Лазерный мир

Яковлева С. А., Щербак А. Г., Беляев С. Н. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2013, с: 85-90, УДК 621.79; 621.822.175

Представлены результаты исследования особенностей формообразования аэродинамического профиля газового подшипника с использованием лазерной обработки и ионного травления. Рассматривается разработанная технология создания аэродинамического профиля переменной глубины на полусферической детали.

В современных изделиях точного приборостроения в качестве опорных элементов широко применяются различные конструкции подшипникового узла на газовой смазке. Так, например, в поплавковом гироскопе для взвешивания главной оси ротора гироскопа используется газодинамический полусферический обращенный подшипник катушечного типа с нагнетанием смазки к полюсу.

К деталям газового подшипника поплавкового гироскопа предъявляются высокие требования по геометрической точности и ее сохранению в течение длительного периода эксплуатации. Допустимое отклонение от круглости рабочей сферической поверхности детали составляет 0,4 мкм. При этом точность гироскопа и стабильность его технических характеристик во многом зависят от параметров газовых подшипников: стабильности геометрии и качества рабочих поверхностей деталей подвеса, включая параметры аэродинамического профиля [2].

Важной операцией в технологии изготовления прецизионного газового подшипника является формообразование аэродинамического профиля на деталях подвеса. Основные параметры профиля, такие как форма, угол наклона, глубина и ширина микроканавок, непосредственно влияющие на несущую способность узла, зависят только от технологии формообразования.

В настоящее время формообразование аэродинамического профиля на деталях газового подшипника поплавкового гироскопа осуществляется методом механической обработки — притиркой с алмазной пастой (шлифовально-доводочный метод). Этот метод имеет недостатки, связанные с неравномерностью получаемой геометрии, низкой воспроизводимостью результатов, невысокой точностью и чистотой (Яа 0,16—0,75 мкм) выполнения канавок. Кроме того, шлифовально-доводочный метод формообразования вносит значительные напряжения при обработке, что обусловливает формирование явно выраженного неосесимметричного поля распределения остаточных напряжений, которые на последующей операции нанесения покрытия, сопровождаемой отжигом при 350 °С, вследствие процессов релаксации могут приводить к искажению формы детали. Из-за этого отклонение от круглости сферической поверхности деталей может выходить за допустимые пределы. Для сохранения точности прецизионных деталей газового подшипника на уровне 0,3—0,4 мкм в технологии их изготовления необходимо применять операции формообразования, обеспечивающие минимальные механические воздействия и осесимметричную эпюру внутренних напряжений детали.

В настоящей статье представлены результаты исследования и разработки прогрессивных технологических методов немеханического формообразования аэродинамического профиля газового подшипника, а именно электрофизических методов, использующих потоки высокоэнергетических частиц (так называемые „пучковые технологии»), — светолучевой (лазерной) обработки и ионно-вакуумной обработки.

При этом были решены следующие задачи:

— выявление особенностей технологий ионного распыления поверхности (травления) и лазерной обработки при формообразовании на плоскости заданного профиля;

— сравнительный анализ результатов формообразования и выбор более эффективного метода для обеспечения аэродинамического профиля;

— разработка технологии формообразования профиля на полусферической детали.

Рассмотрим особенности этих методов немеханического формообразования.

Лазерная обработка.

Принцип лазерной обработки заключается в воздействии сфокусированного луча лазера на поверхность обрабатываемого изделия. Результатом этого воздействия является изменение структуры материала, его расплавление, испарение поверхностных слоев материала. Преобладание того или иного эффекта воздействия зависит от вида материала, типа лазера и режимов обработки [3].

В ходе исследований для лазерной обработки применялся „Минимаркер 20 Вт» с диаметром лазерного пятна 50 мкм и длительностью импульса т=100 нс. Для формирования на плоскости заданного прямоугольного профиля с шероховатостью Яа 0,16 мкм (см. рис. 1, в) необходимы следующие этапы лазерной обработки:

— получение профиля заданной глубины;

— полировка поверхности для обеспечения заданной чистоты.

При этом целесообразно формировать глубину профиля при более щадящих режимах обработки в целях сокращения количества полировочных проходов, так как уменьшение толщины слоя материала, испаряемого под воздействием одного импульса, позволяет достичь меньшей шероховатости [3].

Экспериментально определен многопроходный режим наиболее щадящей обработки для формирования глубины (И) канавки: 5 проходов при мощности лазерного излучения Р=6 Вт, частоте следования импульсов ,/=90 кГц, длительности импульса т=100 нс, скорости сканирования у=900 мм/с, линеатуре 1=200 линий/мм (рис. 2, а). Для уменьшения шероховатости выполнялась дополнительная полировка: 5 проходов при Р=2 Вт и указанных выше параметрах и затем 5 проходов при Р= 2 Вт и т=4 нс (остальные параметры те же), что обеспечивает шероховатость Яа 0,33 мкм (рис. 2, б). Однако даже щадящие режимы лазерного воздействия, изменяющие только шероховатость поверхности, приводят к образованию наплывов на краях контуров канавки, которые связаны с процессами истечения и перераспределения жидкой фазы (рис. 2, в: 10 проходов при Р= 4 Вт, /=90 кГц, т=100 нс, у=900 мм/с, 1=200 линий/мм). После формирования профиля требуется дополнительная доводка поверхности для снятия наплывов по краям, поэтому в данном случае метод профилирования с использованием лазерной обработки не может быть финишной операцией.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сипенков И. Е., Филиппов А. Ю., Болдырев Ю. Я., Григорьев Б. С., Заблоцкий Н. Д., Лучин Г. А., Панич Т. В. Прецизионные газовые подшипники. СПб: ЦНИИ „Электроприбор», 2007.

2. Филиппов А. Ю. О влиянии величины смазочного зазора на качество гироскопов с неконтактным сферическим газодинамическим подшипником // Гироскопия и навигация. 1995. № 3 (10). С. 18—23.

3. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006.

4. Григоров А. И., Семенов А. П. Обработка газовых подшипников с применением ионного распыления. М.: Наука, 1976.

5. Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Ионное травление микроструктур. М.: Сов. радио, 1979.

Полное содержание статьи: http://pribor.ifmo.ru/file/article/6262.pdf