Расчет процесса формирования тонкопленочных функциональных покрытий на сферических поверхностях прецизионных изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет процесса формирования тонкопленочных функциональных покрытий на сферических поверхностях прецизионных изделий

О.С. Юльметова, М.А. Туманова, (ОАО «Концерн «ЦНИИ «ЭП» СПб), Р.М. Мухаметов (КНИТУ-КАИ, Казань), С.А. Щербак (СПб АУ НОЦНТ РАН СПб)

Аннотация

Предложена и обоснована схема формирования тонкопленочных покрытий на сферических поверхностях в условиях изменения ориентации обрабатываемого изделия относительно ионного потока. Представлены средства математического обеспечения и методика расчета процесса формирования покрытий с учетом требований по допустимой неравномерности толщины покрытия на уровне сотых долей микрометра..

Ключевые слова: сферический ротор, ионный поток, ориентация, угол поворота, равномерность покрытия.

Введение

При изготовлении узлов гироскопических приборов один из наиболее важных элементов технологического цикла связан с формированием на прецизионных поверхностях, выполненных с точностью в десятые и сотые доли микрометра, различного рода функциональных покрытий, например, выполнение на сферических роторах электростатического гироскопа (ЭСГ), тонкопленочного покрытия нитрида титана. Это покрытие обладает износостойкостью, обеспечивающей посадки ротора, и на нем посредством лазерного маркирования выполняют растровый рисунок для съема информационного сигнала с ротора.

К покрытию, наиболее эффективным методом получения которого является конденсатно-ионная бомбардировка или магнетронное напыление, предъявляется комплекс жестких требований, основным из которых является его однородность по толщине на уровне сотых долей микрометра. Проблема в данном случае определяется тем, что при напылении на сферу толщина формируемого покрытия зависит от угла падения ионного потока или потока осаждаемого материала на напыляемую поверхность. При этом необходимым элементом технологии является изменение по заданной программе ориентации изделия относительно ионного потока, т.е. постоянное изменение указанного угла падения по отношению к различным участкам сферы.

1. Объект исследований, цель и постановка задач

Объектом исследований являлся ротор ЭСГ на стадии формирования на его сферической поверхности тонкопленочного функционального покрытия толщиной 0,5-1,0 мкм с допустимым отклонением по толщине не более сотых долей микрометра.

В известных технических решениях [1] в процессе напыления ротор устанавливается на шаровом элементе и фиксируется кольцом, имеющим диаметр больший, чем диаметр ротора и размещенным в средней части ротора. Кольцо и шаровой элемент вращаются в противоположные стороны с различными угловыми скоростями. Траектория вращения ротора задается величиной смещения его центра симметрии относительно оси вращения шарового элемента и соотношением угловых скоростей вращения кольца и шарового элемента. В данном случае имеет место произвольно-хаотичное перемещение ротора относительно ионного потока, что не обеспечивает требуемой точности процесса. Кроме того, поскольку ротор постоянно прокатывается по опорным элементам, на формируемом покрытии возможны локальные дефекты. Такие же недостатки присущи и технологии [2], при которой напыляемая сфера закреплена в узле фиксации, установленном на внутренней из двух подвижных рамок. Каждая рамка и узел фиксации имеет возможность автономного вращения. Получение требуемой точности покрытия за счет выбора частот вращения электродвигателей крайне сложно.

Целью работы являлось создание методики расчета с определением условий и основных значимых параметров процесса ориентации сферического ротора относительно ионного потока при формировании тонкопленочного покрытия с выявлением зависимости характеристик покрытия от этих параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- выбор варьируемых факторов и схемы позиционирования ротора, позволяющих объективно оценивать процесс образования тонкопленочного покрытия на сферической поверхности;

- моделирование процесса напыления с согласованием выбранной схемы и реальных условий позиционирования ротора;

- определение корреляции характеристик формируемого тонкопленочного покрытия и параметров, определяющих заданную закономерность изменения ориентации ротора относительно ионного потока.

2. Схема формирования покрытия и методика расчета

Для анализа процесса формирования тонкопленочного покрытия на сферической поверхности ротора 1 (рис.1) можно сформулировать следующие положения:

Рис.1. Формирование покрытия при вращении вокруг одной оси (а) и при последующем повороте сферы на угол ц (б).

- в условиях однородного потока напыляемого материала 2, толщина тонкопленочного покрытия h_x в данной точке сферической поверхности определяется выражением:

h_x = h•cosц, (1)

где ц - угол между направлением потока 2 и нормалью к плоскости, касательной к сферической поверхности в данной точке, h-толщина покрытия в позиции, соответствующей точке a, в которой ось потока 2 перпендикулярна плоскости, касательной к ротору 1 в точке a, т.е. угол ц=0⁰;

- для выявления закономерности и оценки изменения толщины покрытия целесообразно рассмотреть два последовательных этапа его формирования: на первом этапе вращение ротора вокруг оси О₁О₂, перпендикулярной потоку 2, а на втором - вращение ротора при изменении его ориентации относительно потока 2, определяемой одномоментным поворотом ротора вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа, на угол ц.

Предложенная схема (рис. 1) при напылении на исходную сферу ротора 1, когда диаметральная плоскость mn совпадает с осью вращения О₁О₂, позволяет представить конфигурацию покрытия 3 на первом этапе (рис. 1-а) в виде пленки переменной толщины.

И если обозначить в позиции точки а толщину слоя 3 равную h, то в позициях точек позициях точек c и b, учитывая принятую зависимость (1), толщина этого слоя будет определяться выражениями

h₁ = h•cosц, (2)

h₂ = h•cosц/2 (3)

Ротор при этом приобретает форму эллипсоида вращения, вытянутого вдоль оси, перпендикулярной оси О₁О₂. На втором этапе при одномоментном повороте ротора 1 на угол ц (на рис. 2-б направление поворота показано стрелкой) диаметральная плоскость mn занимает положение, показанное на рис.2-б, а с осью вращения О₁О₂ совмещается плоскость m₁ n₁. На место точки а на поверхности ротора 1 устанавливается точка d.

На втором этапе (рис. 2-б) при вращении ротора вокруг оси О₁О₂ на полученном покрытии 3 формируется слой 4, изменение толщины которого также описывается выражениями (2) и (3). Из рис.1-б следует, что после второго этапа напыления суммарная толщина покрытия в позициях точек a и d определяется выражением:

Рис.2. Выбор значений угла поворота в зависимости от требуемой равномерности покрытия

h₁ + h = h•(cosц+1) (4)

А для дуги ad можно определить наибольшую разность Д толщин покрытия, выбирая точки e и a (или d)

Д=2 h₂ - (h₁ + h)= h(2cosц/2 - cosц - 1) (5)

Вводя обозначение k=?/h и используя выражение для половинного угла: , получаем уравнение в виде:

, (6)

которое является квадратным уравнением относительно cos ц/2.

Для квадратного уравнения:, где приближённое равенство написано с учётом малой величины параметра , с учетом того, что при , получаем приближённое решение:

или

Наиболее наглядно указанное приближенное решение можно представить в графическом виде.

На рис.2 представлен график функции (сплошная чёрная линия), соответствующий точному решению и график функции (штриховая линия), соответствующий приближённому решению. Из графика следует, что для углов ц до 50⁰ кривые функции практически совпадают. Решением данного уравнения будут абсциссы точек пересечения данного графика с горизонтальной прямой . Очевидно, что значения угла ц могут быть и отрицательными, что соответствует изменению направления поворота ротора. Для реальных вариантов, например, для значения k в пределах 0,05-0,08, что при величине Д=0,03 мкм соответствует толщине h в диапазоне 0,4-0,6 мкм, угол ц будет составлять 26⁰ - 34⁰.

Практическое использование приведенной методики расчета связано с определением кинематической схемы изменения ориентации ротора. Наиболее эффективной в данном случае является схема [3], представленная на рис.3.

Ось О₃О₄ циклического поворота наклонена к оси О₁О₂ постоянного вращения под углом б.

Рис.3. Схема поворота ротора

При одномоментном повороте ротора 1 вокруг оси О₃О₄ на угол в точка а, расположенная на оси ионного потока 2, перемещается по траектории 3 в точку с₁. В процессе последующего вращения ротора 1 вокруг оси О₁О₂ точка с₁ перемещается по траектории 4, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси О₁О₂, занимая позиции, отмеченные на рис.4 точками с₁ и с. При этом будет обозначен и угол ц, величина которого определяется на основании приведенной выше методики расчета. Взаимосвязь указанных углов, которые являются значимыми параметрами процесса изменения ориентации ротора можно определить достаточно очевидными преобразованиями и представить в виде выражения:

(7)

Для практической реализации приоритетным значимым параметром является значение угла ц, определяемого, как указано выше, построением графика функции , где , исходя из задаваемых значений Д и h.

Для выбранной величины угла ц в соответствии с выражением (7) выбирается сочетание углов б и в. Например, для значений б = 45⁰ и в = 90⁰ угол ц будет равен 30⁰. При этом очевидно, что углы б и в, значения которых задают угол ц, должны быть регулируемыми, поскольку угол ц определяет основную характеристику тонкопленочного покрытия - равномерность в части его толщины.

ротор ионный тонкопленочный покрытие

Заключение

1. Сформулированы исходные положения и условия построения методики расчета, включающей аналитические зависимости и графические построения, технологического процесса формирования тонкопленочных функциональных покрытий на сферических поверхностях.

2. Определены значимые параметры и варьируемые факторы процесса позиционирования и ориентации ротора, обеспечивающие возможность регулировать процесс формообразования покрытий с точностью на уровне сотых долей микрометра.

3. Разработана математическая модель позиционирования и изменения ориентации сферических конструкций относительно потока напыляемого материала при формировании покрытия заданной конфигурации.

4. Определены зависимости характеристик формируемого покрытия от значимых параметров процесса позиционирования и ориентации ротора.

Литература

1. Беляев С.Н., Щербак А.Г. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющие форму тел вращения. «Навигация и управление движением» Материалы X конференции молодых учёных, ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008 г.

2. Ивашов Е.Н., Оринчев С.М., Степанчиков С.М, Кожевников А.И. Устройство для нанесения покрытий в вакуумных установках./ Патент РФ 2038416, C23C14/50.

3. Туманова М.А., Юльметова О.С., Фомичев А.М., Щербак С.А., Технологические аспекты формирования функциональных элементов на поверхностях узлов гироприборов. Материалы XVI Конференции молодых ученых, ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2014 г.

Размещено на Allbest.ru