Исследование и разработка технологических методов повышения точности и размерной стабильности прецизионных деталей и узлов гироскопических приборов

В современном мире при быстром развитии науки и техники все больше возрастает роль точного приборостроения, которое является одним из важнейших составляющих научно-технического прогресса. Необходимость повышения уровня точного приборостроения обусловлена потребностями различных отраслей народного хозяйства. Приборы, входящие в состав различных систем и комплексов, обеспечивают получение текущей информации, необходимой для выработки решений по управлению объектами, в которых они используются, формированию воздействий на окружающую среду, оценке конкретных технических ситуаций и т. д. При этом качество выполнения этих приборов, изготавливаемых из современных материалов и сочетающих в себе элементы точной механики, оптики, электровакуумной техники, высоковольтной электроники, в первую очередь определяет инструментальную точность, ресурс работы и надежность указанных систем и комплексов.

Гироскопические приборы являются характерными представителями изделий точного приборостроения и используются как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, инерциальная навигационная система и т. п.), так и в бесплатформенных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. Точность и надежность современных гироскопических приборов во многом зависят от стабильности геометрических размеров и формы входящих в их состав высокоточных узлов, обеспечиваемой применяемыми в конструкции материалами и технологическими методами изготовления.

Широкое применение в изделиях точного приборостроения, в том числе и в гироскопических приборах, находят газовые подшипникиподшипники скольжения, смазываемые газом, особенно в тех случаях, когда требуется повысить точность взвешивания ротора, увеличить технический ресурс и производительность приборов и машин, снизить уровень собственных шумов.

Современный уровень технологии прецизионного приборостроения определяет применение в различных конструкциях металлических материалов, удовлетворяющих сложному комплексу физико-механических свойств: высокие механические характеристики, коррозионная стойкость, требуемый коэффициент теплового расширения, размерная стабильность во времени. Этим требованиям по совокупности показателей в наибольшей мере отвечает группа прецизионных дисперсионно-твердеющих сплавов с заданными свойствами упругости. Среди сплавов этой группы выделяется сплав 40ХНЮ-ВИ, характеризующийся высоким сопротивлением микропластическим деформациям и релаксационной стойкостью в условиях статического и циклического нагружения, что особенно важно для сохранения размеров высокоточных деталей изделий точного приборостроения. Сплав 40ХНЮ-ВИ широко применяется в корпусных деталях и ответственных прецизионных узлах с точностью изготовления на уровне единиц и десятых долей микрометра различных гироскопических приборов и систем: гироскопов, акселерометров, скважинных модулей ориентации и т. п.

Характерным изделием точного приборостроения, в котором используются современные конструкционные материалы, и имеет место прямая зависимость между точностью и надежностью прибора и размерной стабильностью входящих высокоточных узлов, является двухстепенной поплавковый гироскоп — прецизионный датчик угловой информации, представляющий собой изделие, в корпусе которого взвешен в вязкой жидкости герметичный поплавок, содержащий быстровращающийся ротор. Для взвешивания ротора, который задает главную ось чувствительности гироскопа, применяется полусферический газовый подшипник, материалом деталей которого является сплав 40ХНЮ-ВИ.

К деталям и узлу в целом прецизионного газового подшипника поплавкового гироскопа предъявляются жесткие требования по точности изготовления на уровне десятых долей микрометра, а по допуску размерной нестабильности во времени — тысячные доли микрометра в час. Эти требования необходимы для сохранения постоянства смазочного зазора газового подвеса, обеспечения нестабильности ухода прибора от деформаций подвеса (опора-фланец) менее 0,001°/ч за час, что непосредственно определяет функциональную точность и эксплуатационную надежность гироскопа и, как следствие, конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Технологические процессы изготовления деталей газового подшипника имеют две важные особенности: выполнение на детали нескольких прецизионных жестко взаимосвязанных поверхностей и формирование на окончательно выполненных с точностью в десятые доли микрометра рабочих поверхностях функциональных элементов, таких как аэродинамический профиль и износостойкое покрытие нитрида титана ТОчГ.

Эти факторы, являясь, безусловно, необходимыми элементами технологии, определяют дополнительные сложности, связанные с тем, что каждая из указанных поверхностей находится в различных условиях эксплуатации и должна сохранять заданную конфигурацию при действии напряжений разной величины и направления. При этом необходимо обеспечивать требуемую геометрическую точность и каждой поверхности, и 6 взаимной ориентации этих поверхностей между собой. Поэтому одним из наиболее важных технологических аспектов процесса изготовления прецизионных узлов и конструкций является обеспечение стабильности их геометрической точности на уровне, который может достигать десятых долей микрометра. Очевидно, что совершенствование и повышение качества изготавливаемых гироскопических приборов, непосредственно связано с возможностями и уровнем развития наиболее эффективных средств технологического обеспечения процесса их изготовления.

Проблемы размерной стабильности, — сохранения геометрических параметров во времени, рассматривались в разное время Марингером Р., Имгрэмом А., Маршаллом C.B., Хоникомбом Р., Хенкиным M. JL, Локшиным И. Х., Сагалевичем В. М., Савельевым В. Ф. и др. Применительно к узлам гироскопических приборов проблемы сохранения геометрической точности практически впервые исследовал В. И. Гаврюсев: размерную стабильность применяемых в гироскопии конструкционных материалов и влияние технологических факторов (легирование, механические воздействия, сварка, нанесение покрытий) на размерную стабильность материалов и конструкций.

Эти работы представляют собой основы для рассмотрения проблем размерной стабильности конструкций, выявляют причины нестабильностей различной природы и дают теоретическое объяснение протекания процессов микропластической деформации. Но применительно к изделиям с точностями на уровне единиц микрометра их рекомендации носят общий характер и могут являться фундаментом для проведения дальнейших, более узких исследований и разработки методов стабилизации размеров деталей и узлов для более высоких точностей.

Задачи повышения точности прецизионных узлов гироскопических приборов за счет совершенствования уровня технологии их формообразования решались в разное время в ЦНИИ «Электроприбор». В работах В. И. Гаврюсева, которые получили развитие в исследованиях А. Г. Щербака, рассматривались вопросы изготовления сферических роторов шаровых гироскопов посредством диффузионной сварки с получением геометрии сварного узла при регулируемом пластическом деформировании с точностью 10−12 мкм. Работы В. Г. Кедрова были связаны со сферодоводкой в условиях упругой деформации и балансировкой этих роторов и позволили обеспечить получение конечной конструкции в виде эллипсоида вращения с разностью полуосей до 24 мкм и точностью формы до десятых долей микрометра. Г. В. Надежин проводил исследования для деталей газового подшипника поплавкового гироскопа и разработал технологию поэтапной 7 доводки их сферических поверхностей, обеспечивающую получение отклонения от круглости на сфере не более 0,3 мкм.

Но разработанные технологические методы и принципы формообразования применимы лишь для сравнительно узких областей, связанных только с формированием сферы или прецизионной доводкой сферических поверхностей. К тому же указанные выше исследования были связаны с обеспечением точности на этапе изготовления и не анализировали ее сохранение с течением времени. Это определяет необходимость и важность рассмотрения процессов развития и протекания микропластической деформации в узле — процессов ползучести и релаксации, в расширенных временных рамках и в более жестких условиях, включая период эксплуатации.

Известные на сегодня рекомендации по изготовлению и стабилизации размеров прецизионных узлов, в том числе и действующие руководящие технические материалы, такие, как ГОСТ 17 535–75 и ОСТ4. ГО 54 103, носят преимущественно общий характер и относятся к точности в пределах нескольких единиц микрометра. Указанные отраслевые стандарты имеют определенные ограничения, связанные, в первую очередь, с тем, что не включают ряд современных материалов, применяемых в навигационной технике, в том числе сплав 40ХНЮ-ВИ, и рекомендуют общую схему технологии изготовления деталей и узлов, которая не учитывает реальных особенностей конструкций с точностями в десятые доли микрометра.

В настоящее время для дисперсионно-твердеющего сплава 40ХНЮ-ВИ известны зависимости макромеханических свойств, таких как предел текучести ао, 2> временное сопротивление разрыву ов, твердость НЕС, относительное удлинение 8, от температур закалки и старения. Для этого сплава Д. Ерболатулы и М. К. Скаков (2005;2007 г. г.) проводили работы по изучению эффекта сверхпластичности и установили оптимальные температурно-скоростные условия его сверхпластической деформации. Однако до сих пор отсутствуют какие-либо практические рекомендации по режимам термических обработок сплава 40ХНЮ-ВИ, обеспечивающих высокие характеристики размерной стабильности сплава на уровне прецизионного предела упругости а0>0001 или предела макроупругости ст0.

На сегодняшний день высокая точность гироскопа и постоянство рабочих характеристик в течение периода хранения, постановки прибора в навигационную систему и эксплуатации обеспечиваются в недостаточной степени.

Существующие технологические процессы изготовления прецизионных деталей газового подшипника имеют недостаточно высокий 8 уровень воспроизводимости результатов в части обеспечения точностных параметров. При изготовлении прецизионных деталей газового подшипника возникают проблемы как с получением точностей уровня десятых долей микрометра, так и их сохранением в период хранения, сборки и эксплуатации прибора. Все это делает задачу повышения точности и размерной стабильности прецизионных деталей и узла газового подшипника весьма актуальной, без решения которой невозможно улучшение качественных характеристик прибора в целом.

Для решения проблем геометрической точности и размерной стабильности прецизионных деталей и узлов гироскопических приборов, необходима разработка концептуально-прикладных подходов с использованием элементов системного анализа и итерационных методов, позволяющих комплексно оценивать и анализировать процессы изготовления прецизионных узлов на последовательных взаимосвязанных уровнях: материал, деталь, узел (сборка). На каждом уровне необходимо выявлять и оценивать сравнительную значимость возможных причин нестабильности, разрабатывать критерии оценки их влияния и технологические методы и средства повышения и сохранения точности узла. Область исследований является достаточно сложной и специфической, так как оперирует точностями порядка десятых долей микрометра.

Для решения проблемы обеспечения геометрической точности прецизионных деталей и узлов гироскопических приборов и ее стабильности в течение эксплуатации, необходим комплексный подход — проведение исследований в двух основных взаимообусловленных направлениях: с одной стороны повышение микромеханических характеристик сплава, таких как его предел макроупругости, определяющий уровень остаточных напряжений в материале, не приводящий к развитию микропластических деформацийс другой стороны снижение и модификация поля остаточных напряжений в готовом узле при эксплуатации до уровня предела макроупругости материала.

Первое направление предполагает определенную долю металловедческих исследований для повышения микромеханических характеристик сплава. При этом управление микроструктурными параметрами сплава является инструментом для повышения его размерной стабильности.

Второе направление предусматривает рассмотрение технологии изготовления с позиций снижения уровня остаточных напряжений в деталях, но в тоже время и сохранения их формы, что связано с необходимостью анализа вносимых напряжений на различных операциях технологического процесса и разработкой методов снижающих вносимые напряжения.

Такой подход отражает многоуровневый характер исследования, предполагает разработку совокупности взаимосвязанных объективных критериев и прогрессивных технических решений, обеспечивающих управляемый характер технологического процесса изготовления деталей и узлов, что позволит решить проблему получения и сохранения в течение длительного периода времени геометрической точности прецизионных деталей и узлов гироскопических приборов.

Цель работы заключается в повышении уровня технологического обеспечения процесса изготовления прецизионных деталей и узлов из дисперсионно твердеющего сплава 40ХНЮ-ВИ, на примере опор и фланцев газодинамического подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа, с выявлением прогрессивных технических решений, позволяющих обеспечить управляемый характер процесса формообразования и сохранения геометрической точности изделий на уровне десятых долей микрометра. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проанализировать и обобщить основные факторы, влияющие на точность изделий, и физические механизмы процессов, определяющих их размерную стабильность и связанных со свойствами исходных материалов, конфигурацией деталей и особенностями сборки.

2. Разработать исходные условия и основные принципы выбора прогрессивных технологических методов и средств повышения и сохранения точности изделий.

3. Исследовать процессы закалки и старения сплава 40ХНЮ-ВИ, определить способы повышения его размерной стабильности и разработать соответствующие режимы термических обработок сплава.

4. Разработать принципы, расчетно-экспериментальные методы и технологические приемы корректировки формы прецизионных деталей на уровне десятых долей микрометра с использованием элементов упруго-пластического принудительного деформирования.

5. Разработать средства бездеформационной технологии выполнения аэродинамического профиля на полусферических опорах газового подшипника.

6. Разработать схемы практической реализации элементов технологии при изготовлении реальных деталей и узлов.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается использованием современных методов исследований, включая элементы системного анализа, итерационные подходы, ю моделирование, основы металловедения и теории упруго-пластического деформирования, и совпадением результатов экспериментальных исследований с теоретическими положениями диссертацииприменением прогрессивных методов и средств обработки, анализа и оценки экспериментальных данныхдостаточно высоким уровнем апробации результатов исследований, в том числе прохождение этапа рецензирования при опубликовании статей в реферируемых изданиях. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны структурная схема и система моделей процесса повышения точности и размерной стабильности прецизионного узла газового подшипника поплавкового гироскопа, основанные на использовании итерационных методов и подходов.

2. Предложены совокупность критериев для оценки структурно-фазового состояния сплава 40ХНЮ-ВИ, отвечающая условию обеспечения прецизионной геометрии в процессе формообразования деталей газового подшипника, и режим термической обработки, изменяющий структуру до уровня соответствия этим критериям.

3. Разработан и обоснован режим старения сплава 40ХНЮ-ВИ, согласованный с процессом изготовления деталей и обеспечивающий высокую размерную стабильность сплава.

4. Установлены основные взаимосвязи геометрических параметров рабочих, центрирующих и посадочных поверхностей прецизионных фланцев газового подшипника, предложены и обоснованы принципы корректировки формы прецизионных деталей на различных этапах изготовления посредством упруго-пластического деформирования за счет регулируемых термомеханических воздействий.

5. Сформулированы положения и условия бездеформационной технологии выполнения аэродинамического профиля на полусферических опорах газового подшипника методом ионного травления. Определены значимые параметры процесса и кинематическая схема позиционирования полусферических опор для получения переменного как в продольном, так и поперечном сечении профиля.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Разработана методика оценки структурно-фазового состояния сплава 40ХНЮ-ВИ, позволяющая обеспечить прецизионную геометрию на этапе сферодоводки.

2. Предложены и научно обоснованы режимы термических обработок сплава 40ХНЮ-ВИ, обеспечивающие его высокую размерную стабильность после старения и изменяющие структуру сплава 40ХНЮ-ВИ в закаленном состоянии.

3. Разработаны методы снижения внутренних напряжений в прецизионных деталях с сохранением их геометрии на уровне десятых долей микрометра за счет стабилизирующего отжига, проводимого в условиях жесткой фиксации взаимосвязанных прецизионных поверхностей деталей газового подшипника, а также технологические схемы корректировки формы этих поверхностей.

4. Определены величины и диапазоны варьирования основных значимых параметров процесса формообразования аэродинамического профиля на полусферических деталях газового подшипника методом ионного травления. Разработан и изготовлен комплекс средств оснащения для ионного травления профиля на опорах газового подшипника.

Результаты диссертационной работы нашли применение в технологии изготовления экспериментальных опор и фланцев газового подшипника поплавкового гироскопа. Разработанные методы могут быть использованы в технологии изготовления различных прецизионных конструкций из сплава 40ХНЮ-ВИ и иметь развитие в технологии изготовления сложных деталей, в которых предусмотрено выполнение нескольких высокоточных поверхностей, а также требуется получение сложного микрорельефа, например в акселерометрах, скважинных модулях ориентации и т. п. Предложенный общий комплексный подход к обеспечению размерной стабильности конструкции может быть применен к любому высокоточному узлу.

По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 3 — в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Ряд статей был опубликован при поддержке РФФИ в рамках работ по проекту № 10−08−158а.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: XII, XIII, XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб, ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2010;2012; VII, VIII Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых, СПб, СПб НИУ ИТМО, 2010;2011; XI конференция молодых ученых и специалистов «Новые материалы и технологии», СПб, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», 2010; XL научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 2011; I Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб, СПб НИУ ИТМО, 2012.

Разработанные методы, приемы и средства технологии опробованы в производстве при изготовлении двухстепенных поплавковых гироскопов и.

12 определены перспективы использования этих методов и средств в отношении других типов гироскопических приборов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 90 наименований. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 71 рисунок и 13 таблиц.

Заключение

.

В результате проведенных экспериментально-исследовательских работ разработан комплекс научно обоснованных прогрессивных технических решений, позволяющих обеспечить управляемый характер процесса формообразования и сохранения геометрической точности прецизионных деталей и узлов из дисперсионно твердеющего сплава 40ХНЮ-ВИ на уровне десятых долей микрометра, что позволило решить задачу повышении уровня технологического обеспечения процесса изготовления прецизионных деталей и узлов, на примере опор и фланцев газового подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Обоснована эффективность использования концептуально-прикладной структурной схемы решения задачи обеспечения размерной стабильности прецизионных узлов, связанной с выделением взаимосвязанных уровней: материал, деталь, узел, с оценкой на основе разработанных критериев размерной нестабильности узла как единого множества нестабильностей, имеющих место на каждом выделенном уровне, в совокупности отношений и связей между ними.

2. Предложен комплексный системный подход к решению задач повышения точности и размерной стабильности узла газового подшипника, основанный на разработке приемов, методов и средств технологии, обеспечивающих совмещение допустимой области воздействий на детали при их изготовлении, которая ограничена кривой, определяемой множеством согласованных сочетаний 8Д0П и адоп (при данном пределе макроупругости метериала), и необходимой, реально имеющей место области, построенной для того же предела макроупругости материала и ограниченной сочетаниями реал И вреал*.

3. Разработана система моделей процесса повышения точности и размерной стабильности прецизионного узла газового подшипника поплавкового гироскопа, основанная на использовании итерационных методов и подходов и включающая управление процессом обеспечения размерной стабильности исходного материала, деталей и узла в целом, в том числе модель, рассматривающая стабильность узла, а именно зазора газового подшипника, в статике и динамике. Разработанные модели включают иерархическую совокупность приемов, методов и средств технологии, представленных как классификационные признаки разных уровней.

4. Выявлены зависимости точностных параметров деталей на стадии прецизионной сферодоводки от структурного состава материала — сплава 40ХНЮ-ВИ, размеров и количества частиц фазы а-Сг в микроструктуре состаренного сплава, которые сохраняются из закаленного состояния. Разработаны совокупность критериев для оценки структурно-фазового состояния сплава 40ХНЮ-ВИ на этапе закалки, отвечающая условию обеспечения прецизионной геометрии, и алгоритм технологии изготовления деталей, в котором при несоответствии материала указанным критериям за счет обратных связей предусмотрено изменение структурно-фазового состояния посредством дополнительных термических воздействий.

5. Предложен режим высокотемпературной термоциклической обработки сплава 40ХНЮ-ВИ, модифицирующий структуру до уровня соответствия разработанным критериям обеспечения прецизионной геометрии. Исследованы процессы превращений, происходящие в сплаве при старении в диапазоне температур 300°-860°С и разработан режим старения, обеспечивающий повышение предела макроупругости на 200 МПа: нагрев 250°С/ч до температуры 810 °C, время выдержки 2 ч 40 мин от начала нагрева.

6. Установлены основные взаимосвязи изменения геометрии прецизионных поверхностей фланца газового подшипника: рабочей сферы, направляющего цилиндра и посадочного торца. Предложены и обоснованы принципы корректировки формы на различных этапах изготовления за счет регулируемых термомеханических воздействий при упругопластическом деформировании взаимосвязанных поверхностей.

7. Определены эмпирические зависимости соотношений деформаций прецизионных поверхностей и выражения для расчета средств оснащения управляемого процесса корректировки конфигурации деталей посредством упругопластического деформирования, включая создание регулируемого давления термического натяга, согласованного с операцией стабилизирующего отжига.

8. Разработаны положения, условия и средства обеспечения бездеформационной технологии выполнения аэродинамического профиля на полусферических опорах газового подшипника методом ионного травления с получением переменного профиля канавок, как в продольном, так и поперечном сечении.

9. Определены значимые параметры процесса ионного травления, основными из которых являются величина угла наклона оси вращения опоры, совпадающей с осью симметрии опоры, относительно направления ионного потока и ориентация относительно ионного потока плоскостей, в которых лежат аппроксимирующие окружности аэродинамических канавок.

10. Выявлены особенности управления конфигурацией канавок аэродинамического профиля посредством варьирования величин значимых параметров процесса ионного травления, связанные с тем, что изменение глубины канавки в продольном направлении определяется углом наклона оси вращения опоры к оси ионного потока, а геометрия переменного профиля канавок в поперечном сечении — ориентацией относительно ионного потока плоскостей, в которых лежат аппроксимирующие окружности канавок.

11. На основе разработанных технологических методов предложена система алгоритмов процесса формообразования деталей, обеспечивающая повышение точности и размерной стабильности прецизионного узла газодинамического подшипника поплавкового гироскопа. Алгоритмы представляют собой структурные элементы общей технологии изготовления узла газодинамического подшипника и скомпонованы из условия обеспечения их устойчивой взаимосвязи.

12. Разработаны рекомендации для корректировки технологических процессов изготовления реальных деталей и узлов, основанные на представленных в диссертации технических решениях.

13. Разработанные методы, приемы и средства технологии опробованы в производстве при изготовлении двухстепенных поплавковых гироскопов и определены перспективы использования этих методов и средств в отношении других типов гироскопических приборов.

14. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 3 — в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Ряд статей был опубликован при поддержке РФФИ в рамках работ по проекту № 10−08−158а.