автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя и точности прецизионных деталей машин при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда

На правах рукописи

Л (■

Ягафаров Ильгиз Ирекович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ОСАЖДЕНИИ ПОКРЫТИЯ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005558876

Рыбинск-2014

005558876

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Мухин Виктор Сергеевич

Официальные оппоненты:

Табаков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты»

Сасарин Алексей Михайлович, кандидат технических наук, и. о. начальника ла-бораторно-производственного корпуса №790 ОАО «НПО «Сатурн»»

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Институт технологии и организации производства», г. Уфа

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г.Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева», http://www.rsatu.ru/

Автореферат разослан «23» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Государственной программой Российской Федерации "Развитие науки и технологий" до 2020 года исследования в области функциональных покрытий внесены в перечень приоритетных направлений развития науки и технологий.

Осаждение покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда является эффективным инструментом повышения эксплуатационных свойств деталей на финишном этапе обработки. Наиболее широкое применение получили покрытия из нитрида титана (ТГЫ) благодаря сочетанию высоких эксплуатационных свойств с относительно низкой себестоимостью. Так как осаждение покрытия является финишной операцией, на этой операции должна обеспечиваться требуемая точность и качество поверхностного слоя.

К современным и перспективным деталям, используемым в ответственных соединениях, предъявляются следующие требования: точность размеров по 5-7 квалитету, 4 — 6 степень точности формы, среднеарифметическое отклонение профиля неровностей поверхности 0,2 - 0,8 мкм, а также требования по толщине, составу и микротвёрдости покрытия. Нанесение покрытия на высокоточные детали производится в настоящее время после предварительного осаждения на модельные образцы, измерения параметров покрытия и последующей корректировки технологических режимов.

Таким образом, исследования, направленные на выявление закономерностей изменения параметров качества: точности размеров и формы детали, шероховатости, микротвёрдости поверхности и толщины покрытия в зависимости от области расположения деталей, при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда являются актуальными.

На основании вышеизложенного поставлена цель работы: обеспечение качества покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда, определяющего точность размера детали, точность формы, взаимного расположения поверхностей, шероховатость и микротвёрдость поверхностного слоя.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить экспериментальное исследование влияния области расположения деталей при осаждении покрытия Т1Ы из плазмы вакуумно-дугового разряда на толщину покрытия, точность размеров и формы цилиндрических поверхностей деталей;

2) разработать математическую модель роста покрытия в плазме вакуум-но-дугового разряда и программу для ЭВМ, позволяющую рассчитать толщину и разнотолщинность покрытия по поверхности в зависимости от области расположения деталей в вакуумной камере;

3) выполнить экспериментальное исследование влияния области расположения деталей при осаждении покрытия Т1К из плазмы вакуумно-дугового разряда на качество поверхностного слоя: шероховатость и микротвёрдость поверхности;

4) разработать технологию осаждения покрытия TiN из плазмы вакуум-но-дугового разряда, позволяющую обеспечить требуемое качество высокоточных деталей с учетом их количества и области расположения в вакуумной камере.

Научная новизна:

- разработана математическая модель роста покрытия в плазме вакуум-но-дугового разряда, в виде системы уравнений движения, скорости роста покрытия и затенения, записанных в однородных координатах, отличительной особенностью которой является учёт конфигурации и кинематики движения детали;

- установлено, что погрешность толщины покрытий зависит от области расположения деталей. Точность обработки зависит от отношения радиуса области расположения деталей (Ro6) к радиусу катода (RK).

- установлено, что шероховатость поверхности после осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на высокоточные детали (со среднеарифметическим отклонением профиля неровностей поверхности Ra0,04... Ra0,63) зависит от режимов осаждения покрытия и области расположения деталей. При этом шероховатость поверхности перед осаждением покрытия (в исследованном диапазоне) практически не оказывает влияние на шероховатость поверхности покрытия.

Практическая ценность работы:

- разработана программа для ЭВМ, позволяющая на этапе технологической подготовки производства оценить ожидаемую погрешность толщины покрытия для различных вариантов компоновки оборудования и количества одновременно обрабатываемых деталей;

- разработаны технологические процессы осаждения покрытия TiN из плазмы вакуумно-дугового разряда на высокоточные детали машин;

Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается совпадением экспериментальных данных, полученных при многократных измерениях, системным характером проведения исследований и обработки результатов, а также удовлетворительным совпадением полученных результатов с данными других авторов.

Вклад автора состоит в постановке задачи исследования, разработке математической модели роста покрытия, выполнении экспериментов и получении на их основе математических зависимостей, формулировке выводов и оформлении публикаций по теме работы.

Реализация результатов работы:

- модернизирована установка ННВ-6.6-И1 на «Уфимском моторостроительном производственном объединении» (ОАО УМПО) для осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на высокоточные детали;

- разработаны технологические процессы осаждения покрытия TiN из плазмы вакуумно-дугового разряда на детали «Стакан» и «Цапфа». Технологические процессы переданы ОАО УМПО. Обработана партия деталей «Стакан» и деталь «Цапфа».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: региональных научно-технических конференциях «Инновации, проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий в машиностроении Республики Башкортостан» (2009- 2011); научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2009-2014); Международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука - производству». (Набережные Челны, 2010); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011); международном молодёжном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (Москва, 2011); XXVth International Symposium .on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Tomsk, 2012); 12th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (12th CMM) (Tomsk, 2014); XXVIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Mumbai, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и приложений, изложена на 115 страницах, включая 55 рисунок, 12 таблиц и библиографию из 109 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены современные методы получения функциональных покрытий и выполненные в этой области работы Андреева А. А., Бу-дилова В. В., Григорьева С. Н., Табакова В. П., Хороших В. М., Ali М., Hernandez L., Takadoum J., Ma LAV., Sanders D.M., Anders А. и др. посвященные исследованию влияния технологических параметров, конфигурации обрабатываемой поверхности, схемы взаимного расположения источника частиц и обрабатываемой поверхности на скорость осаждения покрытия, внесли значительный вклад в развитие технологии осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда.

Однако исследований, устанавливающих изменение параметров вакуум-но-дугового покрытия в зависимости от области расположения деталей в рабочей зоне вакуумной камеры, ранее не проводилось. Анализ моделей роста покрытия в плазме вакуумно-дугового разряда показал, что существующие модели не учитывают движения обрабатываемых поверхностей относительно плазменного потока. Существующие программы, реализующие модели, не позволяют оценить толщину и разнотолщинность покрытия по поверхности с учётом конфигурации и габаритов обрабатываемой детали, габаритов рабочей зоны вакуумной камеры, габаритов источника частиц.

Во второй главе приведены условия подготовки модельных образцов. Описано оборудование для проведения исследований, оборудование и методики производственных испытаний. В исследованиях использовались плоские образцы для исследования влияния области расположения на толщину покрытия, точность размеров и качество поверхности. Для исследования влияния области расположения на точность формы использовались детали и модельные образцы цилиндрической формы. Материал деталей и образцов - титановые сплавы ВТ6 и ВТ8.

Методика измерения толщины покрытия с помощью прибора САЬОТЕБТ включает в себя получение лункообразного углубления на поверхности образца, замер геометрических параметров и расчёт толщины покрытия. Методика САЬОТЕБТ позволяет измерять толщину покрытия от 0,1 до 50 мкм. Точность измерения параметров лунки составляет 1-5%. Измерения шероховатости поверхности производились с помощью профилографа-профилометра Абрис ПМ7. Степень точности прибора: 1 по ГОСТ 19300-86.

Измерение микротвёрдости производилось методом инструментального (измерительного) индентирования под нагрузкой 150мН на нанотвердомере №поуеа, позволяющем проводить испытания тонких/толстых покрытий и подложек в нано и микро/макро диапазоне.

Измерение размеров и погрешностей производилось на оптоэлектронной контрольно-измерительной системе "ОПТЭЛ" с использованием теневой оптоэлектронной головки, позволяющей измерять размер с точностью до 1 мкм.

Третья глава посвящена разработке математической модели роста покрытия в плазме вакуумно-дугового разряда. Скорость роста покрытия может быть определена по результатам анализа трёх параметров процесса: пространственного расположения обрабатываемой поверхности относительно источника частиц, затенения обрабатываемой поверхности другими поверхностями, скорости испарения осаждаемых частиц с поверхности катода. В модели введены следующие упрощения:

- покрытие конденсируется в областях прямого попадания частиц на поверхность детали с дугового источника;

- распределение интенсивности плотности потока соответствует закону косинуса;

- при расчёте толщины покрытия производится линейная интерполяция параметров;

- поверхность детали моделируется дискретно.

Данные о детали представляются в виде матрицы, содержащей координаты точек и векторов нормалей в точках.

Модель движения детали представляет собой матрицу, включающую следующие преобразования: поворот, перемещение и переход к новой системе координат.

Пусть М и А/„ - это матрицы точек поверхности в системе координат детали координат нормали в точке, соответственно. Данные матрицы путем преобразований переводятся в систему координат установки для расчёта расстоя-

ния до источника частиц и угла наклона поверхности. Матрица преобразований, описывающая движение обрабатываемой поверхности относительно источника частиц представляет собой произведение матриц:

Ср=Ра-РгКа-Рп-И,-Рк-Рр!' 0)

где Ра - матрица перехода в систему координат приспособления; Р, - матрица перехода в систему координат стола; Яа - матрица поворота приспособления вокруг своей оси; Р10 - матрица перехода к точке крепления стола; Я, - матрица поворота стола вокруг своей оси; Ргс - матрица перехода в систему координат установки; Ррв - матрица перехода в систему координат источника частиц.

Матрица перехода к системе координат имеет вид:

'10 0

Р =

0 1 0 -у 0 0 1 -г ООО 1

(2)

где х, у, г - координаты вектора смещения системы координат. Матрица поворота вокруг оси у имеет вид: ' сова 0 эта 0 1 0

Я =

0 эта 0

1 0 О -вта 0 сова О

^ 0 0 0 1

(3)

(4)

где а - угол, определяемый из соотношения: а = 2 ■ я • ш • /

В формуле 4 со - окружная скорость вращения, об/мин; I - время, мин. Матрица поворота вектора нормали к поверхности относительно вектора источника частиц имеет вид: С„ = Яа ■ Я,, (5)

Угол наклона поверхности детали относительно потока плазмы определяется из формулы для скалярного произведения вектора нормали к поверхности детали и вектора источника частиц:

'Г - ^

\Уист • У норм /

ц/ = агссоэ

¡Уист] '¡Унорм)

(6)

где

Уист - вектор источника частиц (нормали к поверхности катода); ^норм - вектор нормали к поверхности детали; (уист • Унорм) - скалярное произведение векторов;

ист норм| - произведение длин векторов. Скалярное произведение векторов, через их координаты:

^ист -V,,

^ист "^Кнорм + У Учет

' УГнорм ^Унст ^Кнорм

(7)

(¡'ист • У.юрм ) = ХУ„СТ -П-норм

Определение количества деталей на одном уровне (вдоль горизонтальной оси позиционирования) производится исходя из технических характеристик ус-

тановки (радиуса поворотного стола, количества установочных мест на поворотном столе), габаритов детали и необходимого технологического зазора (необходимого расстояния между деталями).

Модель роста покрытия основана на модели В.В. Будилова для расчёта скорости роста покрытия в произвольной точке вакуумной камеры, доработанная возможностью учёта угла наклона обрабатываемой поверхности относи-

т1' ак ' Л ь

тельно потока осаждаемых частиц (у): г'

К = -

• (вт V)/),

(8)

- заряд элек-коэффициент

Летали

:-е-р

где т1 - масса осаждаемого иона; 2. — средний заряд иона; е трона; р - удельная масса конденсирующегося вещества; ак -конденсации; да - плотность ионного тока; Для расчёта толщины покрытия используется формула:

Ь = (9)

где г - время обработки, с

Результатом моделирования является матрица координат точек поверхности после нанесения покрытия. Из сравнения полученной и исходной матрицы определяются погрешности и отклонения формы. Равномерность толщины покрытия рассчитывается как разность толщин в различных точках поверхности.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния области расположения образцов и деталей (рисунок 1) на точность размеров и формы, шероховатость и микротвёрдость поверхности.

Закономерности влияния области расположения образцов на погрешность толщины покрытия приведены на рисунке 2.

Ль 14 мкм 12 10

Рисунок 1 - Схемы расположения образцов и деталей относительно источника частиц 1-параллельно, 2) перпендикулярно Як - радиус катода; Лоб - радиус области расположения; Ь - расстояние от катода

Дь 45 мкм 40 35 30 25 20 15 10 5

1 1

1

|

•Г^__.....: з

1!

1 !

________С

—|---^

0

4 5 Яоб/Як

11обЛ1к

а)

б)

Рисунок 2 - Погрешность толщины покрытия в зависимости от соотношения области расположения деталей к радиусу катода. 1 - Ь=200 мм; 2 - Ь=300 мм; 3 - Ь=400 мм. Образцы располагались; а) перпендикулярно б) параллельно оси плазменного потока

Погрешность толщины покрытия при соотношении Яо5/11к= 1 не превышает 5 мкм. Таким образом при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда и соотношении /?с,5.//?к=1 достигается точность, соответствующая 5-6 квалитету. Увеличение области расположения приводит к снижению точности.

Анализ результатов экспериментов по нанесению покрытия на цилиндрические втулки (рисунок 3), показал, что при нанесении покрытий на цилиндрические поверхности, появляется отклонение профиля продольного сечения -конусообразносгь и бочкообразность величиной порядке 2 мкм на длине 100 мм при параллельном и перпендикулярном расположении относительно источника частиц, соответственно.

'.)__!_1_:-| -I---!

0 40 80 120 0 20 40 60 80 100 120

I, м м

а) б)

Рисунок 3 - Распределение толшины покрытия TiN на цилиндрической поверхности втулок в зависимости от их длины. Расположение относительно потока: а) параллельно; б) перпендикулярно

При нанесении покрытия толщиной 4 мкм на цилиндрические поверхности с исходной овальностью до 1 мкм (2 степень точности), овальность после нанесения покрытия не изменилась. Рассеяние диаметра цилиндрической поверхности после механической обработки составляло 4 мкм. Рассеяние размера цилиндрических поверхностей после нанесения покрытия увеличилось до 7 мкм (рисунок 4). По чертежу необходимо получить диаметр 20*о'оо4 мм-ким образом, несмотря на то, что погрешность при осаждении покрытия возрастает, требования чертежа достигаются, следовательно, данный метод может быть успешно применён.

Рисунок 4 - Кривые распределения диаметров цилиндрических поверхностей (1 - до нанесения покрытия; 2 - после нанесения покрытия)

Кривые распределения толщины покрытия в зависимости от области расположения деталей при осаждении партии деталей представлены на рисунок 5.

Частость

0,5 0,4 0,3 0.2 0,1 о

/ км

\

с—2.1 Змкм |

У V

О 2 4 6 S 10 12

h, мкм

Рисунок 5 - Кривые распределения толщины покрытия для областей расположения деталей: 1) Roo =100 мм; 2) Ros =30 мм. Радиус катода 90 мм

Погрешность толщины ионно-плазменных покрытий зависит от области расположения деталей. При отношении Roi/RK=0,3 среднеквадратическое отклонение составляет величину о=0,78 мкм, а при RoS/RK=l - сг=2,13 мкм. Таким образом, чем меньше область расположения деталей, тем выше точность обработки.

Для исследования возможности технологического обеспечения точности при нанесении покрытия на тонкостенные детали, проведены исследования на образцах (кольцо). Овальность и конусообразность до нанесения покрытия составляли 7 мкм. Были выбраны следующие варианты сочетаний:

а) горизонтальное расположение источника частиц, расположение обрабатываемой поверхности параллельно потоку с обоими видами вращения (рисунок ба);

б) вертикальное расположение источника частиц, расположение обрабатываемой поверхности параллельно потоку частиц с обоими видами вращения (рисунок 66).

50

а) б)

Рисунок 6 - Проекции схем расположения образцов и источника частиц в процессе нанесения вакуумного ионно-плазменного покрытия Расположение источника частиц: а)горизонтальное; б)вертикальное

Экспериментальные результаты измерения овальности и конусообразко-сти приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты измерения овальности и конусообразности на образцах «Кольцо»

Расположение источника Вращение деталей Вид покрытия Общая толщина, мкм Овальность, мкм Кону сообразность, мкм

ШШ тах

горизонтальное вокруг оси стола однослойное 2 7 15,5 8

многослойное 11 7

вертикальное планетарное однослойное 5 б 7 7

многослойное 7 6

Требования по чертежу 5 8 - -

Допуск по чертежу - - 8 8

Экспериментальные данные показывают, что приемлемым с точки зрения точности является вариант с планетарным вращением деталей и вертикальным расположением катода.

Кроме того, изучалось однослойное покрытие Т1Ы и многослойное покрытие с общей толщиной 5 мкм. Многослойное покрытие представляло собой чередование слоев Т\, Т12Ы, TiN (такое чередование осуществлялось 4 раза). Как следует из таблицы 1, многослойное покрытие по точности обладает определённым преимуществом перед однослойным покрытием.

Закономерности изменения средней арифметической высоты неровностей профиля в зависимости от области расположения образцов при различной исходной шероховатости приведены на рисунках 7 и 8.

|

1 ___

2 Р==Р-~ Г , \

\

0 2 3 4 5

а) б)

Рисунок 7 - Средняя арифметическая высота неровностей профиля в зависимости от отношения области расположения деталей к радиусу катода (Яоа/К*). Образцы располагались перпендикулярно оси плазменного потока. Исходная шероховатость: а) Яа0,04; б) Яа0,63; 1 - Ь=200 мм; 2 - и=300 мм; 3 - Ь=400 мм

Увеличение области расположения приводит к увеличению высоты неровностей. Шероховатость поверхности перед нанесением покрытия (в диапазоне К.а0,04...11а0,63) практически не оказывает влияние на шероховатость поверхности покрытия при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда.

а) б)

Рисунок 8 - Средняя арифметическая высота неровностей профиля в зависимости от отношения области расположения деталей к радиусу катода (Коб/Як)- Образцы располагались параллельно оси плазменного потока. Исходная шероховатость: а) Яа0,04; б) Яа0,63; 1 - Ь=200 мм; 2 - Ь=300 мм; 3 - Ь=400 мм

Закономерности влияния области расположения образцов на микротвёрдость покрытия приведены на рисунке 9

45 «40

Е 35 ^ 30 2 25 | 20 | 15

1 10

2 о

Рисунок 9 - Микротвёрдость покрытия в зависимости от соотношения области расположения деталей к радиусу катода (R<,o/RK). Расстояние от поверхности источника частиц 400 мм.

Нагрузка 150 мН. 1 - L=200 мм; 2 - L=300 мм; 3 - L=400 мм

Наибольшая микротвёрдость покрытия обнаружена при Ro6/RK~l. При отдалении от источника частиц и увеличении отношения RoS/RK=\ микротвёрдость покрытия снижается.

Пятая глава посвящена модернизации установки и разработке технологических процессов нанесения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на детали «Стакан» и «Цапфа». Нанесение покрытия на высокоточные детали и обеспечение требуемого качества поверхности на серийной установке ННВ-6.6-И1 затруднительно в связи с недостаточной эффективностью используемого тлеющего разряда, несовершенствами системы дугогашения, приводящими к появлению поверхностных дефектов, а также недостатками системы подачи рабочего газа. Для исключения указанных недостатков была проведена модернизация установки ННВ-6.6-И1 цеха 4а ОАО «УМПО», включающая:

1 к

2 „■

-£

3 ~ " -— rv;

....... -

\

\

!

1 2 3 4 5

Roo/ Rjc

- разработку, изготовление и установку системы подачи газов для быстрой подачи и смены рабочих газов;

- установку плазменного источника с накальным катодом «ПИНК», реализующего дуговой разряд низкого давления и позволяющего обеспечить высокую энергетическую эффективность процесса;

- изготовление и установку специального источника переменного тока, позволяющего подавать на нить накала источника «ПИНК» напряжение до 14 В, с силой тока до 150 А.

Деталь «Стакан» является опорой подшипника. Поверхности под покрытие обработаны шлифованием по 6 квалитету и 5 степени точности формы. На деталь необходимо нанести покрытие толщиной 5+J мкм, допуск овальности и конусообразности 8 мкм. Предыдущие результаты показали, что на тонкостенные детали с целью уменьшения отклонений формы целесообразно осаждать многослойное покрытие. Последовательность переходов при выполнении процесса осаждения покрытия приведена рисунке 10.

Рисунок 10 - Последовательность работ при нанесении покрытия на деталь «Стакан»

Ранее проведённые исследования на модельных образцах показали, что схема расположения деталей при осаждении покрытия в плазме вакуумно-дугового разряда существенно сказывается на погрешности формы цилиндрической поверхности, поэтому в разработанном технологическом процессе принята схема взаимного расположения деталей «Стакан» и источника частиц аналогична схеме, приведенной на рисунке 66. Результаты замеров детали «Стакан» приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты измерения искажений формы и шероховатости поверхности детали «Стакан» ___

до нанесения покрытия после нанесения покрытия допуск по чертежу, мкм

Овальность, мкм 6 7 8

Конусообразность, мкм 5.8 6 8

Шероховатость поверхности (Ra) 0,63 0.8 0,8

Результаты замеров показывают, что разработанная технология нанесения вакуумного ионно-плазменного покрытия позволяет обеспечить заданную толщину покрытия с одновременным обеспечением точности формы и шероховатости поверхности детали в соответствии с требованиями чертежа.

Деталь «Цапфа» используется в роторе компрессора низкого давления. Необходимо нанести покрытие из нитрида титана толщиной Т1 мкм на фасонные шлицы. Шлицы обработаны шлифованием по 7 квалитету. Остальные поверхности защищаются экранами. Последовательность переходов при выполнении процесса осаждения покрытия приведена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Последовательность работ при нанесении покрытия на деталь «Цапфа»

Результаты измерения толщины покрытия и шероховатости поверхности, а также требуемые по чертежу данные приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты измерения и требуемые по чертежу толщина покрытия и шероховатости поверхности шлицев на детали «Цапфа»___

До осажде- Результаты Требуемые

ния измерении по чертежу

Толщина покрытия, мкм - 2...3 2...4

Шероховатость поверхности (Да) 0,63 0.63 0,8

Результаты сравнения измеренных и требуемых значений параметров подтверждают соблюдение требований чертежа.

Таким образом, применение разработанных технологических процессов осаждения покрытия позволяет обеспечить заданные параметры качества поверхности и точности размеров и формы деталей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Разработана математическая модель роста покрытия в плазме вакуум-но-дугового разряда, в виде системы уравнений движения, скорости роста покрытия, и затенения, записанных в однородных координатах, отличительной

особенностью которой является учёт конфигурации и кинематики движения детали. Разработана программа для ЭВМ, реализующая модель роста покрытия в плазме вакуумно-дугового разряда, отличающаяся тем, что позволяет рассчитать толщину и разнотолщинность покрытия, а также отклонение формы, вызванное нанесением покрытия в зависимости от области расположения деталей с учётом габаритов рабочей зоны установки, источника частиц и детали;

2) Установлено, что при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда распределение толщины покрытия соответствует закону нормального распределения. Установлено, что погрешность толщины ионно-плазменных покрытий зависит от области расположения деталей. Точность обработки зависит от отношения радиуса области расположения деталей (Roe) к радиусу катода (RK).

3) Установлено, что шероховатость поверхности после осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на высокоточные детали зависит от режимов осаждения покрытия и области расположения деталей. При этом шероховатость поверхности перед нанесением покрытия (в исследованном диапазоне) практически не оказывает влияние на шероховатость поверхности покрытия.

4) Установлено, что при отношении R0o/RK^l однородность плазменного потока с источника частиц достаточна для обеспечения требуемой точности и качества поверхности высокоточных деталей. Область расположения деталей может быть увеличена за счёт увеличения диаметра катода, а также за счёт движения деталей относительно источника частиц, позволяющего обеспечить равенство условий осаждения для различных точек обрабатываемой поверхности. Установлено, что при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда при отношении Ros/R^l достигается точность, соответствующая 5-6 квалитету, и 4-5 степени точности формы, шероховатость Ra 0,8 мкм;

5) Модернизирована установка ННВ 6.6-И 1 с целью обеспечения требуемого качества поверхности и точности детали. Разработаны технологические процессы осаждения покрытия TiN на высокоточные детали с учётом их области расположения и количества. Обработана партия деталей в условиях реального производства по разработанной технологии. Разработанные технологические процессы осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда позволяет обеспечить требуемые параметры качества высокоточных деталей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1) Ягафаров, И. И. Оценка точности деталей ГТД при ионно-плазменном нанесении покрытий [Текст] / В.В. Будилов, P.M. Киреев, И.И. Ягафаров // Изв. вузов. Авиационная техника. 2012. №2. - С.65-68.

2) Ягафаров, И. И. Обеспечение точности деталей при ионно-плазменном нанесении покрытий [Текст] / Р.М.Киреев P.M., И.И.Ягафаров // Вестник УГАТУ,- 2012. - Т.16, №1(46).-С.88-93.

3) Ягафаров, И. И. Технология нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на детали ГТД высокой точности [Текст] / И.ИЛгафаров, Р.М.Киреев, В.В.Будилов// Наноинженерия - 2013 - №4 (22). - С.38-42.

4) Варданян, Э. Л.Упрочнение штамповой оснастки комбинированной обработкой в вакууме [Текст] / Э.Л. Варданян, P.M. Киреев, К.Н. Рамазанов, Р.К. Вафин, ИМ. Ягафаров, Р.Ш. Валиев // КШП. - 2012. - №1. - С.28-31.

5) Варданян, Э. Л. Упрочнение пуансонов путем ионной модификации и нанесения износостойких покрытий [Текст] / Э.Л. Варданян, И.И. Ягафаров, P.M. Киреев, Р.К. Вафин, Р.Ш. Валиев // КШП. - 2013. - №3. - С.31-32.

Статьи в других изданиях:

1) Ягафаров, И. И., Киреев P.M., Латыпова Ж.Ш. Обеспечение точности деталей вертолётной техники при ионно-плазменном нанесении покрытия // Будущее авиации за молодой Россией: Материалы Международного молодёжного форума. - Рыбинск: РГАТА имени П.А.Соловьёва, 2011 С.71 - 76.

2) Мухин, В. С., Киреев Р. М., Ягафаров И. И. Особенности компоновки оборудования для обработки деталей высокой точности // XVIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» 2011. - М., С. 334-337.

3) Киреев, Р. М., Ягафаров И. И., Будилов В. В. Технология нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на детали ГТД высокой точности // XIX научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» 2012. - М., С. 154 - 157.

4) Варданян, Э.Л., Ягафаров И. И, Киреев, Э. Л. Перспективная технология упрочнения штамповой оснастки в вакууме//Современные проблемы машиностроения: труды VI Международной научно-технической конференции / Томский политехнический университет. - Томск, 2011 - С. 424 - 430.

5) Yagafarov, 1.1., Kireev R. M.", Mukhin V. S. Assurance of Parts Accuracy in the Process of Coating Deposition by the Vacuum Arc Plasma// XXVth Int.Symp.on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Tomsk, Russia September 2-7, 2012 - 2012. - p. 552-553.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 22.10.2014. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 90. Заказ 241.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

(РГАТУ имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53