Введение к работе
Актуальность темы диссертации. 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). 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. Допуски на отклонение размеров такого профиля по глубине, как правило, не превышают ~ 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 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 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.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
Проведен анализ применяемых в машиностроении форм газодинамических канавок и предъявляемых к ним требований по качеству изготовления для надежной эксплуатации бесконтактных газовых уплотнений валов компрессоров.
Разработан, изготовлен и апробирован источник быстрых нейтральных атомов аргона, способный беспрерывно в течение нескольких часов травить фасонные углубления глубиной в несколько десятков микрометров на поверхности твердых диэлектрических материалов.
Установлены и исследованы основные факторы (условия) процесса «сухого» физического травления, оказывающие влияние на производительность и параметры качества создаваемых газодинамических канавок.
Разработана технология травления фасонных газодинамических канавок на плоской поверхности уплотнительных колец из керамики с требуемыми параметрами качества с помощью источника быстрых нейтральных атомов аргона.
Исследованы процессы ионного азотирования и нанесения покрытий на инструменты из быстрорежущей стали и установлено влияние бомбардировки ионами из плазмы в процессе обработки на микрогеометрию режущей части.
Разработана технология азотирования и нанесения покрытий на инструмент из быстрорежущей стали в плазме, получаемой ионизацией газа пучком быстрых нейтральных молекул азота, в результате которой не происходит увеличения радиуса округления режущей кромки по сравнению со значением данного параметра, достигаемого при использовании традиционных технологий.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теории резания, теории прочности, материаловедения, а также основных положений технологии машиностроения и физики плазмы.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях по стандартным и оригинальным методикам с использованием аттестованных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ЭВМ с использованием стандартного программного обеспечения.
Научная новизна состоит в:
разработанных и экспериментально подтвержденных методиках 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 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 нейтраль
ных атомов и молекул, способного длительное время распылять диэлектрические ма
териалы и получать пучки быстрых молекул химически активных газов;
разработанной технологии изготовления спиральных газодинамических канавок на поверхности подвижного уплотнительного кольца из а-корунда глубиной до 20±0,5 мкм, с шероховатостью Ra ~ 0,4 мкм.
разработанной 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.
Апробация и реализация результатов диссертации. Работа выполнялась в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 02.740.11.0129 от 15.06.2009г. «Проведение коллективом научно-образовательного центра «Центр физико-технологических исследований» работ по созданию и практической реализации технологий и оборудования для высокопроизводительного травления сложнопро-фильных углублений в изделиях из композиционных и керамических материалов широким пучком быстрых атомов» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». 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).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 16 печатных работах, среди которых 7 - в реферируемых журналах из перечня ВАК. Список основных публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы с общим объемом 133 страницы, содержит 69 рисунков и 5 таблиц. Список цитируемой литературы включает 62 наименования.
