложнопрофильных углублений в изделиях из композиционных и керамических материалов широким пучком быстрых атомов» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». И.

Результаты работы удостоены бронзовой медали и диплома Международного салона изобретений — «Конкурс Лепин» в г. Париже в 2011 году и серебряной медали XIV Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД — 2011».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 63-ей конференции по газовой электронике и 7-ой Международной конференции по химически активной плазме (Париж, 2010), на Международной конференции «Технология материалов, применяемых в энергетике» (Манчестер, 2010), на 10-ой Международной конференции по модификации материалов пучками ускоренных частиц и потоками плазмы (Томск, 2010), на Научной сессии МИФИ-2009 (Москва, 2009), 47-ой и 49-ой Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009 и 2011), 10-ой Международной научно-технической конференции по качеству машин (Брянск, 2011) и на Совместной сессии и выставке-ярмарке перспективных технологий (Орск, 2011).

Автор выражает благодарность научному руководителю работы проф., д.ф.-м.н. A.C. Метель, д.т.н., проф. С. Н. Григорьеву д.т.н., проф. H.A. Воронину, к.т.н., проф. В. И. Власову, к.т.н., старшему преподавателю М. А. Волосовой, зав. лабораторией кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» В. Ф. Севастьянову, к.ф.-м.н., с.н.с. Ю. А. Мельнику, к.т.н., зав. лаборатории ЦФТИ C.B. Федорову, а также инженерно-техническому и рабочему персоналу ЦФТИ МГТУ «СТАНКИН» и.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая большое значение для машиностроения, состоящая в повышении эффективности травления канавок различного профиля в деталях из керамических материалов и поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов на основе разработки и применения источника быстрых нейтральных атомов и молекул и выбора рациональных условий обработки.

2. Экспериментально показано, что с помощью источника быстрых нейтральных атомов аргона можно изготавливать спиральные газодинамические канавки на поверхности подвижного уплотнительного кольца из а-корунда с показателями качества, которые невозможно обеспечить альтернативными способами обработки (точность глубины канавки ±0,5 мкм, а шероховатость ее дна Яа ~ 0,4 мкм).

3. Комплекс проведенных аналитических и экспериментальных 3″ исследований показал, что азотирование инструментов из быстрорежущей? стали можно проводить в плазме, создаваемой пучком быстрых нейтральных молекул, который нагревает инструмент до температуры 500 °C без затупления его режущей кромки. В частности, при азотировании в течение часа режущих пластин из стали Р6М5 радиус округления режущей кромки не увеличивается, а наоборот, снижается примерно на 2 мкм, в то время как значение данного параметра при использовании традиционных технологий нагрева инструмента ионами из плазмы, ускоренными подаваемым на инструмент отрицательным напряжением, значительно увеличивается.

4. Разработана оригинальная конструкция и создан опытный образец многофункционального источника быстрых нейтральных атомов и молекул, способного длительное время обрабатывать подложки из любых материалов в условиях интенсивного загрязнения его электродов, а также формировать пучки быстрых молекул химически активных газов. С его помощью можно выполнять размерную обработку деталей из керамических материалов и поверхностную обработку металлорежущих инструментов.

5. Установлено, что при использовании источника пучка быстрых нейтральных атомов с круглой эмиссионной сеткой основными факторамиопределяющими распределение скорости травления материалов в пространстве рабочей вакуумной камеры, являются расстояние до эмиссионной сетки и отношение эквивалентного тока пучка к энергии ускоренных частиц. Это позволяет для заданного диаметра подложки, требуемой точности глубины канавок и шероховатости их дна подобрать оптимальное расстояние от сетки источника до обрабатываемой поверхности.

6. Экспериментально показано, что секционирование круглой сетки, обеспечивающее работоспособность источника в химически активных газах и в условиях интенсивного загрязнения электродов материалом диэлектрических подложек, приводит к азимутальной неоднородности пучка. Для обеспечения монотонности радиального распределения скорости травления подложки источником с секционированной сеткой необходимо ее вращать вокруг оси пучка.

7. Разработаны технологические рекомендации по выбору рациональных режимов травления канавок различного профиля в деталях из керамических материалов и поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов с использованием источника быстрых нейтральных атомов и молекул.

8. Результаты диссертационной работы предложены для применения на предприятиях машиностроительного профиля и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при подготовке магистров по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» в рамках магистерской программы «Технология размерной формообразующей обработки».