Вдосконалення технології електронної обробки та якості оптичних виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.338.27:537.221

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення технології електронної обробки та якості оптичних виробів

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

Яценко Ірина В'ячеславівна

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики Черкаського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Котельников Дмитро Іванович, Чернігівський державний технологічний університет.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, чл.-кор. НАНУ, Крівцун Ігор Віталійович, Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України, завідувач відділом газового розряду та фізики плазми;

кандидат технічних наук Гордієнко Валентин Іванович, Черкаський НВК „Фотоприлад”, зам. генерального директора, головний конструктор ЦКБ „Сокіл”.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, кафедра авіаційних приладів та вимірювань.

Захист відбудеться 18.09.2006 р. о 15 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м. Київ - 56, просп. Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ - 56, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 07.08.2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.002.15 д.т.н., професор Л.Ф. Головко.

Загальна характеристика дисертації

Актуальність теми. Розвиток техніки висуває підвищені вимоги до якості, надійності та довговічності виробів з оптичного скла і кераміки, які широко використовують у точному приладобудуванні. Тенденція до мініатюризації виробів оптоелектроніки, інтегральної й волоконної оптики вимагає одержання бездефектних поверхонь високої чистоти й гладкості. Використання ІЧ-оптико-механічних приладів в умовах надзвукового обдуву потоком повітря зі швидкостями до М = 5...6 (М - число Маха) призводить до ударних термічних навантажень їх поверхонь із подальшим руйнуванням. Одним зі способів вирішення цих проблем є використання стрічкового електронного потоку (СЕП) для полірування й зміцнення поверхонь виробів з оптичних матеріалів.

В роботах Рикаліна М.М., Углова О.О., Зуєва І.В., Григорьянца О.Г., Коваленка В.С., Котельникова Д.І., Головка Л.Ф. та ін. встановлено головні закономірності нових технологічних процесів обробки матеріалів з використанням концентрованих потоків енергії та визначено принципові проблеми складної взаємозалежності багатьох технологічних параметрів при вузьких діапазонах зміни їх оптимальних значень, високої вартості, малої продуктивності устатковання. Зокрема, у роботах Дудка Г.В., Лісоченка В.М., Ващенка В.А., Канашевича Г.В. та ін. були показані можливості застосування рухомих СЕП: для полірування оптичного скла й одержання поверхонь високої чистоти й гладкості при зменшенні дефектних приповерхневих шарів, які містять подряпини, риски, локальні горбки, западини, тріщини та інші дефекти; для зміцнення поверхневих шарів оптичної кераміки на глибину до декількох десятків мікрометрів. Однак широке використання СЕП в оптичному приладобудуванні, особливо в галузі сучасних нанотехнологій, стримується через: відсутність даних про поводження оптичних виробів в екстремальних умовах експлуатації та методів прогнозування критичних умов їх експлуатації; відсутність систематизованих даних про вплив на теплофізичні процеси в модифікованих шарах оптичних матеріалів технологічних параметрів СЕП; відсутність математичних й експериментально-статистичних моделей, що дозволяють у режимах діалогу й реального часу проводити розрахунки параметрів технологічних процесів електронної обробки з метою створення автоматизованих систем проектування й керування технологічними процесами електронної обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт Черкаського державного технологічного університету відповідно до державних науково-дослідних тем: “Створення континуальних механіко-математичних моделей і основ аналізу функціональних параметрів і синтезу п'єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу, у тому числі з аморфними й алмазоподібними плівками” (2000 - 2003 рр., номер державної реєстрації 0100U004418); “Технологічні основи одержання металевих покриттів на виробах мікрооптики й наноелектроніки електронно-променевим методом” (2003 - 2005 рр., номер державної реєстрації 0103U003689).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності електронної обробки оптичних матеріалів шляхом моделювання та прогнозування критичних умов їх експлуатації і допустимих режимів електронної обробки.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі поставлені і вирішені задачі:

– розроблені моделі та інженерні методи розрахунків: характеристик екстремального термовпливу на поверхню виробів з оптичної кераміки в умовах експлуатації; характеристик процесів нагрівання, термозміцнення та поверхневого оплавлення оптичних матеріалів залежно від параметрів СЕП і допустимих діапазонів їх зміни; технологічних характеристик електронної обробки оптичних матеріалів залежно від параметрів СЕП;

– проведені експериментальні дослідження: із зондування СЕП і встановлення емпіричних залежностей між його енергетичними характеристиками та керованими параметрами; щодо залежностей температури в зоні впливу СЕП на оптичні матеріали, товщин оплавлених шарів на їх поверхнях і технологічних характеристик їх електронної обробки від параметрів СЕП; із визначення ділянок на поверхні виробів з оптичних матеріалів, що піддаються руйнуванню залежно від різних режимів зовнішнього термовпливу;

– розроблено спеціалізоване програмне забезпечення у вигляді двох пакетів прикладних програм, орієнтованих на ПЕОМ класу IBM, для створення бази даних щодо впливу процесів екстремального термовпливу на оптичні елементи при їх експлуатації, а також параметрів СЕП на теплофізичні та технологічні характеристики електронної обробки оптичних матеріалів;

– створено методологію, що дозволяє на базі створених математичних, експериментально-статистичних моделей і програмного забезпечення прогнозувати критичні умови експлуатації та допустимі параметри режимів електронної обробки оптичних матеріалів на ПЕОМ класу IBM в режимах діалогу й реального часу.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є теплофізичні процеси та моделі зовнішнього термовпливу на поверхню оптичних матеріалів в умовах експлуатації та взаємодії СЕП з ними при їх електронній обробці.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є критичні умови експлуатації і допустимі параметри режимів електронної обробки оптичних матеріалів.

Методи досліджень. Основні наукові положення, висновки й аргументації, сформульовані в дисертації, отримані із застосуванням сучасних методів фізичного аналізу (методи обертового зонда та безконтактного вимірювання температури, методи растрової електронної мікроскопії та ін.), математичного та експериментально-статистичного моделювання, числово-аналітичних методів вирішення завдань аерогазодинаміки, нелінійної теплопровідності та термостійкості (інтегральних перетворень Фур'є, методів розв'язання трансцендентних рівнянь, обчислення інтегралів та ін.), а також методів математичної обробки експериментальних даних (кореляції, регресії, інтерполяції). Всі розрахунки по моделях проведено в режимах діалогу та реального часу на сучасних ЕОМ з використанням спеціально розроблених пакетів прикладних програм.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі отримані такі нові наукові результати:

– вперше отримані експериментальні дані щодо впливу керованих параметрів СЕП на ширину зони теплового впливу та коефіцієнт зосередженості в нормальному законі розподілу густини потоку енергії на поверхні оптичних матеріалів у процесі їх обробки;

– отримані нові експериментальні дані щодо впливу надзвукового обдуву потоком повітря (швидкість обдуву до М = 5...6) на місцезнаходження зон руйнування на поверхнях оптичних виробів з ІЧ-кераміки;

– вперше розроблено комплекс математичних моделей для розрахунку (відносна похибка 8...12 %) основних характеристик термовпливу потоку повітря на поверхню виробів та прогнозування небезпечних ділянок на їх поверхнях, структуру яких необхідно модифікувати СЕП на стадії фінішного виготовлення виробів;

– розроблені математичні моделі для розрахунку (відносна похибка 8...15 %) основних теплофізичних характеристик процесів електронної обробки оптичних матеріалів (нагрівання, термозміцнення, плавлення), які дозволяють вперше комплексно оцінювати вплив геометричної форми, розмірів оптичних елементів і параметрів СЕП на температуру в зоні обробки, термопружні напруги та товщину оплавленого шару, а також прогнозувати діапазони зміни параметрів СЕП, що забезпечують гарантовану якість оброблюваної поверхні;

– вперше розроблені експериментально-статистичні моделі для розрахунку (відносна похибка 3...7 %) впливу параметрів СЕП на технологічні характеристики оброблюваних оптичних матеріалів;

– на базі розроблених моделей створена нова методологія, що дозволяє в режимах діалогу й реального часу прогнозувати критичні умови екстремального зовнішнього термовпливу на оптичні матеріали та допустимі режими їх обробки.

Практичне значення одержаних результатів. на ряді вітчизняних (НВК “Фотоприлад”, НВПП “Політехнік”, ТОВ “НВК” АСКЄНН” (м. Черкаси), Черкаському державному заводі “Хімреактив”,) і закордонних (ОДО “Микротестмашины” (м. Гомель, Бєларусь), Micro-Optics Laser Systems (LIMO) (м. Дортмунд, Німеччина) підприємств, а також в Черкаському державному технологічному університеті знайшли практичне застосування такі результати роботи:

– результати експериментальних досліджень і експериментально-статистичні моделі щодо впливу параметрів СЕП на технологічні характеристики оптичних матеріалів і результати їх випробувань в умовах екстремального зовнішнього термовпливу;

– математичні моделі й спеціалізоване програмне забезпечення для розрахунку на ЕОМ критичних умов експлуатації виробів, а також теплових полів, термонапруг і характеристик поверхневого оплавлення оптичного скла і кераміки при їх електронній обробці;

– лабораторно-вимірювальні системи для зондування електронних потоків й автоматизованого вимірювання температури в зоні впливу СЕП на оптичні матеріали.

Зазначені результати роботи були використані при розробці виробів мікрооптики, оптоелектроніки, інтегральної й волоконної оптики, оптико-механічних приладів ІЧ-області спектра, що дало змогу: виключити деформацію поверхні виробів з оптичного скла К-8 потоком речовини, що випаровується, та порушення їх геометричної форми в результаті розтікання розплаву уздовж поверхні; підвищити механічну стійкість поверхні оптичної кераміки КО-2 до ударних навантажень на 50...80 % через збільшення її мікротвердості в 1,1...1,6 разу та товщини зміцнених шарів в 1,5...3,4 разу; підвищити стабільність та надійність виробів з оптичної кераміки КО-2 в умовах експлуатації шляхом усунення послаблених ділянок на їх поверхнях, які можуть піддаватись руйнуванню при надзвуковому обдуві потоком повітря. термовплив оптичний інженерний

Крім того, основні результати дисертації (експериментальні дані, математичні та експериментально-статистичні моделі, пакети прикладних програм) використовуються в п'яти навчальних дисциплінах Черкаського державного технологічного університету для студентів спеціальностей: 7.090208 - обробка матеріалів за спецтехнологіями; 7.090202 - технологія машинобудування; 7.090603 - електротехнічні системи електроспоживання.

Особистий внесок здобувача. Автором, завдяки дослідженню зондування СЕП, отримані емпіричні залежності між параметрами СЕП і його енергетичними характеристиками. Розроблені нелінійні математичні моделі екстремального зовнішнього термовпливу надзвукового повітряного потоку на поверхню виробів з оптичних матеріалів і теплофізичних процесів (нагрівання, поверхневого термозміцнення, плавлення) електронної обробки оптичних матеріалів, що враховують геометричну форму й розміри оптичних елементів і температурні залежності теплофізичних властивостей матеріалу, а також вплив параметрів СЕП. Отримані експериментально-статистичні моделі для розрахунку впливу параметрів СЕП на технологічні характеристики електронної обробки оптичних матеріалів. Встановлені небезпечні ділянки на поверхні виробів, які піддаються руйнуванню в процесі експлуатації, і вплив на їх місцезнаходження режимів теплового впливу зовнішнього повітряного потоку. Для проведення розрахунків на сучасних ЕОМ за зазначеними моделями розроблене спеціалізоване програмне забезпечення у вигляді двох пакетів прикладних програм. На базі проведених теоретично-експериментальних досліджень автором створена методологія, що дозволяє за допомогою ПЕОМ класу IBM у режимах діалогу й реального часу прогнозувати критичні умови експлуатації і допустимі режими електронної обробки оптичних матеріалів. автором особисто і разом зі співробітниками кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету були впроваджені основні результати досліджень на ряді вітчизняних і закордонних підприємств.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові й практичні результати роботи доповідалися на міжнародних симпозіумах і науково-технічних конференціях: II и IV Міжнародних промислових науково-технічних конференціях “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (п. Славське, Львовська обл., Карпати, 2002 р.; 2004 р.); Першій Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та металообробка - 2003” (м. Кіровоград, КДТУ, 2003 р.); Міжнародному науково-практичному симпозіумі “Функциональные покрытия на стеклах” (Харьков, НТЦ ХФТИ “Константа”, 2003 р.); 24-й Міжнародній науково-практичній конференції и бліц-виставі ”Композиционные материалы в промышленности” (м. Ялта, 2004 р.); V Міжнародній конференції “Прогрессивная техника и технология - 2004”, м. Севастополь, 2004 р.; XII Міжнародній науково-технічній конференції “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики”, м. Ялта, 2004 р.; 6-му Белоруському семінарі по скануючій зондовій мікроскопії (м. Минск, Беларусь, 2004 г.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 16 працях: 1 монографії; 9 статтях у спеціалізованих журналах і збірниках, затверджених ВАК України; 5 тез доповідей на міжнародних симпозіумах та науково-технічних конференціях; 1 патенті України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних джерел, трьох додатків і включає 161 сторінку основного тексту, 87 рисунків, 4 таблиці, список літератури (200 найменувань) і 49 сторінок додатків. Загальний обсяг роботи становить 262 сторінки.

Основний зміст дисертації

Вступ до дисертації висвітлює актуальність теми, мету й завдання дослідження, загальну характеристику роботи.

Перший розділ містить аналіз існуючих методів полірування й термозміцнення оптичних матеріалів. Показано, що всім традиційним методам полірування оптичного скла властиві такі серйозні недоліки: механічному поліруванню - наявність поверхневого дефектного шару, що містить подряпини, локальні включення абразивних зерен й ін.; хімічному поліруванню - низька точність збереження геометричних характеристик оброблюваної поверхні й екологічно брудне виробництво; хіміко-механічному поліруванню - наявність дефектного шару, хоча й меншої товщини (десяті частки мікрометра) порівняно з механічним поліруванням і відсутність екологічної чистоти; тепловим методам полірування (вогневим, ІЧ-променевим, плазмовим, іонним і лазерним) - порушення мікрогеометрії поверхні, складність керування процесом обробки та ін. Сучасні методи підвищення міцності оптичної кераміки, які, в основному, спрямовані на зміну стану поверхні матеріалу або властивостей і структури його приповерхневих шарів, а також на використання спеціальних композиційних матеріалів безпосередньо в технологічних процесах виготовлення матеріалів, є малоефективними, екологічно брудними й дорогими. Дудко Г.В., Лісоченко В.М., Ващенко В.А., Канашевич Г.В. та ін. встановили, що найбільш перспективним методом якісного полірування й зміцнення виробів з оптичного скла і кераміки є електронна обробка, що має переваги перед вказаними вище методами. Однак на даний час відсутні данні по структурі СЕП та залежностей між його технологічними параметрами та енергетичними характеристиками, обмежені експериментальні і теоретичні дослідження (математичні моделі, дослідні данні, експериментально-статистичні моделі) щодо впливу екстремального зовнішнього термовпливу на вироби з оптичної кераміки у широкому діапазоні зміни умов експлуатації, а також впливу керованих параметрів СЕП на основні теплофізичні процеси й технологічні характеристики електронного полірування скла і термозміцнення кераміки. Все це істотно знижує ефективність використання електронної обробки оптичних матеріалів у сучасних нанотехнологіях виробництва оптико-механічних приладів різного призначення. Тому дана робота присвячена подальшому вдосконаленню й розвитку електронних методів обробки оптичних матеріалів завдяки створенню та використанню математичних й експериментально-статистичних моделей теплофізичних процесів, програмного забезпечення у вигляді пакетів прикладних програм, орієнтованих на ПЕОМ класу IBM, для прогнозування критичних режимів екстремального зовнішнього термовпливу на поверхню виробів з оптичних матеріалів в умовах їх експлуатації, а також допустимих діапазонів зміни керованих параметрів СЕП при їх електронній обробці.

У другому розділі наводяться: основні фізико-механічні й теплофізичні характеристики оптичного скла і кераміки, які досліджувались; використані методики експериментальних досліджень; коротка характеристика електронно-технологічного й лабораторно-випробувального устатковання, на якому проводилися експериментальні дослідження. Об'єктами досліджень були оптичне скло К-8 і оптична кераміка КО-2, основні фізико-механічні і теплофізичні властивості яких відомі. Використовували елементи із зазначених матеріалів різних розмірів (тонкоплівкові елементи, тонкі пластини, бруски різної товщини, прямокутні елементи): товщиною Н = 0,002…0,02 м; шириною В = 0,003…0,09 м; довжиною L = 0,02...0,1 м. Твердість поверхневих шарів досліджуваної кераміки визначали стандартним методом Віккерса на мікротвердомірі ПМТ-3. Товщина зміцнених шарів , мкм, де відбуваються основні структурні зміни й підвищується мікротвердість кераміки, визначали з умови (z - координата по глибині матеріалу; , - мікротвердість поточна й початкова відповідно, Н/м²). Дослідження структури поверхні й товщини оплавлених шарів оптичного скла після обробки СЕП проводили за допомогою растрової й скануючої мікроскопії (РЕМ). Основою використаної електронної установки (ЕУ) є промислова вакуумна установка УВН-74П3 (залишковий тиск Р = 510^-5 Па), усередині якої розміщаються: системи для вимірювання температури в зоні впливу СЕП і його зондування; електронна гармата Пірса із дротяним вольфрамовим катодом (напруга V_к = 0...20 В, струм розжарення I_н = 0...20 А встановлюються блоком живлення УЭЛИ-1 з точністю 10 %); термічна піч попереднього нагрівання оптичних виробів у вакуумі (діапазон температур попереднього нагрівання Т₀ = = 300…900 К; використовується джерело ІЧ-випромінювання (лампа КГТ-1000), точність вимірювання температури становить 10 %); механізм кріплення й переміщення виробів у зону обробки. Основними керованими параметрами СЕП, що визначають якість електронної обробки оптичних матеріалів, є: струм електронного потоку I_л = 50…300 мА (точність 10 %); прискорююча напруга електронного потоку V_у = 4...8 кВ (точність 4 %); відстань від анода ЕУ до оброблюваної поверхні l = 60...80 мм (визначається мірною лінійкою з точністю 0,1 мм); швидкість переміщення виробу V = 510^-3…510^-2 м/с (точність 10 %). У результаті зондування СЕП були знайдені емпіричні залежності між його керованими параметрами (I_л, V_у, l) та енергетичними характеристиками (потужністю в центрі впливу Р₀, коефіцієнтом зосередженості і шириною зони впливу ), які визначають густину його теплового впливу на оптичний елемент з відносною похибкою 10...12 %:

. (1)

Для моделювання нерівномірного зовнішнього термовпливу в процесі експлуатації виробів ІЧ-техніки (пластини різної товщини) в умовах, близьких до реальних умов їх експлуатації, була використана лабораторно-випробувальна установка, яка дозволяє отримувати швидкості обдуву потоком повітря до М = 5...6.

У результаті проведених випробувань було встановлено, що при ламінарному режимі обтікання руйнування пластини відбувається в околі її передньої критичної точки, а для турбулентного режиму її обтікання була отримана залежність (, де - координата уздовж поверхні пластини від передньої критичної точки до місця, де відбувається руйнування; - довжина пластини). При цьому виявилося, що для всього дослідженого діапазону зміни М = 2...6 величина = 0,35...0,45.

У третьому розділі подані розроблені математичні моделі екстремального термовпливу надзвукового потоку повітря на поверхню виробів ІЧ-техніки з оптичної кераміки, які враховують температурні залежності теплофізичних властивостей матеріалу і дають змогу розраховувати вплив умов експлуатації виробів (швидкості польоту, режиму обтікання (ламінарного, турбулентного) і тривалості дії) на тепловий потік із приграничого шару у виріб, а також визначати розподіл температур і напруг на поверхні. У моделюванні використовували нестаціонарні, нелінійні рівняння теплопровідності (для знаходження профілю температур по товщині пластини ), аналітичні вирази для термопружних напруг (, отримані на основі допущень, що має місце плоский напружений стан і що плоскі перетини, які перпендикулярні до поверхні пластини, що нагрівається, залишаються такими ж у процесі нагрівання), а також відомі емпіричні залежності для теплового потоку з приграничого шару в пластину ( - критерій Рейнольдса, що характеризує режим обтікання). У результаті проведених розрахунків встановлено, що для дослідженого діапазону зміни М = 2...6 існують критичні значення М^*, при яких величини термопружних напруг зростають до своїх граничних значень , перевищення яких призводить до руйнування матеріалу пластини. При цьому місцезнаходження небезпечних ділянок на поверхні пластини, де відбувається руйнування оптичного матеріалу повністю відповідає експериментальним даним, які були отримані.

У четвертому розділі представлено створений автором комплекс нелінійних математичних моделей теплофізичних процесів електронної обробки оптичних матеріалів, що враховує форму й розміри оптичних матеріалів (різні геометричні моделі: тонкоплівковий елемент; тонка пластина великих розмірів; брусок і прямокутний елемент різної товщини), а також температурну залежність теплофізичних властивостей оптичних матеріалів, різний фазовий стан поверхневих шарів (твердий і рідкий), що дозволяє в режимах діалогу й реального часу проводити чисельні експерименти для дослідження впливу параметрів СЕП на теплофізичні процеси і визначати допустимі режими електронної обробки оптичних матеріалів. Основною системою рівнянь розробленого комплексу математичних моделей є така система рівнянь нелінійної теплопровідності:

,

t > 0, , ,

, (2)

, (3)

, (4)

, , при , (5)

де враховано емпіричні залежності , (, , - константи, що залежать від марки оптичного матеріалу); - коефіцієнт чорноти випромінюючої поверхні; = 5,6710^-8 Вт/м²К⁴ - постійна Стефана - Больцмана. З використанням відомих методів лінеаризації та інтегральних перетворень Фур'є зазначена система рівнянь була зведена для кожного конкретного випадку до виду, зручного для проведення чисельних розрахунків.

При розрахунку залежності контролювали виконання умов або , де Т^* - температура рідкого стану скла, коли різко збільшується його текучість (для скла К-8 - Т^* = 1400 К); Т^** - температура початку інтенсивних структурних змін в приповерхневих шарах кераміки (для кераміки КО-2 - Т^** = 1100 К). Перевищення температур Т^* і Т^** приводить до таких процесів: у скла - починається інтенсивне поверхневе випаровування матеріалу та значна деформація розплаву на його поверхні, що призводить до істотних порушень площинності та геометричної форми; у кераміки - відбувається інтенсифікація структурних змін поверхні та приповерхневих шарів, що приводить до різкого збільшення поглинання випромінювання в ІЧ-області спектра, тобто помітно знижується їх коефіцієнт ІЧ-пропускання й погіршуються техніко-експлуатаційні характеристики виробів. На основі зазначених умов визначаються допустимі діапазони зміни параметрів СЕП: , , , , (скло); , , , , (кераміка).

Встановлено, що найбільш значний вплив на величину (або на ) чинить струм електронного потоку I_л: зі збільшенням I_л величина зростає до свого граничного значення , при якому відбувається руйнування пластини з оптичної кераміки КО-2; при цьому величина істотно залежить від часу обробки.

Максимальну товщину оплавленого шару на поверхні оптичного скла визначали по координатній лінії початку утворення рідкої фази:

. (6)

При цьому величина не повинна перевищувати гранично допустимих значень (для скла К-8 - = 100…150 мкм), що призводять до таких небажаних явищ, як утворення напливів, порушення форми виробів й ін. Аналіз результатів розрахунків залежностей показав, що на величину найбільш сильно впливають параметри I_л й V: так, при I_л > 300…400 мА й V < 10^-3…210^-3 м/с значення можуть в кілька разів перевищувати . Зіставлення результатів розрахунків з експериментальними даними показало, що розходження між ними лежать в інтервалі 8...15 %.

У п'ятому розділі представлені експериментально-статистичні моделі для розрахунку впливу параметрів СЕП на технологічні характеристики електронної обробки оптичних матеріалів (мікротвердість поверхні Н_v, Н/м², і товщину зміцнених шарів , мкм, - для оптичної кераміки КО-2) (відносна похибка 5...7 %):

, i = 1, 2, (7)

де Х_i - розглянуті технологічні характеристики, при цьому індекс “1” відповідає , а індекс “2” - ; , , , , , - емпіричні константи.

Аналіз проведених експериментальних досліджень показав, що найбільш значний вплив на розглянуті технологічні характеристики оптичних матеріалів, оброблених рухомим СЕП, чинять струм електронного потоку I_л і його швидкість переміщення V: збільшення I_л від 50 до 300 мА приводить до зростання Н_v й відповідно в 1,1...1,2 разу й в 1,5...1,6 разу; зростання V від 0,005 до 0,05 м/с веде до зменшення Н_v й відповідно в 1,5...1,6 разу й в 3,3...3,4 разу.

Проведені теоретично-експериментальні дослідження і розроблений на їх основі комплекс математичних й експериментально-статистичних моделей, а також програмне забезпечення дозволили створити методологію прогнозування в режимах діалогу й реального часу на ПЕОМ класу IBM з відносною похибкою 8...15 % небезпечних ділянок на поверхні виробів з оптичної кераміки у динамічних умовах їх експлуатації, які необхідно в першу чергу обробляти рухомим СЕП, а також допустимих діапазонів зміни параметрів СЕП, що не призводять до погіршення якості оброблюваної поверхні оптичного скла і кераміки (поява тріщин, відколів, напливів, зміна геометричної форми, зменшення коефіцієнта ІЧ-пропускання й т. ін.).

Висновки

В дисертаційній роботі представлено нове розв'язання наукової задачі підвищення ефективності електронної обробки виробів з оптичного скла та кераміки, що базується на розроблених моделях та методах прогнозування критичних умов експлуатації та допустимих режимів їх обробки, що, відповідно до мети і задач дослідження, відображено у таких результатах:

1. Методом зондування СЕП встановлені емпіричні залежності (відносна похибка 10...12 %) між його енергетичними характеристиками (потужністю в центрі впливу, коефіцієнтом зосередженості, шириною зони впливу) і параметрами СЕП (струмом електронного потоку, прискорюючою напругою, відстанню від електронної установки до оброблюваної поверхні).

2. Натурними випробуваннями визначено, що при збільшенні швидкості обдуву потоком повітря кількість виробів ІЧ-техніки, яка руйнується, збільшується і може досягати 90 % при М = 5...6; при цьому встановлено, що режим обтікання найбільш суттєво впливає на місцезнаходження зон руйнування на поверхні виробів: при ламінарному режимі обтікання руйнування виробів спостерігається тільки в околі їх передніх критичних точок, а у випадку турбулентного - зони руйнування знаходяться від передніх критичних точок на відстані (0,4...0,45)L, (L - довжина оптичної пластини).

3. Розроблені та впроваджені у практику стендових випробувань нестаціонарні, нелінійні математичні моделі екстремального термовпливу надзвукового потоку повітря на поверхню виробів ІЧ-техніки з оптичної кераміки, які дозволяють розраховувати тепловий потік із приграничного шару, температуру й термонапруги в зонах максимального зовнішнього теплового впливу в широкому діапазоні зміни швидкостей обдуву потоком повітря М = 2...6 з відносною похибкою 8...12 %.

4. Розроблені та впроваджені в технологічний процес нестаціонарні, нелінійні математичні моделі процесу нагрівання елементів з оптичного скла і кераміки різної геометричної форми й розмірів (тонкоплівкові елементи, тонкі пластини великих розмірів, бруски й прямокутні елементи різної товщини) рухомим СЕП, що дозволяють розраховувати вплив параметрів СЕП на температурні поля в оброблюваних оптичних елементах і прогнозувати допустимі діапазони їх зміни, що не призводять до погіршення техніко-експлуатаційних характеристик оптичних елементів на стадії їх нагрівання електронними потоками з відносною похибкою 8...12 %.

5. Розроблено та впроваджено нестаціонарну, нелінійну математичну модель термонапруг у пластині з оптичної кераміки, що враховує: багатоцикловий рух СЕП і радіаційні тепловтрати з нижньої сторони пластини; температурні залежності теплофізичних властивостей оптичної кераміки; вплив параметрів СЕП на розподіл термонапруг в оброблюваній пластині. Модель дозволяє розраховувати розподіл термонапруг у пластині і прогнозувати допустимі діапазони зміни параметрів СЕП (відносна похибка 10...15 %), що не призводять до руйнування оптичного матеріалу.

6. Розроблено та впроваджено нелінійну, квазістаціонарну математичну модель поверхневого оплавлення прямокутного бруска з оптичного скла, що дозволяє комплексно оцінювати вплив температурних залежностей теплофізичних властивостей матеріалу й параметрів СЕП на розподіл температури по поверхні й глибині розплавленого шару, його товщину, а також прогнозувати допустимі значення параметрів СЕП (відносна похибка 8...15 %), що забезпечують зберігання геометричної форми виробів.

7. Проведені експериментальні дослідження дали змогу отримати експериментально-статистичні моделі, які впроваджені як розрахункова складова (відносна похибка 3...7 %) технологічної підготовки виробництва, що забезпечує гарантовану якість виробів завдяки визначенню впливу керованих параметрів СЕП на технологічні характеристики електронної обробки оптичних матеріалів: температуру в зоні обробки оптичного скла К-8 і оптичної кераміки КО-2, мікротвердість та товщину зміцнених шарів в оптичній кераміці КО-2.

8. Розроблено та впроваджено нову методологію, що базується на отриманих математичних й експериментально-статистичних моделях і двох пакетах прикладних програм, які пов'язують параметри СЕП з основними теплофізичними й технологічними характеристиками електронної обробки оптичного скла і кераміки, що дозволяє в режимі діалогу й реального часу на ПЕОМ класу IBM прогнозувати (відносна похибка 8...15 %) небезпечні ділянки на поверхні виробів з оптичної кераміки у динамічних умовах їх експлуатації, які необхідно в першу чергу обробляти СЕП, а також допустимі діапазони зміни параметрів СЕП, що не призводять до погіршення якості оброблюваної поверхні оптичного скла і кераміки.

9. Основні результати роботи знайшли практичне використання на ряді підприємств України (НВК “Фотоприлад”, ТОВ “НВК “АСКЄНН”, НВПП “Політехнік” (м. Черкаси), Черкаському державному заводі “Хімреактив”, в Черкаському державному технологічному університеті) і за кордоном (ТДВ “Мікротестмашини” (м. Гомель, Бєларусь), Micro-Optics Laser Systems (LIMO) (м. Дортмунд, Німеччина)) при розробці виробів мікрооптики, оптоелектроніки, інтегральної й волоконної оптики, оптико-механічних приладів ІЧ-області спектра, що дало змогу: виключити деформацію поверхні виробів з оптичного скла К-8 потоком речовини, що випаровується, та порушення їх геометричної форми в результаті розтікання розплаву уздовж поверхні; підвищити механічну стійкість поверхні оптичної кераміки КО-2 до ударних навантажень на 50...80 % за рахунок збільшення її мікротвердості в 1,1...1,6 разу та товщини зміцнених шарів в 1,5...3,4 разу; підвищити стабільність та надійність виробів з оптичної кераміки КО-2 в умовах експлуатації шляхом усунення послаблених ділянок на їх поверхнях, які можуть піддаватись руйнуванню при надзвуковому обдуві потоком повітря.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Тепловые процессы при электронной обработке оптических материалов и эксплуатации изделий на их основе / В.А. Ващенко, Д.И. Котельников, Ю.Г. Лега, Д.М. Краснов, И.В. Яценко, О.В. Кириченко. - К.: Наукова думка, 2006. - 365 с.

Здобувачкою розроблені математичні моделі та ППП для проведення розрахунків на ПЕОМ класу IBM процесів аеродинамічного нагріву виробів з оптичних матеріалів та теплофізичних процесів.

2. Яценко И.В. Теплофизические процессы электронной обработки изделий точного приборостроения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2004. - № 4. - С. 97 - 103.

3. Яценко И.В. Термоупругие напряжения в изделиях ИК-техники при электронной обработке // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2005. - № 1. - С. 93 - 98.

4. Яценко И.В. Процессы поверхностного оплавления изделий интегральной и волоконной оптики при электронной обработке // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2005. - № 2. - С. 67 - 73.

5. Яценко И.В., Краснов Д.М., Ващенко В.А., Кириченко О.В. Математическое моделирование термоупругих напряжений при нагреве оптических планарных изделий ИК-техники сверхзвуковым потоком воздуха // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - № 4. - С. 98 - 105.

Здобувачкою розроблена математична модель термопружних напруг у пластинах з оптичної кераміки (КО-2, КО-4 й ін.), що обдуваються надзвуковим потоком повітря, і проведені розрахунки величин цих напруг в зонах максимального зовнішнього термовпливу.

6. Ващенко В.А., Краснов Д.М., Канашевич Г.В., Дубровская Г.Н., Яценко И.В., Бондаренко М.А., Рудь М.П. Математическое моделирование и расчет влияния параметров ленточного электронного потока на процессы обработки изделий микрооптики и наноэлектроники // Международный сборник научных работ “Прогрессивные технологии и системы машиностроения”. - Донецк: ДГТУ, 2002. - вып. 20. - С. 60 - 64.

Здобувачкою розроблені математичні моделі процесу нагрівання прямокутних оптичних елементів рухомими СЕП і проведені розрахунки щодо впливу їх параметрів на розподіл температури по поверхні й глибині елементів.

7. Ващенко В.А., Лега Ю.Г., Яценко И.В., Кириченко О.В., Краснов Д.М., Веретельник Т.И. Нагрев поверхности оптической пластины при продольном сверхзвуковом обдуве потоком воздуха // Вісник Сумського державного університету. Серія “Технічні науки”, 2003. - 312 (58). - С. 143 - 153.

Здобувачкою розроблена математична модель нагрівання поверхні пластини з оптичної кераміки надзвуковим газовим потоком.

8. Ващенко В.А., Кириченко О.В., Котельников Д.И., Краснов Д.М., Яценко И.В. Расчетная оценка параметров электронной обработки оптической керамики //Электронная обработка материалов / Институт прикладной физики АН Республики Молдова. - 2004. - № 5. - С. 87 - 92.

Здобувачкою розроблена розрахункова методика визначення ділянок поверхонь виробів з оптичної кераміки, що піддаються максимальному зовнішньому термовпливу в умовах експлуатації.

9. Канашевич Г.В., Рудь М.П., Ващенко В.А., Бойко В.П., Бондаренко М.О., Яценко І.В. Автоматизація переміщень заготівок при формуванні функціональних шарів в оптичних матеріалах електронною обробкою // Радіоелектроніка й інформатика. - 2004. - № 4. - С. 54 - 58.

Здобувачкою розроблено математичне й програмне забезпечення для розрахунків на ПЕОМ класу IBM законів переміщення заготовок з оптичних матеріалів.

10. Ващенко В.А., Кириченко О.В., Котельников Д.И., Краснов Д.М., Яценко И.В. Оптимизация электронной обработки изделий инфракрасной техники // Электронная обработка материалов / Институт прикладной физики АН Республики Молдова. - 2004. - № 6. - С. 44 - 48.

Здобувачкою визначені оптимальні режими термозміцнення ділянок поверхні виробів ІЧ-техніки, які піддаються екстремальному термовпливу. в умовах експлуатації.

11. Пат. UA 4752 U Україна, МКІ С03В29/00, Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевої обробки виробів / Г.В. Канашевич, М.О. Бондаренко, М.П. Рудь, В.А. Ващенко, І.В. Яценко, (Україна); Заявл. 20.02.2004. Опубл. 15.02.2005. Бюл. № 2.

Здобувачкою проведено обґрунтування використання лабораторно-вимірювальних систем для зондування СЕП та вимірювання температури оброблюваної поверхні оптичного матеріалу.

12. Дубровская Г.Н., Канашевич Г.В., Ващенко В.А., Котельников Д.И., Яценко И.В. Получение функциональных слоев в оптическом стекле и керамике методом электронной обработки // Сборник докладов Международного научно-практического симпозиума “Функциональные покрытия на стеклах”. - Харьков: НТЦ ХФТИ “Константа”, 2003. - С. 135 - 137.

Здобувачкою проведені експериментальні дослідження структури й товщини оплавлених шарів в оптичному склі К-8 після електронної обробки.

13. Яценко И.В., Цыбулин В.В., Ващенко В.А., Котельников Д.И. Математическое моделирование поверхностного оплавления оптических материалов при воздействии ленточного электронного потока // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: Материалы ІV ежегодной Промышленной конференции с международным участием и выставки. - К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология”, 2004. - С. 229 - 231.

Здобувачкою розроблена математична модель процесу поверхневого оплавлення оптичних матеріалів при впливі стрічкових електронних потоків і проведені розрахунки його характеристик для оптичного скла типу К-8, К-108 й ін.

14. Яценко И.В., Краснов Д.М., Ващенко В.А., Котельников Д.И. Компьютерные методы моделирования температурных полей и термоупругих напряжений в изделиях ИК-техники, обрабатываемых ленточными электронными потоками // Композиционные материалы в промышленности: Материалы ХХIV ежегодной международной конференции и выставки. Ялта - К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология”, 2004. - С. 326 - 329.

Здобувачкою розроблена математична модель термопружних напруг у виробах ІЧ-техніки при обробці їх стрічковими електронними потоками й проведені розрахунки величин цих напруг для кераміки КО-2.

15. Яценко И.В., Цыбулин В.В., Краснов Д.М., Ващенко В.А., Котельников Д.И. Экспериментально-статистические модели для расчета влияния параметров ЛЭП на технологические характеристики электронной обработки оптических керамик // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Материалы ХІІ ежегодной международной конференции и выставки. Ялта - К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология”, 2004. - С. 84 - 85.

Здобувачкою проведені експериментальні дослідження й розроблені експериментально-статистичні моделі з впливу параметрів СЕП на мікротвердість поверхонь й товщину зміцнених шарів в оптичній кераміці марок КО-2, КО-4 й ін.

16. Ващенко В.А., Краснов Д.М., Канашевич Г.В., Яценко И.В., Рудь М.П. Оптимальное управление параметрами электронно-лучевой установки при обработке элементов интегральной оптики // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: Материалы ІІ Промышленной международной научно-технической конференции - К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология”, 2002. - С. 95 - 96.

Здобувачкою проведені експериментальні дослідження зондування стрічкового електронного потоку й отримані емпіричні залежності між його керованими параметрами й енергетичними характеристиками.

Анотація

Яценко І.В. Вдосконалення технології електронної обробки та якості оптичних виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.07 -процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006.

У роботі представлені теоретично-експериментальні дослідження теплофізичних процесів електронної обробки виробів з оптичного скла і кераміки з урахуванням екстремальних зовнішніх умов їх експлуатації. Розроблено математичні моделі для розрахунку характеристик екстремального термовпливу на поверхню виробів з оптичної кераміки в умовах їх експлуатації, а також наведені результати досліджень поводження виробів на лабораторно-випробувальному устаткованні, що моделює умови експлуатації. Розроблено математичні моделі процесів нагрівання, термозміцнення й оплавлення виробів при впливі стрічкового електронного потоку (СЕП), наведені результати експериментальних досліджень й експериментально-статистичні моделі для оцінки впливу керованих параметрів СЕП на технологічні характеристики процесу обробки, отриманих на електронно-технологічному устаткуванні. На базі отриманих математичних й експериментально-статистичних моделей, спеціально розроблених двох пакетів прикладних програм розроблена методологія для прогнозування небезпечних ділянок на поверхні виробів в умовах їх експлуатації, а також допустимі діапазони зміни керованих параметрів СЕП, що не призводять до погіршення якості оброблюваної поверхні оптичних матеріалів. Результати роботи знайшли практичне використання на вітчизняних і закордонних підприємствах.

Ключові слова: електронний потік, оптичне скло й кераміка, надзвуковий повітряний потік, теплофізичний процес, математична й експериментально-статистична модель.

Аннотация

Яценко И.В. Усовершенствование технологии электронной обработки и качества оптических изделий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2006.

В работе представлены теоретико-экспериментальные исследования теплофизических процессов электронной обработки изделий из оптических стекол и керамик с учетом экстремальных внешних условий их эксплуатации: продольный сверхзвуковой обдув потоком воздуха пластин различной толщины. Разработаны математические модели для расчета характеристик экстремальных термовоздействий (внешнего теплового потока, температуры и термоупругих напряжений) на поверхность изделий из оптической керамики в условиях их эксплуатации, а также приведены результаты исследований поведения изделий на лабораторно-испытательном оборудовании, моделирующем их условия эксплуатации. Разработаны математические модели процессов нагрева, термоупрочнения и оплавления изделий при воздействии ленточного электронного потока (ЛЭП), приведены результаты экспериментальных исследований и экспериментально-статистические модели для оценки влияния управляемых параметров ЛЭП (тока электронного потока, ускоряющего напряжения, расстояния от обрабатываемой поверхности, скорости перемещения электронного потока) на технологические характеристики процесса обработки (температуру в зоне воздействия ЛЭП, толщину оплавленного слоя, микротвердость поверхности и толщину упрочненных слоев), полученных на электронно-технологическом оборудовании с использованием лабораторно-измерительных систем для бесконтактного измерения температуры обрабатываемой поверхности в зависимости от параметров ЛЭП и его зондирования для установления эмпирических зависимостей между его энергетическими характеристиками (мощностью в центре воздействия, коэффициентом сосредоточенности и ширины зоны воздействия) и управляемыми параметрами. На базе полученных математических и экспериментально-статистических моделей, специально разработанных двух пакетах прикладных программ, разработана методология для прогнозирования опасных участков на поверхности изделий в условиях их эксплуатации, которые необходимо в первую очередь обрабатывать ЛЭП, а также допустимые диапазоны изменения параметров ЛЭП, не приводящие к ухудшению качества обрабатываемых поверхностей оптических материалов. Результаты работы нашли практическое использование на отечественных и зарубежных предприятиях.

Ключевые слова: электронный поток, оптическое стекло и керамика, сверхзвуковой воздушный поток, теплофизический процесс, математическая и экспериментально-статистическая модель.

Summary

Yatsenko I.V. - Improvement of the electron treatment technology and the quality of the optic products. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, speciality 05.03.07 - Processes of the physical-technical treatment. - National technical university of Ukraine “Kyiv Polytechnic institute”, Kyiv, 2006.

The theoretic-experimental research of thermal physical processes of the optic glass and ceramics electron treatment taking into account the extremal external conditions of the use: the longitudinal supersound air-cooling of the plates of different thickness is given in the work. The mathematical models for calculation of characteristics of the extremal thermal influence on the optic ceramics surface in the conditions of their use are developed. The results of the model use testing are carried out. The mathematical models of heating, thermal strengthening and fusion processes under band electron flow (BEF) influence are created. The experimental investigation results and the experimental-statistics models for evaluation of BEF parameters influence on the technological characteristics of the process of treatment, which are received on the technological equipment with the use of laboratory-measuring systems for the uncontact measurement of the temperature of the treated surface depending on BEF parameters and its sounding for setting up of empirical dependences between its energy characteristics and controlled parameters are carried out. On the basis of the received mathematical and experimental-statistics models, specially created two packets of the applied programs, which are the technological basis, the methodology for prognosing of dangerous sections on the product surface in the conditions of their use, which is necessary to treat by BEF, and the acceptable bands of BEF parameters measuring, which don't lead to deterioration of the optic materials treated surface, are created.

The results of the work are applied on the national and foreign enterprises.

Key words: electron stream, optic glass and ceramics, supersound air stream, thermal-physical process, mathematical and experimental-statistics model.

Размещено на Allbest.ru,