автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Научные основы управления качеством электронно-лучевой обработки изделий из специальных оптических материалов

НАЦЮНАЛЬНИЙ ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ УКРА1НИ " КШВСЪКИЙ ПОЛ1ТЕХН1ЧНИЙ 1НСТИТУГ "

На правах рукопису УДК 621.338.27:537.221

Ващенко Вячеслав Андршович

HayKOBi основи керування яюстю електронно-променево!" обробки вироб1в Í3 спещальних оптичних матер1ал1в

Спещальшсть 05.03.07 - Процеси лазернох та ф13ико-техщчно1 обробки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацн на здобутгя наукового ступеня доктора техшчних наук

Кшв-1996

Дисертацтею б рукопис.

Робота виконана в Черкаському хнженерно-технологхчному 1 нетитутI на кафедр! фхзики.

Науховий консультант: чл.-кореспондент 1нженерно! Акадеьп!

Укра!ни, доктор техшчних наук, професор Д.1.Котельников

0ф1Ц1Йн1 опоненти : Доктор технхчних наук, професор Л.Ф.Головко

Доктор технхчних наук, професор А.А.Бондарев

Доктор фхзико-матеиатичних наук, професор В.Г.Литвинов

Провшна орган1зац1Я - виробниче об'вднання "завод Арсенал",

ы. Ки1в

Захист в1дбудеться "48 " Ой 1996 р. о 15.00 годин: на зас1даннх спецхалхзовано! вчено! ради Д 01.02.09 при Нащональному Теюпчному Университет! Украхни " Ки!вський пол1технхчний шетитут" за адресов: 252056, и. Кихв,

пр. Перемоги, 37 корп. I, ауд.214.

3 дисертащею ыожна ознайомитись у б1бл1отец1 Нащональ-ного техшчного ун1верситету Украхни "Ки!вський полхтехнхчний 1нститут".

Автореферат роз 1сланий " /у?"_(Я*) 1996 р.

Вчений секретар спецхалхзовенох вчено! ради Д 01.02.09 доктор технхчних наук, професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Акт.уальн1сть ..теми. В тепер1шн1й час одн1вго хз важливих проблем, що стоять перед точним приладобудуванням, 1Ч-техткою, засобами аерокосм1чнох техники та хншями важливими гадузями промисловост1 в шдвшцення довговхчностх х над1йност1 роботи вироб1в оптичних матерхалгв, якг експлуатуються в екстремаль-них зовтшнхх умовах /п1двищеН1 температуря нагрхву, зовнхшнхй тиск, надзвуковий обдув потоком повхтря, осесиметрячнх обертан-ня/.

Це обумовлено, з одного боку, тим, що мхкрорельеф I дефек-ти поверхнх виробхв, як: залищаються пхсля традищйних методIв хх обробки /механ!чно1, х1м1чнох, полум'ям та гн./, призводять до зменшення роздхльно? здатностх виробхв, зародження тр1щин в порушених приповерхневих шарах г зниження 1х загальнох механхч-но1 мхцност1. 3 хншого боку, вироби в екстремальних умовах екс-плуатац11 зазнають 1нтенсивних термодхй, ЯК1 призводять до по-рушення IX поверхневих шархв.

Традтцйн1 способи обробки матер!ал1в розвицутх А.П.Гаври-шем х його учнями для $1Н1ПШох обробки оптичного скла, включа-точи 1 хцлий ряд хнших високомхцних 1 труднооброблюванях мате-Р1ал1в, ие дозволяють отримувати гладК1 з М1Н1мальною шорст-к1стю, чист1 I бездефектш поверхн1, ЯК1 вхдповщають вс1м ви-могам субм1Кронних технологгй рхзного призначення, якг хнтем-" сивно розвиваються х виключити порушення вироб1в при хх експлу-атац11.

Фундаментальнх х застосовН1 дослцщення, що проведенх в об-ластх розробок нових високохнтенсивних технологий обробки рхз-них матерхалхв Н.М.Рикал1ням, 1.В.Зуввим, В.С.Коваленком, ДЛ.Котельниковим, Л.Ф.Головком, Г.В.Дудко та 1Н. показали, що найбхльш перспективними джерелами енерг!? для таких технолог^ е с|окусован1 потоки заряджених часток /електрошв, 10Н1в/, лазерне випромхнювання, потоки низькотемпературно! плазми та хн.

Зокрема, в роботах Г.В.Дудка та його учнхв були встановле-Н1 ПриНЦИП1алЬН1 М0ЖЛИВ0СТ1 ЯКХСН01 обробКИ ВИР061В 13 оптичного сила I керамхк рухомим електронним променем стрхчковох форми.

Проте, в1дсутн1сть наукових основ керування як1стю електрон-но-променево1 обробки виробхв 1з оптичних матерхалхв, що базу-ються на створеннх сучасного ефективного технологичного, лабо-раторно-випробувального, експериментального, математичного I програмного забезпечень, не дозволили довести електронно-проме-неву обробку до рхвня керованох, що дае в1ДТворюван1 результати технолог1ЧИИх процесхв.

М^тою роботи б теоретичне узагальнення закономхрностей теп-лово1 Д1х стр1чкового електронного променя на оптичне скло, ке-рамхку х вирхшення важливо'1 народногосподарсько! задачх по ке-руванню якIсто електронно-променево1 обробки виробхв ьикроелек-трошки, штегральнох I волоконно! оптики, 1Я-техн1Ки та 1Н., що використовуються в умовах екстремально? зовн1шньоТ ды.

Для досягнення вказанох мети поставлен! та роэв'язанх таК1 оедэдн! дадач!:

1. Проведений теоретичний аналхз сучасних технологхчних процесхв обробки виробхв хз оптичних матерхалхв х метод1в математичного моделювання процесхв обробки матерхалхв К1Е.

2. Теоретично уэагальнен1 процеси х розробленх 1нженерн1 методи розрахунку:

- розпод1лу температури I хх градхвнта вздовж поверхН1 виробхв I по !х товщинх, а також швидкостх нагрхва виробхв, що обдува-ються надзвуковим пов1тряниы потоком, в залежност1 вхд рхзних умов IX польоту /висоти I швидкостх, температури I складу ото-чугочого середовища/;

- розподШв температури, и градхента х швидкост1 нагрхва в рхзних точках вироб1в при IX обробц1 стрхчковим електронним променеы в залежност1 в1д форми I розмхрхв виробхв, а також вхд технологхчних параметрIв електронного променя;

- оптимальних технологхчних параметров електронних променхв, сукупна д1я яких на оброблюван1 вироби реалхзуе заданх розпо-Д1лен1 по поверхнх вироб1в теплов1 дп.

3. Проведенг експериментальн1 дослхдження залежност1 мо-дифякованих властивостей поверхнх та поверхневих шархв оптично-го скла I керамхк вхд технологгчних режим1в електронно*-промене-во1 обробки, а також параметров екстремальних зовнхпшх д!й:

2

л

температур нагрхву/до 800 К/, зовнхшнього тиску /до 250 кг/см /, швидкостеЯ обдува потоком повгтря /до 2000 м/с/ г кутових швид-костей обертання /до 70000 об/хв/.

4. Розроблена математичка модель i алгоритм оптимхзацхх вибору заходгв по впровадженню на п1дпривмтв1 виробхв хз оптич-них матерхалiв з покращенимя характеристиками пхсля керовано? електронно-променевох обробки при умовах жорстких обмежень на фхнансовт кол?л.

5. Модифхкована електронно-гтроменева установка для П1двик щення якост1 обробки виробхв 13 оптичного екла i керам«, роз-роблено випробувальне обладнання для дослщження поведхнкя ви-робгв в лабораториях умовах, що моделшть екстремальн1 умови ix експлуатацп.

6. Розроблено спецхалхзоване програмне забезпечення у виг-ляд1 комплекса пакетхв прикладних програм, орхентованих на ЕОМ р1зного piBHfl ЕОМ, ПЕОМ класу IBM/, для проведения 1нженер-них розрахушйв, як основа автоматизованих систем проектуяання

i керування технолог1чними процесамя електронно-променево! об* робки виробхв хз спещальних оптичних матер!алib.

Методики дрсл1джень. OchobhI науков1 положения, висновки i аргументаци, сформулюван1 в дисертацп, отриманх з Еикорис-танням сучасних методхв фхзичного аналхзу /оптично! i едектрон-hoi MiKpocKonii,ренагено$азного аналхзу, штерферометричних i спектроскоп1чних методхв, пшрен-фотографхчних i методхв без-контактного вимхрювання температури, визначення твердocti мате-piaaiB та in./, математичного моделювання i чисельного аналгза /г1дро- i газодинам!ки, Teopir нелшхйно; теплопроводность хнтегральних перетворювань Фурье, математично? статистики, ба-гатокритерхальног аптимхзацп та ih./. При розробцх окремих пристро'1в i вузлхв електронно-променевого i лабораторно-випро-бувального обладнання використовувалась сучасна елементна база, а розрахунки по математичним моделям проводились в flia-логовому режямг на сучасних ЕОМ э використанням специально розроблених пакетхв прикладних програм.

Наукова новизна. В роботх отриман1 сл1дуюч1 новх науко-Bi результати:

1. Вперше теоретично узагальнен0 i установлен! закономхр-ностх впливу технолог1чних параметрin електронного променя /пи-томох пот;/жност1, швидкостх перемщення/ на як1снх характеристики noßepxHi i поверхневих шархв оптичного скла i кераьцк /температуру, висоту залишкових мхкронерхвностей, мхкроструктуру, глибину поверхневого оплавления, мхкротвердхсть i тощину змхц-нених mapiß/.

2. Отримзнх данм про поведшку вироб1в хз оптичних матерх-ал1в в б1льш широкому flianasoHi зьпни параметр1в екстремальних зовнхшн1х умов /температура HarpiBy до 800 К, зовн1ШН1й тиск

до 250 кг/см^, швидкхсть обдува потоком пов1тря до 2000 м/с, кутова швидкхсть обертання до 70000 об/хв/.

3. Вперше запропонований теоретичний метод оптимального ке-рування сукупною дхею едектронних променхв на оброблюванх ггротя-женн1 вироби, що дозволяв розрахунковим шляхом визначати оптимально значения параметр!в електронних променгв /число проме-His, ix Miсцерозташування, потужнхсть г иоеф1щент зосереджен-ностх кожного променя/.

4. Побудоват нелшхйнх математичщ модел1 кхнетичного на-rpiBa надзвуковим потоком повгтря виробiв гз оптичних матерia-л1в /пластини, сферичнх оболонки/, що враховують температурнх залежностх теплофхзичних властивостей матерхала виробхв, умови . контакта на межгъ розмхри i форму виробхв, ЯК1 дозволяють розраховувать з вхдносною похибкою 15...20 % вплив параметргв зовн1Шнхх умов /висоти i швидкост1 польота/ на мхсцероэтащу-вання на ix поверхщ зон, в яких вироби пхддаються хнтенсивним термодхям.

5. Розроблений комплекс одно-, двух- i трьохмхрних нел1-Н1Йних математичних моделей нестацхонарнох тепловох дгг рухо-мого стр1ЧКового електронного променя на вироби ia оптичних матер1ал1в, що дозволяе, завдяки сукупному врахуванню темпера-турних эалежностей х теплофхзичних властивостей матер1ала, po3MiptE i форми виробхв /тонкопл1вков1 елементи, одно- та днухшаров1 пластини, цилхндричнх, сферичш i криволхн1йт /з двоякою кривизною/ елементи, прям оку тш бруски/, точнхше розраховувать /вхдносна похибка 10...15 % замхсть 30...40 %/ вплив параметрхв променя /потужност1 i форми fi розпод1лення,

швидкост1 перем1щення, коеф1Ц1внта зосередженост1 х розмгрхв/ на характеристики теплових полхв /температуру, градхвнт тем-ператури, швидкхсть нагрхву/ 1 тим самим керувати процесом негр: ву виробхв.

б. Побудованх кваз1стац10нарнх нел1н1йн1 математичнх мо-дел1 поверхневого оплавлення виробхв хз оптичних матерхалхв ру-хомим стр1ЧК0вим електронним променем, що враховують температуря! залекност1 теплофхзичних властивостей материала виробхв I р1зн1 швидк1снх режими руху променя /пом1рнорухаючийся I швидкорухаючийся промёнь/ х дозволягть розраховувать з выносное похибкою 15...20 % вплив. технологхчних параметр:в променя /питома потужнхсть, швидкхсть перемщення/ на товщину оп-лавленого шару, тобто керувать розмхрами ргдког ванни, що утво-рювться на поверхнх вироба.

7. Вперше розроблена багатокритергальна математична модель г модифхкований чисельний алгоритм оптимгзацгг впровадження на п1дприбмств1 виробхв 13 оптичних матерхалхв з покращеними тех-нхко-експлуатацхйними характеристиками пхсля якхснох елек-тронно-променево5 обробки в умовах жорстких обмежень на финансов I кошти.

В. Вперше на отриманхй базх данних, розроблених математич-них моделях х спещалхзованому програмному забезпечеюп, що представляють собою технолог!чн1 основи, розроблений алгоритм керування якхсними характеристиками поверхнх х поверхневих ша-Р1в виробхв хз оптичних матер!алхв при електронно-променев1й обробщ з врахуванням екстремальних зовнхшнхх умов хх експлуа-тацх!.

9. Розробленх оригхнальн!, на р1вн1 винаходхв, технологхч-не електронно-променеве обладнання, комплекс 13 трьох лабора-торно-випробувальних установок, пристро! I методи для вимхрю-вання 1 контроля параметров обробки 1 експлуатацы виробхв.

Практична _1пннх_сть роботи полягав в розробхц науково-тех-нхчно? бази для керування якхстю електронно-променевох поверх-невог обробки виробхв хз оптичного скла 1 керамхки, що широко використовуютъся в ргзних галузях прошсловостх /мхнроелек-трон!Ц1, !нтегральн1й I волокотий оптшц, Н-техн1цх та хн./.

Ыожливост! використання результатхв роботи:

- при створетп автоматизовано! системи керування процесом електронно-променево! поверхнево! обробки виробхв хз оптич-них матер1ал1в;

- при розробцх : впровадженш технологхчних процесхв електронно-променевого полхрування поверхонь оптичного скла х змщнен-

ня поверхневих шархв оптичних керашк;

- при проектувашп I розробщ електронно-променевого технологичного обладнання, засоб1в вим1рювання I контролю параметр!в технологхчних процесхв обробки;

- при створетп лабораторно-випробувальних стенд1в, що моделю-ють екстремальш умови експлуатацп вироб1в /п:гдвищений зов-нхшнхй тиск I температури нагрхва, швидкостх обдува потоком повхтря х обертання/, х розробщ методхв вим1рювання I контролю хх технхко-експлуатацхйних параметрхв в процесс випро-бувань;

- при чисельноцу рхшетп в дхелоговому режимх на ЕОМ р1зно-манхтних 1нженерно-технолог1Чних задач: розрахунок темпера-турних та дифузШшх полхв, гхдро-газодинам1чних характеристик, керування технологхчнимя режимами, багатокритерхаль-на оптим1зац!я та ш.;

- в навчальному процес1 студентхв механ1чних та технологхчних спецхальностей э курс1в "Електро-$1зико-х1м1чн1 методи обробки", "Технологхя машинобудування" та 1Н.; в практична Д1-яльност1 наукових еп1вробх:тник1в та асп1рант1в, ЯК1 спецха-лхзуються в облает! високоефективних процесхв обробки.

Реал|зацIя ..роботи. Результат» теоретичних х експеримен-тальних дослщкень впровадженх в 1984-1994 рр. на рядх пхдпри-емств Украхни /ПО "завод Арсенал", ЩБ "Арсенал", Кихвський Iнетитут нових фхэичних I застосовних проблем, Запорхзький ма-шинобудхвний Iнетитут, НПО "Ротор", НШ "Фотоприлад", Черкась-кий завод телеграфно: апаратури, Черкаський приладобухивний завод, Черкаський хнженерно-технологхчний 1нститут та хн./:

- результати експериментальних дослхджень властивостей моди-фхкованих поверхневих шархв оптичних матер!алIв 1 результати 5х випробувань в умовах, близьких до умов експлуатацхх;

- спец1алхзован1 ППП для розрахунку на ЕОМ оптимальних умов експлуатацхх виробгв, теплових полхв у виробах при IX елек-

трснно-прсменевхй обробцх, оптимхзаци теплово? ди сукупнос-Т1 електрондах променхв;

- технологхчне електронно-променеве обладнання, оптимальн1 резкими полхрування I зм1цнення оптичних матер1ал1в, лаборатор-но-вяпробувальн1 установки;

- наукова методологхя оптим1эацп впроЕадження на пхдприемствх Еиробхв з оптичних матерхалхв п!сля електронно-променево1 об-робки.

Зазначещ реэультати роботи були використащ при розробщ сер1йних виробхв мхкроелектронхки, штегральнох г волоконно'х оптики, оптико-механ1Чних приладхв 1Ч-област1 спектра, оптико-електронних I хнтегрально-оптичних пристосувань спещального призначення, що дозволило: зменшити висоту залишкових мхкроне-рхвностей поверхн1 виробIв в 10...15 раз1в, пхдвищити ударну М1ЦН1СТЬ поверхневих шархв виробхв на 50...60 зменшити га-барити х вагу виробхв в 4...5 разхв; збхльшити строк служби виробхв в 1,5...2 рази. Економхчний ефект вхд впровадження результате роботи склав бхльше 2 млн. крб. / в цхнах до 1992 р./.

За тематикою дисертацы П1Д керхвництвом автора та при його безпосередн1й участ1 були виконанх науково-досл1дщ госп-догов1рн1 х держбюджетнх роботи, теоретичне узагальнення I завершения як1 знайши при виконаннх проекта 6.8-303 "Розробка технолог!I I метрологхх електронно-променевох обробки оптичних деталей" /постанова ДШТ Укра!ни № 12 вхд 04.05.92/, науко-вим керхвником якого був автор. Результата роботи використо-вуються також у навчальному процес1 Черкаського хнженерно-технологхчного шституту.

Апробахпя _роботи. Основн! положения, науковх I практичнх результат« роботи доповхдались на мхжнародних , Всесоюзних, республ1канських х галузевих науково-технхчних конференциях, сем1нарах х нарадах: науковх семшари по технолог? СВС-син-теза /01ХФ АН СРСР, м. Черноголовка, Московська обл.,1974 р., 1975 р., 1979 р./; Всесоюзна НТК "Вопросы испарения и газовой динамики дисперсных систем" /Одеський державний университет, 1974 р./; Всесоюзна НТК "Тепловые двигатели в народном хозяйстве." / 1жевський механхчний шетитут, 1974 р./; галузев1 на-уково-техн1чн1 наради з газовох динамхки /и. Люберц1, Московська обл., науково-дослхдний шетитут х1М1Чного машинобудування ,

1975, 1979 гг./; Всесоюзна НТК "Методы и практические проблемы повышения эффективности использования трудовых, материальных и энергетических ресурсов в химической, нефтехимической, микробиологической промышленности и промышленности строительных материалов" /и. Щнськ, науково-досл1дний шститут технгко-еконо-мхчних дослхджень, 1980 р./; Всесоюзий семхнар "Методы получения, свойства и области применения нитридов" /м. Рига, хнсти-тут неорганхчно'х xîmîï АН Латв. PCP, 1984 р./; Всесоюзний се-MÏHap "САПР и АСУТП в химической промышленности" /и. Черкаси, фШал Ки1вського пол1техн1ЧИого 1нституту, 1937 р./; Всесоюзна НТК "Проблемы обработки поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии" /м. MiHCbK, фхзико-техтчний ïh-ститут, 1988 р./; Всесоюзна НТК "Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии" /Пензенський полiтех-нхчний 1нститут, 1988 р./; Всесоюзна НТК "Современные проблемы механики и технологии машиностроения" /Московський енергетич-ний iнетитут, 1989 р./; 1У Всесоюзна НТК "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве" /Московський енерге-тичний 1нститут, 1992 р./; П Всесоюзна НТК "Физика и техника монодисперсных систем" /Московський енергетичний iнетитут, 1991/; I Всесоюзна НТК "Интегральная оптика" /Ужгородський державний унхверситет, 1991 р./; Бвропейська конференцхя-виставка по ма-тер1алам та технолог!Ям "Восток-Запад" /м. Санкт-Петербург,

тацхйнох роботи отриманх автором самостгйно. Роботи по экспериментальному доелвдженню та впровадженню виконувалися разом з сшванторами, прхзвища яких наведено в перелхку публхкацхй. 1з робхт, що опублхкованх у спхвавторствх, використовуються результати, отриманх особисто пощукувачем.

Публхкаци, По темх дисертацх:йно1 роботи опублхковано 60 наукових праць, у тому числ1 5 монографий, 2 брощури I 3 ав-торських евхдоцтва на винаходи.

Структура I обсяг робота. Дисертагцйна робота складаеться 1з вступу, 6 розД1Л1в, висновК1в, списку лхтератури та додаткхв I включае 243 сторхнки основного тексту, 102 рисунка, 14 таб-лиць, список лхтератури з 309 найменувань та 70 сторхнок додаткхв.

Росхя, 1993 р./.

. Ochobhî науковi результати дисер-

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ

На початну роботи обгрунтовуеться важливхсть проблеми, х! народно-господарське значения, актуальность питань, яким при-свячена дисертахця, поставлена мета роботи I сформульован1 ос-новнх задач1, що вирхщупться в нхй. В лхтературному огляд1 проведено анал1з сучасних технологхчних процесгв обробки вир061я 13 оптичних матер1ал1В. Показано, що вс1М традицхйним методам полхрування оптичного скла притаманщ слхдуючх серйозн1 недолги: механхчному полхруванню - наявнхсть порушеного поверхневого шару 1 прихованих дефектов типу подряпин, локальних упроваджень абразивних зерен та хн.; ххмхчному пол1руванню - низьна точ-нхсть збереження геометричних характеристик поверхнх, що оброб-люеться 1 еколог1ЧНо брудне виробництво; х1м1ко-механхчне полхрування - В1дсутн1сть екологхчнох чистоти х наявнхсть порушеного шару, незважаючи на його малу, у порхвняинг з механхчним полхруванням товщину /десят1 дол1 мкм/; полхрування подум'ям 1 шфрачервоне пол1рування - непередбаченхсть зм1ни геометричних характеристик поверхн1 виробхв 1 неможливхсть отримання джерел дп з високою концентрацхею енергп. Сучасн1 методи П1двищення М1Цност1 оптичних керам1к, як1 направлен!, в основному, на зм1-ну стану поверхнх матер1ала або складу \ структури його припо-верхневих шархв, а також на використання епехцальних композиц1й-них матергалхв /волокнистих, шаристих та ш./ безпосередньо в технологхчних процесах виготовлення матерхалхв, малоефективнх, екологхчно брудш I дорогсвартхснх. При цьому встановлена прин-ципова мсжлив1сть I перспективнхсть якхсного полхрування 1 змхц-нення виробхв хз оптичного скла I керамхк при електронно-проме-невхй обробцх, до числа значних переваг якого вщносятьея: при пол1руваннх скла усуваеться порушений шар, прихован1 дефекти типу рисок, подряпин та ш., $ормуються поверхн! 13 залишковими мхкронерхвностями до 5 нм, зберх:гаються 1х геометричш характеристики при еколог1чно чистому виробництвх; зм1цнення керам1к е достатньо простим методом, який мае високу технолоНчцу чистоту х не потребуе змхни технолог11 виробництва материалу, що викорис-товуеться.

Але, вхдсутнхсть систематизованого наукового П1дходу до рхшення проблеми п1двищення якост1 електронно-променево! обробки виробхв 13 оптичного скла х керамхк, що базуеться на сучас-

ному математичному та програмнону забезпеченнх у виглящ1 паке-тхв прикладних програм, а також баз! експериментальних данних, що пов'язуе основнх характеристики якостI обробки /температуру поверхнх Тп, висоту залишкових мхкронерхвностей К , глибину оплавленого шару Кт > мхкротвердхсть Ну » товщину змхцне-них шархв Д та 1н./ з керованими технолог1чними параметрами електронного променя /потужнхстю Р або питомою потужнхстю Руд. > швидк1стю перемщення V » формою розподхлення потуж-ностх , кое$1Ц1ентом зосередженост1 & , часом обробки I розмхрами зони дп променя/ х враховуючих екстремальн1 умо-ви експлуатацхх вироб!в, не дозволило довести електронно-про-меневу обробку до рхвня керованох, що дае вхдтворюванх резуль-тати технологхчних процесхв. Тому дана робота присвячена ство-ренню наукових основ керування як!сними характеристиками повер-ХН1 I поверхневих шаргв виробхв хз оптичного скла 1 керамхк Р1ЭН0Г0 призначення при !х електронно-променевгй обробхц э ура-хуванням екстремальних умов експлуатацп

Для проведения дослхджень Д11 електронного променя на ви-роби 13 оптичних матерхалхр, либору технолоНчних рекимхв, а також дослхдження I випробування вироб1в в умовах екстремальних зовн1пшх д!й був розроблений комплекс установок, що скла-даеться 13 електронно-променево"1 установки ! трьох експериментальних установок по дослхдженню зовкшпх дхй, як1 эахищен1 авторськими свхдоцтвами на винаххд.

Електрснно-променева установка складаеться хз слхдуючих ос-новнйх вузл1в:

- приймально! чаетини шфрачервоного /14/ випром1нювання в1д оброблюваного вироба на баз1 фоторезистора х мехашчного пристрою, що виключае засв1чування виробу розкаленою ниткою катода електронно! гармати;

- аналого-цифрового перетворювача, що перетворюе сигнал з пхд-силювача у двохчний код послхдуючо1 машинно! обробки;

- керуючох мшх-ЕОМ типа К1-20 для накопичення шформаци про зм1ну температури поверхнх вироба, що оброблюеться;

- привода обертального руху вироба;

- електроннох гармати э керованим законом розпод1Лення густини потока енергп по двом координатам I електростатичним В1дхи-

лещмям променя. т0

ВIдмхиною особлив1стю данно'1 установки в!д хснуючих елек-тронно-променевих установок , в наявнхсть у не! програмно керо-вано'1 оснастки для вим1рюваннк температури окремих дхлянок об-роблюваних поверхонь вироб1в, а також оригхнального механгчного пристрою, що представляв собою протифазне обертання джмпв з проргзями, для виключення засвгчування фоторезистора розкаленою ниткою катода електронно! гармати. В установщ застосовувався низькоенергетичний електронний ггромхнь стрхчково! форми слх-дуючими керованими параметрами: питомою потужнхстю до Ю^Вт/см^; швидк1стю перемщення до 10 см/с; коефщйнтом зосередженост1 до 400 см~^; розм1рами зони дхг до З..Л00 мм. В якостх об'вк-тхв досл1джень. використовувались вироби 13 оптичного сяла УК-8, К-Ю8, К-208 та 1Н./ х керамхк Д0-1, КО-2, КО-12 та ш./ рхзнох форми 1 розмхрхв: прямояутнх пластини /70x14x16 мм/, цилхндрич-Н1 елементи /дхаметром 20...25 мм, товщиною 4...б мм/, сферичнх елементи /дхаметром 40.».50 мм, тонтиною 3...8 мм/, криволхнхй-Н1 /з двоякою кривизною/ елементи /радхуси кривизн« 5...10 мм, товщина 3...5 мм/; вузьк1 прямокутш елементи /80x10x4 мм/, по-лусферичщ оболонки /дхаметром 25...60 мм, товщиною 2...3 мм/. При цьому, з метою зняття рхвня термонапруги в оброблюваних ви~ робах, вони попередньо нагрхвались кварцевиш лампами до температури Т0 = 0,90...О,95 • Т* /Г* - температура плавления /роз-мягчення/ оптичного материала, при цьому нагрхв контролювався за допомогою програмно керованого терморегулятора РИФ-101.

Дослхдаення структура поверхнх I поверхневих шар1в/ глибини мхкрорельефа /залишкових мхкронерхвностей на поверхнх/, твердости поверхневих шар|в, фазового склада, а також опору ударним Д1ям оброблених 1 необроблених електронним променем виробхв проводились за допомогою сучасних методхв оптичнох I електронноЗЕ мхкроскоп11, М1крозондового аналхза, метода реплхк /платино-ву-/г!льних, золото-вуг1льних,хромо-в.уг1льних/, дифрактометричних методхв та метод1в фхзичного аналхза, що широко використову-ються на ведучих державних оптичних пхдпривмствах. Результата експериментальних дослхдкень оброблювались вхдомиш методами ма-тематичнох' статистики за допомогою спец!ально розробленого пакета ггрикладних програм по методам регресхх I хнтерполяцп, при цьому В1дн0сна похибка не перевищувала 10...15 %.

Розроблений комплекс лабораторно-випробувального обладнання складаеться i3 слхдуючих трьох експериментальних установок i не мае В1тчизняних i зарубхжних аналог1в:

- установка для дослгдження i випробування виробхв при пхдвище-них 30BHi№ix тисках до 250 кг/см^;

- установка для дослгдження i випробування вироб1в при cyMicHift д!х пхдвищених температур нагрхва до 800 К i зовн1Пшх тисках до 250 кг/см2;

- установка для дослхдження i випробування виробхв при cyMicHift дп надзвукового обдуву потоком повхтря до 2000 м/с i осесимет-ричного обертання до 70000 об/хв.

Найбхльш суттевою вхдмхною розробленого лабораторно-випробувального комплекса вЪх 1снуючих газодинам1чних установок е те, що вперше в лабораторних умовах зд1йснено моделювання найбхльш жорстких З0внхшн1х Д1Й - зустр1чного надзвукового обдува потоком пов1тря i осесиметричного обертання вироба, яким вш< шддаеться в умовах експлуатаци. Розроблена оригшальна методика дослхдження структури газового потока, який обтхкае вироб з рхзними швидкостями, яка базувться на пшрен-фотографхчних дослхдженнях i дозволяв в!зуально визначити мхсцерозтащування зон Ытенсив-Hoi термоди на поверхню виробiß.

Для б1льш точного визначення м1сцерозташування указаних зон, з метою ix попередньох обробки електронним променем, були розроб-ленх сл1дуючх методи ix розрахунку.

Розглянут1 газодинам1Чнх задачх надзвукового обдува потоком повхтря i нагрхва виробхв у вигляд1 пластини i полусферичного обтхкателя, що являються основними виробами 1Ч-техн1ки. В основу задач пскдаден1 В1ДОМ1 рхвняння в'зкого пограничного шару для зопнхшнього газового потока i рхвняння тешшярозодност! для ¡лате-рхйлаявиробхв. Вхдмхна використаних рхвнянь вхд вхдомих piB-нянь конвективного нагргву пластини i сфери складаеться в ураху-bshhi температурних залежностей теплофхзичних властивостей мате-рхала вироба /об'емнох теплоемностх Cv i коефхщента теплопроводное^ Д / у виглядх емпиричних формул /вхдносна похибка 5...8%/ ^ Y.

С vi = CvoL Т , Al =Яо1 %ГГ ) /I/

де Cyot , Д^ , Yi /1 = 1, 2, ... - 1ндекс, якхй вхдпо-повхдае певному типу керамхки/ - емпиричщ константи, як1 врахо-

вугать природу ! властивостх оптячнох керамхки. Окртм того, для ламхиарного режима вир!щувалась контактна теплова задача, а для турбулентного - кое$1хценти зовнхшнього теплообмхну брались хз даних продувок в аеродинамхчних трубах у виглядх ем-пиричного сп1ввхдношення.

В результат: проведения розрахункгв на ЕСМ з використан-ням спехцально розроблених пакетхв прикладних програм було встановлено: для ламинарного режима обтхкання /швидкхсть обдува до 700...1000 м/с/ максималыи температури поверх« вироба знаходяться побдкзу передньо1 критично? точки; у випадку турбулентного режима обтхкання /швидкхсть обдува бгльш 1000... 1500 м/с/ максимально значения температури поверхн1 вироба вже змхщеш В1д передньог критично! точки В1ДП0В1ДН01 0. = 0°, /&- - сферична координата/ уздовж зовнхшнього контура поверху вироба на величину & = 34...43° в залежностх В1Д швид-кост1 польоту вироба. Порхвняння результата розрахуших; з на-турними випробуваннями виробхв показало, що в1дм:ша М1Ж ними не перевищув 15...20 % .

Таким чином, за допомогою розроблених методхв розрахунку можна прогнозувати з похибкою 10...20 % вплив на м1Сцерозтащу-вання зон з 5:нтенсивнями термодхями на поверхнх пластин х сферичных обтхкателей, ЯК1 пхддаються ди надзвукового обдува потоком пов1тря, режиму обт1кання виробхв, швидкост1 I висоти хх польоту, а також часу експлуатащг. Це дозволяв на стад1! ви-готовлення виробхв, з метою запобхгання мсякливих даомалхй в хх робот1, додатково П1ддавати термозмхцненню електронним проме-нем вказанх зони I тим самим пхдвищувати над1йн1сть I довго-йчщсть виробхв 1з оптичних матер1алхв, що експлуатуються в енстремальних зовн1птх умовах.

Для попереднього вибора оптимальних технолог1чних режимхв електронно-променево'х обробки вироб1в був розроблений комплекс нестащонарних нелтхйних математичних моделей разом з спец1-альним програмним забезпеченням хх нагрхва стр!чковим електронним променем до максимально! температури поверхнх, яка не повинна перевищувати температури рхдкого стану скла /1300.. .15СШ/, так як в протилежному випадку почнеться процес хнтенсивного випарювання скла х поверхня стае хвидеподхбною, тобто вказа-на температура в даному випадку е основним параметром якост1 обробки. В основу моделей покладено рхвняння теплопроводностх

з р.ухомим джерелом тепловох дх?, яке, напрнклад, для виробгв прямокутно! форми мае слтдуючий виг л яд /рис. I/ :

Рис. I

Схема нагр1ва внроба прямокутно! форми рухомим електронням променем: I - рхвномхрний рсзподхл потужностх джерела в межах полоси 2в х В; 2 - гаусеовське розпод!лення потужностх джерела в межах полоси 2в х В; 2в - ширина рухомого джерела; у - швидкхсть одноциклового руху джерела; X Э ~ система координат, пов'язана з рухомим джерелом; 0 , Н , 3> - ширина, товщина х довжина вироба.

х-ю

Рис. 2 Розподхл температури в рхзних точках Еироба для р!зних моментхв часу /скло К-208/: То=600 К, в=2-Ю~3м, I =3-Ю~эм, I =10"2см"2, Р=Ю0 Вт, V =0,45-Ю"2м/е, % =10*"3м, джерело гауссовського типа;--результата чисельних розрахунк1в; о - експериментальнх дан!

/■£ =1 с/; I - при Ь =1 с I у =0; у =0,67-1СГгм; 3 - при -¿г =0,1 с I у =0; 4 •¿=0,1 с I у = 0,67 . Ю м

2 - при =1 с I при

м

■Ь >0, - оо ^ Х,(/ < +- > 2>о,

т

/2/

-м= Рпов и У,*, *), ^

Х-»-± оо

де Рпой £) - поверхнева густина теплово? дхх

/Вт/см2/. Вгдмхнною особлйвгстю вказаного комплекса моделей б те, що в1н дозволяв в диалоговому режим! б1льш точно роз-раховувати багатофакторну дгю на вказаний параметр якост1 обробки виробхв, враховуючи хх розмгри х форму /тонкоплхв-ковх елементи, одно- х двоааров1 пластини, цилхндричн1, сферич-нг, кривол1Н1йнх елементи, прямокутн1 бруски/, температур-нх залежностх теплоф1эичних властивостей матерхала, а також технологии параметр« променя /потужнхсть, швядк1сть пере-мщення, форму роэпод1лу потужностх, кое$1щент зосередже-ност1, розМ1ри зони д11/. При ршеннх р1внянь модел! типа /2/ - /5/ використовувались емп1р1чн1 залежност1 /I/, а також методи !нтегральних перетворювань Фурье. СЫвставлен-ня результатхв розрахункхв з експериментальними данними /рис. 2/ показують, що вхдмхна М1ж ними не перевищув 10...15 %.

При вхдпрацюваннх технолог1чиих режимхв полхрування виробхв 13 оптичного скла поряд з гтрогнозуванням х контролем допус-тимих значень максимально? температури оброблюванох поверхнх, важливе значения мае прогнозування хитого параметра якостI обробки - оптимально? глибини ргдкох ванни /глибини оплавления/,

15

яка утворюеться на поверхнг оброблюваного вироба, в залежностг вхд рхзних режимхв полхрування» Це обумовлено тим, що при виник-неннх глибокого проплавлення вироба /б1лып 300...400 мкм/ вини-кае пом!тне розт1кання роэплаву, яке призворить до змши форми I розмхрхв вироба, тобто до його выбраковки.

Для прогнозування глибини оплавления вир061в стрхчковим електронним променем були використан1 квазхстащонарнх матема-тичнх модел г типа /2/ - /5/ з урахуванням залежностей /I/. Вздашою цих моделей « те, що в них ураховуються р!зн1 швид-К1сн1 режими руху променя: промшь, який рухаеться з помхрнов швидк1стю /не бхльш 0,2 см/с / 1 швидкорухаючийся промшь /швидкхсть руху до 10 см/с I б1лыпе/. Спхвставлення реэульта-т1в розрахушав залежностей максимально! глибини зони оплавления вхд основних параметрхв променя з експерименатльними даними /рис. 3, 4/ показало, що В1дмхни м!ж ними лежать в межах 15...

При обробцд протяжених вир061в одиничним рухомим джерелом теллово'1 дп /електронним променем, лазерним променем та 1н./, як показано професорами А.М.Бутковським, б.П.Чубаровим, Г.К.Ку-бишкшим та 1Н. для отримання необххдно.чЬ розподхленозЕ'-тепло-вох дп вздовж оброблюваноЗс поверхн1 /р1вном!рна, гауссовська та ш./ необхщно керувати швидк1стю руху джерела, а така задача керування в тепер1ШН1Й час ще не вирхшена. Тому в дан1Й роботх вперше запропонований метод реаяхзаци заданно!. розпо-Д1лено1 теплово'1 дй' за допомогою сукупност1 нерухомих дискретно розташованих вздовж оброблювано? поверхм джерел гауссов^ .. ського типа /одиничних стрхчкових електронних промен!в/ р1знох 1нтенсивност1 х коеф1хцвнта зосередженност1, що захищений ав-торським свхдоцтвом на винахгд. Для чисельноЗг реалхзаци на ЕОМ вказанного метода був розроблений алгоритм, в основу якого покладено рхшення задач: середньоквадратичнох апроксимацп дискретизованох заданох розподхленох ди Р/Хх/ - 1,2,...М; М - задане число розбивки д1лянки д15/ суперпозищею 1мпуль-с1в I^ типа

де )г = I.....М УМ- яяттянр ии<\лг> тмт1лм»тя/: С. - положения

20 % .

20а

wo та юа т то Р,квт

Рис. 3. Залежнхсть максимально? глибини оплавления вироба В1Д потужностх рухомого електронного променя /оп-тичне скло К-8/: Т0 = 600 К, =* 102см~2, V = 0,05 см/с, розмхри зони дИ 2ßx^p мм, X = 0,2 см, -- результата розрахушпв, о - експерименталь-

Hi даннт.

20 40 60 SO т V'fO',"/е

Рис.4 Залежн1сть максимально? глибини оплавления вироба вхд швидкостх перемхщення електронного променя: TQ= 600 К, R = Ю2см"2, Р = 10 Вт, розм1ри зони дхх

2ßx2p мм, X = 0,2 см,--результата розра-

хункхв, о - експерименталый данн!.

Для значного зниження розм1рностх /б1льш,н1ж на порядок/ вказанох эадачх був розроблений спещальний метод, який полягае в знаходженн1 не ^ = I, -.^М /, а слхдуючих полхномхельних залежностей $; :

т. ^

Sл=»Zxcкl.>^^ п/

як1 м1шм1зують чуму квадратхв вхдхилень Б :

¡¡^1 0 д При цьому коефхцхенти апроксимуючого полгнома знаходяться методом Розенброка, що добре мхнхмхзуе "крут!" функцп.

Отримат результати розрахунк1в по спещально розробленому програмному забезпеченню показали, що за прийнятний для практики час обробки можна знаходати оптимальну кхлькхсть одиничних елек-тронних променхв, !х мхсцерозтащування, потужнють в центрах Д11 х коефщ1енти засередженост!.

Для отримання необххднсл бази експериментальних даних, вперше були проведет систематизоваш дослхдження 1 отряманх но-вх данн1 про вплив режимхв електронно-променевох обробки на так1 важлив1 параметри якостх поверх^ I поверхневих шархв виробхв, як змхна структури модис^крваних шархв оптичних матер1ал1в, висо-ту залишкових мхкронерхвностей на оброблених поверхнях скла, м1кротверд1Сть 1 товщину зм!цнених шархв керамхк. Встановлено, що пхсля електронно-променевох обробки оптичного скла оплавлениям вщбуваеться моди|1кацхя структури хх поверхневих шархв на глибину до 200...220 мкм з найбхльш суттевою II зм1Ною в оплав-леному шар1, товщина якого суттево залежить в1д параметрхв елек-тронного променя; при цьому вхдбуваеться гомогенхзацхя поверхн! I орхвнтована перебудова поблизу поверхнх кремтекиснево! С1тки скла, яка стае близькою до структури кварцевого скла; на самхй поверхнх вадбуваеться усунення трвдин, подряпин, порушеного шару / глибиною 1...3 мкм/ х зменщуються ви.соти остаточних мхкро-нерхвностей з 30...40 нм пхсля механ1чного пол^рування до кхль-ко1 нм птсля електронно-променевох обробки, величина яких також суттево залежить в1д параметр!в променя /рис. 5,6/. Отримано, що при електронно-променевхй дхх без оплавления на оптичну керамхку вхдбуваеться помхтна змхна структури матерхала на глибину 150...200 мкм, мхкродеформацхк криеталхчно'х гратки, поява стис-

18

h Нлг

6

4. Ху <-4

Оч —a

s N л— . ^L N k

m

200

m

m

500

РоЗ-fO,

6 В tri

'"■> m*

Рис. 5 Залежнхсть висоти залишкових мхкронер!вностей поверх-нх оптичного скла вхд питомох пот.ужкост! електронно-

го променя: I - V = 8-1(Гс м/с; 2 - Y

3'1С-эм/с;

точки.

Ч'

/«Па

60GÜ

- скло К-8;----скло ТФ-ПО;

- - скло БК—10;О,А- експериментальн1

£800

£600

£400

SSOQ

SOOO

S (

и i _ -d Y

№

///л-'х

«п

m

40Û 7ÛO SÛÛ0

оЖ

Рис. 6

fit-!

Залежнхсть мхкротвердостх Ну поверхн1 оптичних керамiк K0-I2 /I/, К0-2 /2/, K0-I /3/ i К0-4 /4/, HKÍ обробленi електронним променем, В1Д його пито-

moï потужност1:--V = 6-10~3м/с;

---- у = 1,3-Ю"2м/с; о ,Д >« > Я»в. Я

- експериментальщ точки

куючих напружень в тонких приповерхневих шарах /30...50 мкм/ х шдвищення механ1чн01 М1цност1 до 50...60 %, а також практично не зм1нкються значения основно! технхко-експлуатацхйно! характеристики керамхки /коефххцента пропуску 1Ч-випрошнювання/; пря цьому в залежиостг вхд параметрхв електронного променя вхд-буваеться збхльшення мхкротвердостх поверх« керам1ки до 30... 40 % х товщини змхцнених шар1в - в 1,7...2,5 раза /рис. 7,8/. Проведен1 лабораторН1 випробування виробхв в таких складних екстремальних умовах, як надзвуковий обдув потоком повхтря 1 обертання, повнхстю подтвердили результати попереднхх розра-х.ункIв по оцшцх мхсцерозташуЕання на поверхн1 виробхв зон з штенсивною зовшшньою Д1ею, в яких вироби пхддаються порушен-ню. Отриманх в робот1 результати дозволили: розробить алгоритм керування як1сними характеристиками поверхш 1 поверхневих ша-Р1В оптичних матерхалIв при дп на них стрхчкового електронного променя.

Сутнхсть даного алгоритма в слхдуючому. На першому етащ формулювться база данних, яку створюють параметри екстремальних эовнхпшх д1й, технолог1Чн1 параметри електронного променя, параметри, якх характеризують умови електронно-променево! обробки, фхзико-механхчнх характеристики оптичних матергалтв, отриманх математичнх модел1 1 пакети прикладиих програм, масив даних про залежност1 властивостей модиф^кованих шархв оптичних мате-рхал1в вхд режимхв обробки. На другому етап1 викоиуеться вибхр мети обробки, введения необххдних значень параметрхв якостI обробки Тп » К » км» Иу. £» т хх допустимых граничних значень

Тп*"» Ь?» » Н* > Д*. Далх вибираеться необххдна модель наг-рхва вироб!в в умовах екстремальних зовн1шнхх д£й, виконукться розрахунки М1Сцерозтащування на поверхн* виробхв зон з хнтен-сибними термодхями, як! необх1дно оброблювать електронним променем. Щсля цього виконуеться вибхр моделх теплово'х дхх електронного променя, або регресхйнох модел1, побудовакох по експе-риментальним даним, 1 за допомогою вхдпоегдного пакету прикладная програм викоиуеться роэрахунок параметрхв обробки /Тп « \г >

Нщ.» Ну > Л А по яким визначаються величини технологхчних параметрхв електронного променя /Р або Ру^, , ц; Д Ч , розм1ри зони дГх/, потхм вказан1 параметри якост1 обробки спхв-ставляються з хх граничними значениями. При наявност1 розход-

Рис. 7 Змша мхкротвердостх Ну по глибинх 56 оптичних кера-м!к КО-12 /I/, К0-2 /2/, КО-1 /3/ х КО-4 /4/, що об-роблен1 електронним променем, для рхзних швидкостей

його перемщення /Руд. = Ю7Вт/м2/;--V =6.10*"^/с;

---- V = 1,3«Ю"2 м/с; о , А , р , х ,0 .в , Д

, © - експериментальн! точки.

Рис. 8 Залежнхсть глибини А змхцнених електронним променем шархв оптичних керамхк КО-12 /I/, К0-2 /2/, КО-1 /3/ х К0-4 /4/ вхд значень його питомог пот.ужно-ст1:--V = б «Ю-3 м/с;----V=1,3-ИГ^;

0> Д >П >^<д>А >В • О - експериментальш точки.

жень виконуеться IX корекцгя. На основх скоректованих параметров розраховуеться завершальне значения технолог1чних парамет-р1в електронного променя, формувться керуюча дхя I здгйсншть-ея запуск процеса. Одночасно Еиконуеться вимхрювання температуря поверхнх оптичних матерхалхв 1 час IX обробки, як1 зхстав-ляються з розрахунковими, визначаеться помилка керування.

Оекхльки в тепер1Ш1й час вхдсутнх швидкодхкга прилади для вимхрювання К. , к^, Ну» Д та хн. характеристик поверх« 1 по-верхневих шаргв оптичних матерхал1в, то вхдбхрково виконувтьея експериментальн1 1х вим1рюввння, накопичення I математична об-робка, отриманх данх порхвнюються з вх1дними даними. При наяв-ност1 розходжень виконуеться коретця математичних моделей. На баз1 цього алгоритма, при вирхшенн1 питания формал1зац11 ус1х зв»язк1в, може бути створена автоматизована система керування процесом електроннс~променево1 обробки виробхв 13 оптичних ма~ тер1алхв, як1 експлуатуються в екстремальних зовн1итх умовах.

0сновн1 результата дисертаци, включаючи розроблений на-уково-обгрунтований метод оттаизаци впровадження виробхв на п1дприбмств1, що враховуе жорстк1 обмеження на фЫансовх ксш-ти, знайши практичне використання 1 впроваджеш на рядх дер-жавних пхдприемств Украхни /ПО "завод Арсенал" /м.Ки1в/, Ки!в-ський хнститут нових ф1зичних I застосовних проблем, Запор1зь-кий машинобудхвний шститут, НПК "Фотоприлад" /и, Черкаси/, Черкаський приладобудхвний завод, НПО "Ротор" /м. Черкаси/, завод телеграфно? апаратури /и. Черкаси/, Черкаський 1нженерно-технологхчний шститут та 1н./ при розробцх сергйних вирсбхв мхкроелектронхки, хнтегральнох 1 гклоконнох оптики, оптико-механ1чних приладхв, 1Ч-област1 спектра, оптико-електронних I хнтегрально-оптичних пристосуванЬ бортових систем керування аеродинамхчною техникою, що дозволило: зменшити висоту залиш-кових М1кронер1вностей поверхн1 виробхв в 10...15 разхв; п1д-вищити м1цн1сть поверхневих шар1в виробхв на 50...60 %; зменшити габарита 1 вагу виробхв в 4...5 раз; зб1льшити строк служби виробхв в 1,5...2 рази. Економ1чний ефект В1Д впровадження результат!е роботи склав бхльш 2 млн. крб. /в щнах до 1992 р./.

ЗАГАЙЬН! ВИСНОВКИ

I. На ocHosi теоретико-експериментальних дослхджень впер-ше вирхшена наукова проблема керування якгстю електрснно-проме-невог обробкя виробiв хз оптячного скла i керамхк, що використо-вуються в мхкроелектронщх, хнтегральнхй i волокотий оптиц1, засобах 1Ч-техшки, яка мае важливе народно-господарське значения для п1двищення довгов1Чност1 i надхйноет! виробхв, що експлу-атуються в екстремальних 30BHimHix умовах /температура narpißa до S00 К, зовнхшн! тиски до 250 кг/см2, швидкост1 обдува потоком пов1тря до 2000 м/с, кутовх швидкост1 обертання до 70000 об/хв/.

2. Вперше установлено, що в результат! електронно-промене-вох обробки оптиччого скла оплавления?.? при 3mihx питомох потуж-hocti стр1Чковсго електронного променя В1Д 10^ Вт/м2 до 5-10 Вт/м2 i швидкост1 його перемщення вхд 10 м/с до Ю-3 м/с вхд-буваеться: усунення на поверхш трщик глибиною 0.I...I мкм, подряпин довжиною 2...I0 мкм, поругаеного шару товщинсю 1...3мкм i змеишення висоти залишкових мхкронерхвностей /в1д 30..,40 нм до 0,5...1,2 нм/, що залишаються теля мейахпчного пел1рування; зменшення на nosepxHi скла типа крон /К-8, К-Ю8, К-208/ кон-центраци Na i О , збхльшення концентрацп St i пост1Йшстъ концентрацх? К, а для Ш-10 i ТФ-IIO постхйнхсть х1м!чного складу вздовж ix nosepxHi; гомоген1зацхя поверхн! i орхектована пе-ребудова-у поверхн! кремн1екиснево'1 с1тки скла в структуру кварцевого скла; оплавления скла на глибину 200...220 мкм в за-лежностх вхд марки сяла з елементами "в'яэкого" поруиення, при цьому спостерхгаеться нест!йкхсть Кг О i N0.3,0 по глибищ дп стр1ЧКового електронного променя. Отриманх емпир!чн1 форму-ли /з в1дноснох> похибкею 5...8 %] для чисельного прогнозування i оптим1зацхх ступеня впливу технолог1чних параметр!в променя на вясоту залишкових М1кронер1вностей оброблених поверхонь скла i товщину рхдкох ванни, що утворюеться на них.

3. Вперше показано, що при ди стрхчкового електронного променя без оплавления на оптичну керамхку при змхн! його питомох потужностх в дхапазон1 Ю6..Л.б'Ю7 Вт/м2 i швидкостх перемх-щення - 1,5'Ю-2.. Л0~3 м/с вхдбувазться noMirae змшення струк-тури матер1алу /збхльшення зернистостх без фазових перетворень/ ка глибину до 150.„.200 мкм, збхльшення мхкротвердост1 поверхш на 20...40 % i товщини змхцненого шару в 1,5...2,5 рази в залеж-

hoctí в1д марки керамгки, виникнення стискуючих напружень в при-поверхнезих шарах товщиною 30...50 мкм i гидвищеннл механхчнох мхцностх вироб1в на 30...60 % без nomíthoi змши gchobhoí тех-нхко-експдуатацхйно'х характеристики керамхки - коеф!щента пропуску 1Ч-випромшювання. Отриманх eMnipimii формул и для чисель-ного прогнозування i оптимхэаци з выносною похибкою 6,..9 % ступеня впливу технолсгхчних параметрхв променя на шдвищення м1кротвердост1 noBepxni керамхк i зм1н.у товщини íx змшнених sapiB.

4. В результат проведених дослхджень по впливу екстремаль-них 30BHÍffiHix д1й на вироби ia оптичнох керамхки отримаш cfli-дуюч! новх данях: при пхдвищеному зовн1Шньому тиску /до 250 кг/ем*"/, аильному впливу р1вном1рного Harpiey /до 800 К/ виро-бíb i зовнхшнього тиску /до 100 кг/см2/ пом1Тних порушень qi-лосностх ix nosepxHi i погхршення коефвдента пропуску 14-вип-ром1нення не спостерхгаеться; в умовах обдува надэвуковим потоком пов1тря /до 2000 м/с/ i осесяметричному обертанн1 виробхв /до 7G000 об/уъ/ найбхлып сильний вплив на мхсцерозтащування tíx дхлянок íx поверхн1, як! порушуються в npoqeci випробувань, виявляе обдув потоком повхтря /збхльшення швидкост1 обдува призводить до зм1щення указаних зон хз розтащування передньсх критично1 точки /в1Д 9 = 0° - сферичка координата/ обтхкателя вздовж зовн1Шьо1 Л1нп контура обтхкателя /до 0 = 35...45°//; показано, що при електронно-променевхй обробц1 виробхв б зонах штенсивних термод1й, якх виникають при експлувтацп виробхв в умовах обдува i обертання, вироби вке не порушуються i значения кое$1Ц1ента пропуску 1Ч-випромшювання не зм1нкються.

5. Розробленх нелЬпйнх математичш моделх тепловох дп стр1ЧКового електронного променя на вироби хз оптичних матерха-Л1в pÍ3Ho'x форми i po3MipÍB, що враховують температури! залеж-ностх теплоф1зичних властивостей матер!ал1в: нестац1онарн1 мо-дел1 нагрхва виробхв 13 оптичного скла i керамхк, що дозволяе прогнозувати з б1льш високою ступени» точностх /вхдносна похиб-ка 10...15 % зам1сть 30...40 % для 1снуючих математичних моделей/ оптимально дхапазони змхни параметр1в електронного променя /потужностх i форми ix розподхлення, швидкост1 перемхщення, коеф1Ц1внта зосередженност1 i розмхрхв/, що реалхзують задан1 розподхлення температури, градхента температури i швидкост! на-

грхва е оброблюваних виробах; новх кпазистацхонарн1 модел1 оплавления поверхнених шархв виробхв 13 оптичного скла, якх доз-воляють для р1зних швядкхсних режимтв руху електронного прсменя прогнозувати з ехдносною похабкос 15...20 % вплкв осковних Його параметрхв/питомох потужноетх х пхвидкостт перемещения/ на про--тяжнхсть л гдибину рхдкох ванни, яка утворюеться на поверхн1 оброблюваних виробIв.

6. Вперше запропонований теоретичний метод оптимального керування сильною Д1ею стрхчкових електронних променхв на об-роблюван! протяженх вироби, що дозволяд розрахунковим шляхом визначати оптимальнх параметри електронних променхв /число променхв, IX мхсцерозтащування, потужнхсть I коеф1щвнт зосеред-женостх кожного променя/, тобто програмно керувати процесом електронно-променевох обробки.

7. Для чисельного прогнозування з выносною похибкого 15...20 % мхсцерозтащування на поверхнх виробхв 13 оптичних керамгк зон 1нтенсивнох дх! в умовах надзвукового обдува потоком повхтря /до 2000 м/с/, як1 необххдно оброблювать електрон-ним променем, запропонован1 удосконаленх нел1н1йн1 математичнх модел1 кшетичного нагр1ва виробхв /пластини, сферичн1 оболон-ки/, що враховують температур« залежностх теплоф1зичних влас-тивостей матерхала, розмхри I форму виробхв, рхзнх режими об-тхкання. В результат! розрахунку по вказаним моделям встановле-но: зона основно? термоди на пластину розташована поблизу и переднього края незалежно В1Д режим1в експлуатаци виробхв х мае мхсце сильний взаемний вплив повхтряного потока х пластини, зона основно? термодп на сферичну оболонку розташована в околицх передньо! критичнох точки для ламхнарного режиму об-Т1кання, а для тербулентного режима - вже зм!щена на значн1 вхдстанх вздовж зоенхшього контура поверх« оболонки, сутте-во залежне В1Д швидкост1 польоту вироба, розмхрхв I материалу оболонки.

8. Вперше розроблена нелхнхйна економ1кс-математична модель, модифхкований чисельний алгоритм х програмне забезпе-чення оптим1зацх1 впровадження на п!дприемств1 вироб1в хз оптичного скла I кepaмiк з покращеними тех«ко-експдуат8цхйними характеристиками пхсля хх якхснох електронно-променевох обробки в умовах жорстких обмежень на ф1нансов1 кошти.

9. Вперше розроблений алгоритм керування процесами елек-тронно-промекевог обробки виройiв гз оптичного скла i керамхк, створений на ochobi отриманих нелхнхйних математичних моделях

i спец1ал1Эованого програмного комплекса у пиглядх пакетiв при-кладних програм, як! зв'яэують технологхчнх параметри обробки з якiсними характеристиками noBepxHi i поверхневих mapiB оптич-них матерiалiв э урахуванням екстремальних зовнтих умов, а також баз1 данних, отриманих на удосконаленому електронно-про-меневому технолог1чному обладнанш i лабораторно-випробуваль-них установках, що моделюють умови експлуатаци виробхв.

10. Розроблений новий програмний комплекс, що складаеть-ся з 9 спецхалхзованих пакетхв прикладних програм для рхтення широкого класу хнженерно-технологхчних задач /теплових, дифу-зхйних, гхдро- i газодинам1Чних та in./ на ПЕОМ класа IBM, включаючи технологхчнх зедач1 електронно-променевох обробки вироб1в is оптичного скла i керамхк, що складае в систематизо-ваному вигляд1 141 програмний модуль по найбхльш ефективним чисельним методам. Програмний комплекс може бути використаний в системах автоматизованого проектування i керування технологхч-ними процесами в рхзних галузях промисловостх.

11. Розроблещ i захищен! авторськими свхдоцтвами на вина-

Х1д:

- технологии в електронно-променеве обладнання, що мае на вхд-MiH.y в1д 1снуючих електронно-променевих установок, спецгалх-зовану програмно керовану оснастку для вимхрювання темпера-тури окремих дхлянок оброблюванох поверхш виробхв з точте-

"тю ± 5°С;

- комплекс is трьох лабораторно-випробувальних установок, що не мае вхтчизняних i зарубхжних аналог!в, для дослхдження пове-д1нки вироб1в при зовн!шньому тиску до 250 кг/с г?, cniflbHifi Д11 нагрхва до 800 К х зовнхшнього тиску до 250 кг/см2, спхльнхй Д1х обдува потоком пов!тря до 2000 м/с i осесиметрич-ному обертанн! до 70000 об/хв.; при цьому ocnoEHi вузли установок являються оригхналькими i сприяють пгдвищенгао ефективно-стх роботи всього комплекса /мультишпкатор для тдняття тиску в KaMepi i вузол обертання вироба/

12. Основн! результата робота знайшли практичне використан-ня на pflfli пхдприемств Укради в 1984-1994 pp. /ПО "завод

Арсенал" /м„ Кихр/, ЦКБ "Арсенал" /и. Khib/, шститут нових зичних i застосовних проблем /м. K;iib/, Запоргзький машинобу-дхвний iнетитут, НПО "Ротор" /м» Черкаси/, НПК "Фотоприлад" /м. Черкаси/, Черкаський завод телеграфно! апаратури, Черкась-кий приладобудхвний завод та in./ при розробщ серхйних виробхв мхнроелектронхки, хитегрально? i волоконно? оптики, оптико-меха-шчних приладхв 1Ч-област1 спектра, оптико-електронних i хнте-грально-оптичних пристосувань специального призначення, що дозволило:

- зменшти висоту залишкових мткронерхвностей поверхнх виробхв в 10...15 раз1в;

- пхдвищити ударну мхцн1сть поверхневих mapiB виробхв на 50... 60 % ;

- зменшити габарити i вагу виробхв в 4...5 разхв;

- збхльшити строк служби виробхв в 1,5...2 раза,

Еконокйчний ефект вхд впровадження результатов робота еялав бхльше 2 млн. ,крб. /в цхнах до 1992 р./.

РЕЗУЛЬТАТ!! ДЙСЕРТАЦП

опублхкованг в 60 роботах, оеновними з яких е:

1. Ващенко В.А. Яабораторно-технологическое оборудование для проведения исследований и испытаний изделий 1 условиях повышенных внешних давлений. - В кн.: Металлические горючие гетерогенных конденсированных систем /Силин H.A., Ващенко В.А., Каш-поров Л.Н. и др. - М.: Машиностроение, 1976, 320 с.

2. Ващенко В.А. Лабораторно-технологическое оборудование для проведения исследований и испытаний изделий в условиях по-вьгденных температур нагрева и внешних давлений. - В нн.: Окислители гетерогенных конденсированных систем /Силин H.A., Ващенко В.А., Зарипов Н.И. и др. М.: Машиностроение, 1978 , 426 с.

3. Ващенко В.А. Лабораторно-технологическое оборудование для 'проведения исследований и испытаний изделий в условиях повышенных скоростей обдува потокм воздуха и вращения. - В кн.: Горение металлизированных гетерогенных конденсированных систем /Силин H.A., Ващенко В.А., Кашпоров Л.Я. и др. - М.: Машиностроение, 1932, 232 с.

4. Прогнозирование оптимальных технологических режимов и областей устойчивого взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами. Монография /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический институт. - Черкассы, 1994, 173 е.: ил. - 53, Библиогр. - 65 назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 14.03.94

№ 45 - хп 94.

5. Высокотемпературные технологические процессы взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами. Монография /Ващенко В.А. Черкасский инженерно-технологический институт. - Черкассы, 1996, 403 е.: ил. - 38, Библиогр. - 343, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 22.03.96 № 24 - хп 96.

6. Ващенко В.А., Пистун A.M., Артеменко А.П., Тетерко А.Д. Термообработка меислойной изоляции на основе ситаллоцемента СТ-273 толстопленочньтх микросборок. - Техника средств связи, серия ТПО, вып. 2, 1987, с. 48-52.

7. Ващенко В.А. Оптимальный выбор мероприятий по новой технике на предприятиях промышленного объединения. - Механизация и автоматизация управления, 1987, № 2, с. 1-5.

8. Ващенко В.А., Шигимага А.Ф., Яанин Ю.А. Опыт применения математического моделирования для оптимального выбора мероприятий по новой технике на предприятии химической промышленности. - Экономика и математические методы, 1983, $ 3, с. 539-544.

9. Канашевич Г.В., Дубровская Г.Н., Ващенко В.А., Лисочен-ко В.Н., Котельников Д.И. Модификация структуры и свойств зоны термовоздействия при обработке ленточным электронным лучом оп-, тических материалов. - Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве", Московский энергетический институт, 1991, с. I7I-I73.

IÖ. Ващенко В.А., Кривенко Н.И„, Канашевич Г.В., Лисочен-ко В.Н., Котельников Д.И. Численно-экспериментальное исследование теплового воздействия подвижного электронного луча на оптические материалы. - Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции "Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве", Московский энергетический институт, 1991, с. I69-I7I.

II.

Vaschenko V.A., Konopaltseva L.I., Kanashevich G.V. Modeling of optikal materials processing process Ъу electron beam method. The 4rd European East-West conference exibition on materials and processes, I7p. 46. City of St.Peterburg, Hussia, 1993.

28

12. Капаshevich G. У., Koropaltseva L.I., Vaschenko V.A. Gradient tructure in optical materials for integrated optics created by ■lectron beam method. The European Bast-West conference ocibition on materials and processes, F/p. 4-5.Citi of St. Peterburg, Russia, 1993.

13. Ващенко B.A., Укрсд В.И. Математическое моделирование оптимизация быстропротекакяцих технологических процессов. - Те-

исы докладов на Всесоюзном научно-техническом семинаре "САПР и СУШ в химической промышленности" , Черкасский филиал КПП, 1987, . 66-67.

14. A.c. № I304I3. Изделия ИК-техники, оспдуатирувщиеся в словяях обдува потоком воздуха и вращения /Ващенко В.А«,, Емелья-ов В.М., Ксжакин В.Н. и др. - 1979.

15. Положительное решение по заявке № 494129/21/046728, стройство для электронно-лучевой полировки изделий /Котельников „И., Квнашевич Г.В», Ващенко В.А. и др. - 1992.

16. Модификация свойств поверхностей подложек интегральных хем /Канашевич Г.В., Ващенко В.А., Дубровская Г.Н., Черкасский нженерно-технологический институт. Черкассы, 1992, 13 е.:

л. - , Библиогр. - 8, назв. - Рус. Деп. в Укр ШЕИ 25.08.92 ^ 1322- Ук. 92.

17. Низкоэнергетическав злектронно^евая обработка поверх-¡ости стекла и возможности ее использования в технологии И0 / '.В.Канашевич, В.А.Ващенко, Л.И.Конопальцева, Н.И.Жученко, Чер-:асский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1993, 10 е.: 1л„ - 4, Библиогр. - 8, назв, - Рус. Деп. ГНТБ Украины 26.07.93

» 1615 - Ук 93.

18. Прогнозирование оптимальных режимов взаимодействия неса-юорганиэующихся концентрированных источников энергии с опти-?ескими материалами на основе моделирования /Ващенко В.А., Чер-гасекий инженерно-технологический институт. Черкассы, 1994,

14 е.: ил. - 14, Библиогр. - 81, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 20.01.94 № 12 - хп 94.

19. Математические модели для прогнозирования оптимальных зежимов взаимодействия концентрированных источников энергии с гатериадами /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический шетитут. Черкассы, I994, 78 с. : ил. - 10, Библиогр. - 247, шзв. - Рус. Деп, в ВИНИТИ 02.03.94 № 29 - хп 94.

20= Прогнозирование оптимальных технологических режимов взаимодействия ленточного электронного луча с оптическими стеклами /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1994, 15 с. : ил. - 2, Библиогр. - 26, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 03.03.94 № 41 - хп 94.

21. Комплекс программных средств для решения инженерных задач на ПЭВМ, совместимых с 1ЕМ, ПС, АТ, ХТ,по моделированию оптимизации и управлению процессами взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1994, 31 е.: ил. - 3, Библиогр. - 147, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 02.03.94 № 31 - хп 94.

22. Универсальная научная методология для прогнозирования оптимальных технологических режимов и областей устойчивого взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами /Ващенко В.А,, Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1994, 37 с. : ил. - 7, Библиогр. - 147, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 02.03.94 32 - хп 94.

23. Влияние обдува потоком воздуха и вращения изделий на технологические процессы взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1994, 13 е.: ил. - 4, Библиогр. - 16, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 22.05,94 № НО -

хп 94.

24. Экспериментальные исследования свойств поверхности и поверхностных слоев изделий из оптических керамик,модифицированных электронным лучом,и их состояния в реальных условиях эксплуатации /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1996, 25 е.: ил. - 9, Библиогр. - 15, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 04.01.96 № 2 - хп 96.

25. Разработка и иссследовакие методов реализации оптимального распределенного воздействия с помощью локальных источников /Ващенко В.А., Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1995, 18 е.: ил. - I, Библиогр. - 10, назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 21.08.95 № 73 - хп 95.

26. Прогнозирование поверхностных участков полусферических изделий подвергающихся максимальным термонагрузкам в условиях сверхзвукового обдува потоком воздуха и вращения /Ващенко В.А, Черкасский инженерно-технологический институт. Черкассы, 1996,

37 е.:ил.-9,Библиогр. - 32,назв. - Рус.Деп. в ВИНИТИ 04.01.96 № I - хп 96. зо /

К

АННОТАЦИЯ

Ваценко В.А. Научные основы управления качеством электронно-лучевой обработки изделий из специальных оптических материалов.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы лазерной и физико-технической обработки. Национальный Технический Университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 1996.

Защищается 60 научных работ, в том числе 5 монографий, 2 брошюры и 3 авторских свидетельства, которые содержат теоретико-экспериментальные исследования процессов теплового воздействия ленточного электронного, луча на изделия из оптических стекол и керамик с учетом экстремальных внешних условий их эксплуатации: повышенные температуры нагрева и внешние давления, сверхзвуковой обдув потоком воздуха и осееимметричное вращение. Разработаны математические модели нагрева и оплавления изделий в условиях их эксплуатации и при воздействии электронного луча, приведены результаты экспериментальных исследований зависимостей параметров качества их обработки от технологических параметров луча, полученных на модифицированном электронно-лучевом оборудовании, а также результаты исследований поведения изделий на разработанных лабораторно-испктательннх установках, моделирующих их условия эксплуатации. На базе подученных математических моделей, специально разработанных пакетах прикладных программ, экспериментальных данных, что представляют собой технологические основы, разработан алгоритм управления качественными характеристиками поверхности и поверхностных слоев оптических материалов при электронно-лучевой обработке для конкретных условий эксплуатации. Осуществлено промышленное внедрение результатов исследований.

S и М М А Н Y

Vashchenko V.A. Scientific Basis of the control of the quality of electro-radial treatment of the products made of the special optical materials.

The disertation for the academic degree of Doctor of Technical Sciences, speciality 05.03.0? - The Process of laser and Physics and Technical Treatment. The National Technical University of Ukraine "The Kyiv Polytechnicic Institute", Kyiv, 1996.

60 research works are being defended including 5 monographs, 2 brochures and 5 author's certificates, which present theoretical experimental researches of how the processes of heat influence of conveyer electric rays affect the optical glass and ceramic product taking into consideration the extreme external conditions of their exploitation: nigher temperatures of heating and external pressures, ultrasound blowing "by air stream and axis symmetrical rotation. The mathematic models of heating and fusion of the products under the conditions of their exploitation and under the influence of an electric ray are designed, the results of experimental research of the dependence of the quality of their treatment upon the technological dimensions of a ray, obtained by help of modified electro-radial equipment, as well as the results of the researches of the products conduct while being treated by the specially designed experimental plants, modeling their exploitation conditions are included. The algorythm of the control of the quality characteristics of the surface and its strata of optical materials by electro-radial treatment for the concrete conditions of exploitation is designed on the basis of mathematic models, purposefully designed programmes and experimental data, which present the technological base.

KilEHOBi CfiOBA:

ejiektpohhhi* npoMinb, onTUUHe ckjio i KepawiKa, napaMSTpn hkocti ofipodKsi, TenaoBi npoqecn, ovniy.ajibm KepysaHHii.