Исследование процессов прецизионного формообразования сферических элементов узлов гироприборов с использованием прогрессивных методов выполнения неразъёмных соединений

Важнейшими компонентами научно-технического прогресса являются точное приборостроение и тесно связанные с ним наукоёмкие технологии, необходимость повышения научно-технического уровня которых обусловлена потребностями развития науки и техники. Характерными представителями изделий точного приборостроения являются гироскопические приборы (гироскопы акселерометры и т. д.), входящие в состав инерциальных навигационных систем, которые обеспечивают автономную выработку координат местоположения движущихся объектов морского флота, авиации и ракетно-космической техники, а также изделия гравитационной градиентометрии (вариометры, градиентометры и т. д.).

Очевидно, что разработка и создание новых и перспективных изделий точного приборостроения непосредственно связана с возможностями и уровнем развития средств технологического обеспечения процесса их изготовления, в котором важное место занимает реализация неразъемных соединений, включая и такой прогрессивный метод, как диффузионная сварка в вакууме (ДСВ).

Особенностью узлов гироприборов являются жесткие требования по допуску их изготовления на уровне единиц и десятых долей микрометра (при номинальных размерах узлов порядка нескольких десятков миллиметров). При этом формообразование изделий сложных конфигураций, в том числе, и прецизионных сферических поверхностей, характерных для точного приборостроения, связано с выполнением комплекса взаимосвязанных технологических операций, где одни операции являются основными или финишными, а другие — определяют технологическую предысторию узла.

Примером может являться реализация неразъемных соединений посредством ДСВ в сочетании с операциями, необходимыми для формообразования узла в целом, в частности, такими, как вакуумное напыление.

Применение технологии ДСВ наиболее эффективно, когда методы сварки плавлением не недопустимы из-за жёстких требований к дисбалансу изделий и однородности кристаллической структуры материалапри сварке трудно свариваемых материалов, таких как, например, бериллий, а также при сварке телескопических соединений, когда отсутствует доступ непосредственно к свариваемым поверхностям деталей.

Общие положения и теоретические основы ДСВ, как способа реализации неразъёмного соединения, были разработаны Н. Ф. Казаковым и получили развитие в исследованиях Г. В. Конюшкова, Э. С. Каракозова, М. Х. Шоршорова, O.A. Красулина, А. И. Шестакова, К. А. Кочергина, И. И. Метёлкина и других авторов. Они описывали технологию с относительной деформацией изделия (1−5) %. Проблемы повышения точности сварки рассматривались в трудах Г. В. Конюшкова и В. А. Бачина, однако деформация деталей в процессе сварки определялась на уровне десятых и сотых долей миллиметра, что не приемлемо для высокоточных узлов гироприборов.

Впервые технология ДСВ с деформацией до 10−15 мкм была разработана В. И. Гаврюсевым на примере изготовления сферических тонкостенных полых роторов электростатического гироскопа, где в процессе сварки использовались проволочные промежуточные прослойки. Дальнейшие исследования в этом направлении позволили А. Г. Щербаку создать беспрослойную технологию сварки тонкостенных сферических роторов и разработать прецизионную технологию ДСВ армирующих элементов при изготовлении сплошных роторов бескарданного варианта электростатического гироскопа.

Однако управление и регулирование параметрами сварочного цикла в указанных технических решениях определяются целым рядом условий, что ограничивает использование данной технологии для роторов различных модификаций и типоразмеров. Перспективы развития и совершенствования гироприборов связаны, в первую очередь, с повышением их точности. Это определяет необходимость более глубоких исследований комплексной технологии изготовления узлов и элементов с использованием ДСВ и связанных с ней операций. Обеспечение указанной выше точности узлов на уровне единиц и десятых долей микрометра носит проблемный характер, поскольку требует учёта целого ряда факторов различной значимости, связи между которыми установлены не в полной мере.

Технологические процессы диффузионной сварки в вакууме и вакуумного напыления могут совместно решать конкретную техническую задачу, могут быть взаимообусловленными, или являться вспомогательными по отношению один к другому (например, напыление подслоя перед сваркой). Очевидно, что выявление технических решений и разработку методов и средств повышения точности узлов гироприборов (если их изготовление осуществляется по приведенным выше схемам) целесообразно осуществлять, рассматривая в комплексе процессы ДСВ и вакуумного напыления. Эти технологические процессы имеют формально подобные термомеханические циклы, включающие нагрев прецизионных деталей в условиях действия различного рода напряжений, что непосредственно определяет точность изготавливаемых изделий. При этом при ДСВ сварочные напряжения являются одним из основных параметров процесса и объективно необходимы для образования соединения, что предполагает разработку технологических схем их создания, а в процессах вакуумного напыления напряжения возникают в результате различия в термических коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) основного и напыляемого материалов. Очевидно, что непосредственно на точность и размерную стабильность деталей влияют такие параметры термомеханического цикла, как скорость деформирования при ДСВ, величина сварочных напряжений, время и температурный интервал, в котором действуют эти напряжения, характер и условия протекания рекристаллизационных процессов и т. д.

Примерами изделий, в которых имеют место взаимосвязанные процессы ДСВ и вакуумного напыления, могут являться:

— тонкостенный полый ротор электростатического гироскопа (ЭСГ), выполненный в различных модификациях, где на сферическую оболочку, полученную посредством ДСВ по плоскости разъема двух полусфер, после балансировки с точностью до сотых долей микрометра осуществляется нанесение износостойкого покрытия;

— сплошной бериллиевый ротор бескарданного варианта электростатического гироскопа (БЭСГ), где повышение точности, надёжности и улучшение параметров балансировки ротора связано с качественно новой технологией формообразования армирующего элемента, что с наибольшей эффективностью может быть реализовано использованием метода вакуумного напыления;

— керамические роторный и статорный элементы датчика положения чувствительного элемента гравитационного вариометра (ЧЭ ГВ), на полусферических рабочих поверхностях которых формируется требуемый рисунок тонкоплёночных электродов, а на торцахпромежуточный подслой для последующей сварки с узлом подвеса ЧЭ ГВ.

Возможные технические решения по оценке комплексного влияния параметров и условий выполнения взаимообусловленных технологических операций ДСВ и вакуумного напыления на прецизионность узлов гироприборов связаны с проблемами согласования совокупности и последовательности операций диффузионной сварки и напыления с целью минимизации термомеханических воздействий на детали.

Из изложенного следует актуальность, важность и практическая потребность проведения исследований по анализу, оценке и согласованию параметров и факторов таких взаимосвязанных технологических процессов, как диффузионная сварка в вакууме в сочетании с операциями нанесения тонкоплёночных покрытий методами вакуумного напыления, при формообразовании прецизионных сферических узлов.

Целью диссертационной работы является разработка и практическая реализация комплексной технологии выполнения неразъёмных соединений сферических узлов гироприборов методами диффузионной сварки в вакууме, сочетающихся с операциями вакуумного напыления для повышения точности неразъёмных соединений.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач: -выявление совокупности значимых характеристик процессов прецизионного формообразования деталей посредством ДСВ с оценкой их влияния на прецизионность узлов;

— разработка методов и средств минимизации сварочных деформаций при формообразовании прецизионных сферических элементов узлов гироприборов с созданием методов управления и регулирования процессами термомеханического воздействия на детали;

— исследование процесса ДСВ в условиях действия сварочного давления термонатяга, ориентированного к центру сферы с разработкой методов и средств корректировки конфигурации свариваемого узла в процессе деформирования при ДСВ;

— математическое моделирование процессов ДСВ при деформировании с осадкой одноосного сжатия и разработка алгоритмов технологического проектирования ДСВ узлов гироприборов;

— исследование и разработка комплексных технологических процессов формообразования сферических узлов гироприборов с совместным использованием вакуумного напыления и ДСВ;

— разработка технологических процессов изготовления таких реальных узлов гироприборов, как тонкостенные и сплошные бериллиевые ротора электростатического гироскопа, статорный и роторный элементы датчика положения чувствительного элемента гравитационного вариометра.

На защиту выносятся следующие научные положения и практические результаты: -средства математического обеспечения технологии ДСВ, включая моделирование и расчётные методики процессов прецизионного деформирования с одноосным сжатием свариваемых деталей;

— алгоритм технологического проектирования процесса ДСВ узлов гироприборов- -технологические схемы, методы и приемы прецизионной сварки с минимизацией сварочных деформаций в условиях действия сварочного давления термонатяга, ориентированного к центру сферы и к оси цилиндра;

— совокупность технических решений по созданию принципиально новой конструкции и технологии изготовления сплошного ротора БЭСГ;

— комплексные технологические процессы реализации неразъёмных соединений сферических узлов гироприборов с использованием операций вакуумного напыления и ДСВ;

— технологические способы и методы корректировки свойств поверхности и функциональных характеристик сплошного ротора по допуску на уровне сотых долей микрометра при номинальном размере ротора ~ 10 мм;

— введение и обоснование эффективности использования новых контролируемых параметров, связанных с симметрией сварочных деформаций, и разработка способов управления ими, позволяющие улучшить условия балансировки роторов;

— комплекс многоцелевого оборудования, устройств и приспособлений для реализации технологических процессов напыления и сварки узлов гироприборов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных экспериментально-исследовательских работ решены проблемы разработки и практической реализации комплексной технологии выполнения неразъёмных соединений сферических узлов гироприборов методами диффузионной сварки в вакууме, сочетающихся с операциями вакуумного напыления, что позволило существенно повысить точность изготавливаемых изделий, расширить возможности и область применения технологических процессов диффузионной сварки и вакуумного напыления по сравнению с существующим уровнем, осуществить ряд принципиально новых технических решений и получить качественно новые реальные изделия узлов > гироприборов. Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. С использованием элементов системного анализа разработана структурная схема технологического проектирования и реализации неразъёмных соединений сферических узлов гироприборов, представляющая собой классификацию последовательного типа в виде иерархического дерева совокупности приёмов и методов технологии, которые выражены как классификационные признаки различных уровней.

2. Сформулированы принципы и положения математического моделирования процесса диффузионной сварки в вакууме на примере тонкостенных и сплошных роторов электростатического гироскопа, которые позволили решить задачу повышения точности выполнения неразъёмных соединений сферических узлов гироскопических приборов.

3. Разработан алгоритм построения процесса прецизионной ДСВ тонкостенных фланцевых роторов ЭСГ, основанный на последовательном расчёте основных взаимообусловленных параметров сварочного модуля и процесса сварки в соответствии со сформулированными принципами математического моделирования. Данный алгоритм позволяет определить допустимые области и диапазоны варьирования указанных параметров и определить наиболее приемлемую их совокупность, обеспечивающую минимальные деформации свариваемого изделия.

4. Обоснована целесообразность и эффективность проведения анализа процессов прецизионного деформирования и построения технологии ДСВ, исходя из расчленения термомеханического цикла сварки на этапы, которые определяются соотношениями ТКЛР и линейных размеров, а также гомологических температур процесса для элементов сварочного модуля при сварке фланцевых роторов ЭСГ.

5. Исследованы и разработаны комплексные технологические процессы формообразования прецизионных узлов гироприборов, таких как роторы ЭСГ и БЭСГ, роторный и статорный элементы датчика положения ЧЭ ГВ с совместным использованием технологий ДСВ и вакуумного напыления, обеспечивающие повышение точности изделий.

6. Созданы качественно новая конструкция и технология изготовления ротора БЭСГ, включающая сварку по телескопической поверхности соосных охватываемой и охватывающей заготовок в условиях действия сварочного давления термического натяга, ориентированного к оси цилиндра, с расчётом параметров сварочного модуля, свариваемых деталей и кольцевого армирующего элемента ротора, формируемого на охватываемой детали посредством вакуумного напыления.

7. Разработана технологическая схема финишной корректировки электрофизических свойств поверхности и величины дисбаланса сплошных роторов БЭСГ на уровне сотых долей микрометра посредством напыления сверхтонких пленочных покрытий толщиной (100−1000) А.

8. Установлена корреляция параметров процесса напыления сверхтонких плёночных покрытий на плоские и сферические поверхности с использованием методов магнетронного и термического напыления.

9. Создан комплекс средств и методов контроля процесса формообразования и оценки параметров сверхтонких покрытий непосредственно в процессе напыления.

10. Разработана технология прецизионной ДСВ-бесфланцевых роторов ЭСГ в условиях действия сварочного давления термического натяга, ориентированного к центру сферы, и предложена, эмпирическая зависимость, на основании которой созданы методика расчёта и технологические приёмы корректировки формы свариваемого узла в процессе деформирования.

11. Обоснована эффективность использования новых контролируемых параметров, связанных с симметрией сварочных деформаций, и разработаны способы управления ими, позволяющие улучшить условия балансировки роторов;

12. Создан комплекс качественно новых средств оснащения процессов прецизионного формообразования узлов гироприборов с использованием методов ДСВ и напыления, включая оборудование, устройства и приспособления, в том числе и многопозиционные, как универсального, так и специфического назначения.

13. Основные, разработанные в рамках работы, технологические процессы, связанные с изготовлением тонкостенных и сплошных роторов ЭСГ и БЭСГ, а также оборудование и оснастка внедрены в серийное производство с полным обеспечением технической документацией.

14. Основные технические решения, использованные в технологических процессах, защищены двумя патентами Российской Федерации. По результатам работы опубликовано 14 н научных трудов, в том числе статьи и доклады на конференциях, включая зарубежные. Ряд статей был опубликован при поддержке РФФИ в рамках работ по проектам № 06−08−61 068 и № 08−08−12 032.