СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2013 года по МПК G01C25/00 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении роторов электростатических гироскопов.

Сферический ротор, изготавливаемый, как правило, из бериллия, является основным узлом чувствительного элемента электростатического гироскопа (ЭСГ). Точность и уровень выполнения ротора во многом определяют эксплуатационные характеристики гироскопа. Особенностью технологического процесса изготовления ротора ЭСГ является необходимость обеспечения требований по точности сферы (номинальный диаметр и некруглость) до десятых долей микрометра (мкм), по величине дисбаланса - до сотых долей микрометра (мкм). Кроме того, на окончательно обработанной наружной сферической поверхности ротора осуществляется формирование функциональных элементов в виде тонкопленочного износостойкого покрытия для улучшения условий посадок ротора (в том числе и аварийных) и светоконтрастного растрового рисунка для съема сигнала с ротора посредством оптоэлектронной системы гироскопа.

Известен способ изготовления ротора электростатического гироскопа [патент РФ №2140623, опубл. 27.10.1999., МКИ G01C 25/00, G02B 27/18], при котором на сферическую поверхность ротора последовательно наносят сплошное металлическое покрытие (например, конденсацией с ионной бомбардировкой или магнетронным распылением плазмы), фоторезистивный слой, используя, например, центрифугу, аэрограф или метод принудительного ламинирования, и формируют световое изображение с плоского фотошаблона с помощью волоконно-оптического преобразователя, который состоит из регулярно уложенных оптических волокон, торцы которых образуют с одной стороны плоскую, а с другой - сферическую поверхности. Плоская поверхность примыкает к фотошаблону, а сферическая - к сферической поверхности засвечиваемой детали. После экспозиции и последующего проявления обнажившиеся в соответствии с рисунком участки металла стравливают и остатки фоторезистивного слоя удаляют.

Недостатками в данном случае являются:

1. Недостаточно высокая точность растрового рисунка, поскольку метод требует создания сложной оптической системы, необходимой для проекции плоского шаблона на сферическую поверхность.

2. Невысокая технологичность способа, поскольку он включает достаточно большое число сложных операций, что снижает воспроизводимость результатов.

3. Наличие износостойкого покрытия нитрида титана только на отдельных участках ротора, что вносит элементы неопределенности в условия его посадки.

4. Большие сложности использования метода при переносе изображения плоского шаблона на сферическую поверхность, особенно когда речь идет о роторе малого диаметра - порядка 10 мм, что весьма существенно, имея в виду, перспективы использования электростатических гироскопов в аэрокосмической технике, а также тенденции миниатюризации этих приборов.

Известен способ изготовления ротора ЭСГ [см. Б.Н. Агроскин, В.И. Галай и др. Сравнительная оценка электрохимического и фотохимического методов формообразования светоконтрастного рисунка на роторе бескарданного электростатического гироскопа. Гироскопия и навигация. №3 (14), 1996, с.39-45].

Разработанный электрохимический метод (ЭХМ) нанесения рисунка на бериллиевый ротор осуществляется в два этапа: образование полудисковых меток на полюсах ротора и нанесение растра в экваториальной зоне. Для получения контрастного рисунка на роторе, покрытом нитридом титана, приходилось увеличивать длительность ЭХМ за счет увеличения количества проходов, т.е. многократного повторения одного и того же отпечатка, с полным удалением продуктов ЭХМ с поверхности ротора и электрода после каждого прохода.

К недостаткам данного способа-аналога изготовления ротора ЭСГ можно отнести следующие, связанные в основном с технологией нанесения оптических элементов.

1. Точность нанесения растров зависит от точности изготовления приспособления и электродов.

2. Степень оптического контраста зависит от толщины соединения, полученного в ходе электрохимической реакции, которая является нестабильной.

3. Электрохимическая технология нанесения имеет плохую управляемость, вызывающую разброс оптических показателей роторов, изготовленных по единой технологии в пределах от 0,5 до 0,85 - для коэффициента контрастности и от 8% до 16% - для показателя равномерности.

4. Статистика показывает, что электрохимия в ряде случаев приводит к изменению геометрии ротора после операции по нанесению рисунка, что, в свою очередь, приводит к нежелательному изменению дисбаланса ротора (в среднем на 0,03 мкм).

5. Данную технологию трудно модифицировать, например, при необходимости изменения формы растров на роторе, существенно влияющих на точностные характеристики гироскопа.

6. Использование технологии электрохимического травления в отношении нитрида титана связано с проблемами, определяемыми нестабильностью процесса регулируемого травления нитрида, что затрудняет получение рисунка требуемого качества.

По наибольшему числу общих существующих признаков в качестве прототипа принят способ изготовления ротора электростатического гироскопа [Юльметова О.С. Разработка технологических методов управления функциональными характеристиками узлов гироприборов: Автореф. дис. канд. техн. наук. - СПб., 2011. - 24 с.], содержащий формообразование бериллиевой сферической заготовки, сферодоводку и балансировку ротора, нанесение на сферическую поверхность ротора тонкопленочного покрытия нитрида титана методом магнетронного напыления, создание растрового рисунка посредством лазерного маркирования, которое позволяет формировать светоконтрастный растровый рисунок практически на любом материале с возможностью варьирования в широких пределах и с высокой точностью параметрами процесса (мощность лазерного излучения, скорость движения лазерного луча, частота следования импульсов и т.д.), обеспечивая требуемое качество растра в части контрастности.

Заданная контрастность К определяется выражением

где R_b и R_r - коэффициенты отражения базовой, покрытой нитридом титана, и растровой поверхности ротора соответственно.

При обработке лазерным лучом формирование рисунка осуществляется за счет образования оксидной пленки (в воздушной среде), причем этот процесс может оцениваться термодинамическими расчетами. При этом режимы лазерной обработки выбирают из условия получения растрового рисунка толщиной, меньшей, чем толщина покрытия, что обеспечивает возвратный характер технологического процесса, т.к. позволяет стравливать и повторно наносить износостойкое покрытие и формировать растровый рисунок при каких-либо отклонениях в параметрах готового ротора. Это особенно важно, поскольку наиболее трудоемкими и длительными операциями изготовления ротора являются балансировка и сферодоводка с получением окончательно обработанной сферы с точностью до десятых и сотых долей микрометра.

Вместе с тем, данный способ имеет следующие недостатки.

1. Невысокую технологичность, обусловленную тем, что обеспечение условия получения толщины растрового рисунка меньшей, чем толщина покрытия нитрида титана (величины составляют 0,6-1,5 мкм), необходимо уменьшать интенсивность воздействия лазерного луча на поверхность покрытия, снижая, в первую очередь, его мощность. А снижение мощности резко повышает коэффициент отражения растровой поверхности ротора R_r, что, при прочих равных, приводит к уменьшению контрастности K, определяемой выражением (1). А это крайне нежелательно, поскольку контрастность K растрового рисунка является функциональным параметром ротора, непосредственно определяющим эксплуатационные характеристики гироскопа.

2. Сложности получения требуемых величин контрастности и равномерности растрового рисунка растра за счет увеличения толщины покрытия нитрида титана и, как следствие, растра, поскольку толщина покрытия более 2 мкм негативно сказывается на таких важных характеристиках ротора, как дисбаланс и геометрия.

3. Низкая эффективность процесса варьирования всем комплексом параметров процесса лазерного маркирования (мощность излучения лазера, скорость перемещения сканатора, плотность линий, частота следования импульсов) при толщине растра, не превышающей толщину покрытия нитрида титана. В принципе каждый из совокупности указанных параметров в различной степени влияет на коэффициент отражения и толщину растра. Однако сложные комбинации всех параметров трудно обеспечивать с необходимой точностью, что определяет низкий уровень практической реализации.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей процесса изготовления ротора электростатического гироскопа.

Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что процесс нанесения покрытия осуществляют в условиях, обеспечивающих образование нитрида титана формулы TiN_x, где x=(0,6-0,9), при этом покрытия указанного состава формируют посредством регулирования величины давления азота при магнетронном напылении в пределах 0,45-0,75 от давления, соответствующего получению стехиометрического состава покрытия.

Способ заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих технологических операций.

1. Средствами механической обработки (точение, шлифовка) производят формообразование заготовки ротора из бериллиевой заготовки с выполнением в ней элементов, обеспечивающих создание преобладающего момента инерции. В случае полого тонкостенного ротора, получаемого сваркой по экваториальным плоскостям разъема двух полусфер, это обеспечивается выполнением переменной толщины стенки ротора, которая монотонно уменьшается от экваториальной зоны к полюсам ротора [патент РФ №2164665, МКИ G01C 25/00, Бюл. №9, опубл. 27.03.2001], а для сплошного ротора [патент РФ №2286535, МКИ G01C 25/00, В23Р 15/00, Бюлл. №30, опубл. 27.10.2006] - формированием в теле ротора армирующего элемента, используя, например, способ диффузионной сварки.

2. Далее осуществляют финишную обработку ротора посредством последовательных циклических операций направленной доводки, сферодоводки и балансировки со съемом материала с наружной поверхности ротора. Окончательно изготовленный ротор с требуемой величиной дисбаланса ограничен сферической поверхностью диаметра D с допуском, определяемым требованиями чертежа.

3. На наружную сферическую поверхность обработанного ротора методом магнетронного напыления наносят износостойкое покрытие нитрида титана TiN. Толщина покрытия Н определяется, с одной стороны, тем, что оно должно обладать антифрикционными свойствами, и, с другой стороны - исключать влияние покрытия на точность формы и дисбаланс ротора (на это влияет неравномерность толщины покрытия). Этим условиям отвечает покрытие нитрида титана толщиной 0,6-1,2 мкм. Параметрами процесса магнетронного напыления, помимо характеристик магнетронной системы (напряжение на электродах, ток разряда, удельная мощность), являются вакуум в камере, давление рабочего газа (обычно аргон Ar) и давление Р реактивного газа (азот N₂), который участвует в образовании осаждаемого на ротор нитрида титана при реакции испаряемого с мишени титана с этим газом. Установлено, что существует зависимость между давлением реактивного газа и цветом покрытия TiN, что объясняется изменением стехиометрического состава нитрида титана.

Для стандартных условий и режимов магнетронного напыления цвет покрытия образцов изменяется от светло-золотисто-желтого (Р=0,035 Па) до темно-золотисто-желтого (Р=1,04 Па [Матлахов В.П. Зависимость физико-механических свойств нитрид-титановых покрытий от давления азота. // Брянск, Вестник БГТУ, 2006, №2. - с.93-96]. При давлении азота Р=(0,058-0,81) Па формируется мелкая плотная текстура, близкая к стехиометрическому составу TiN. Можно сказать, что для давлений азота Р, меньших чем 0,05 8Па, образуется нитрид титана формулы TiN_x, где коэффициент x меньше единицы. Возможные значения коэффициента x лежат в диапазоне от 0,58 до 1,00.

В технологии изготовления ротора ЭСГ с использованием формирования растрового рисунка методом лазерного маркирования весьма важным фактором является обеспечение требуемой контрастности К, определяемой из выражения (1). Очевидно, что в процессе лазерного маркирования значение R_r, обусловливаемое мощностью излучения лазера и скоростью перемещения лазера, может увеличиваться, т.к. толщина растра должна быть меньше толщины покрытия нитрида титана Н, что обеспечивается, в первую очередь, снижением мощности лазерного пучка. Отсюда для сохранения параметра контрастности К в требуемом диапазоне значений (0,55-0,75), следует необходимость корректировки величины R_b, что наиболее эффективно осуществлять посредством варьирования стехиометрическим составом нитрида титана, приближая его цвет к светло-золотисто-желтому. Как указано выше, это обеспечивается давлением Р азота в камере в процессе магнетронного напыления порядка 0,035 Па.

Очевидно, что, учитывая возможные конструктивные различия в установках магнетронного напыления различных типов, целесообразно давление азота в камере для формирования покрытия светло-золотисто-желтого цвета (с меньшим содержанием азота) задавать в отношении давления, при котором обеспечивается получение нитрида титана стехиометрического состава TiN. Практически такой более светлый цвет нитрида титана обеспечивается при давлении азота, составляющем (0,45-0,75) от давления Р, соответствующего получению стехиометрического состава покрытия. А более светлый оттенок очевидным образом увеличивает значение коэффициента отражения R_b, базовой поверхности ротора. Таким образом, на этапе нанесения износостойкого покрытия нитрида титана учитывается увеличение коэффициента отражения R_r растровой поверхности и обеспечивается возможность сохранения контрастности K, определяемой формулой (1), в требуемом диапазоне значений.

Другой, альтернативный вариант получения покрытия нитрида титана с относительно меньшим содержанием азота в принципе может быть реализован путем увеличения скорости испарения титана в процессе магнетронного напыления. Однако подобная схема является неприемлемой, поскольку увеличение скорости испарения титана обусловливает более быстрый рост покрытия, что сопровождается ухудшением структуры покрытия и появлением капельной фазы. Поэтому в качестве отличительных признаков определены как стехиометрический состав покрытия нитрида титана, так и технология получения этого состава.

4. Далее ротор с нанесенным покрытием нитрида титана устанавливается в приводе лазерной установки, имеющем возможность ориентировать ротор в требуемых позициях, и на его наружной сферической поверхности методом лазерного маркирования формируется растровый рисунок заданной конфигурации. Нанесение растра осуществляется по поверхности нитрида титана, при этом режим лазерной обработки выбирают из условия получения толщины растра меньшей, чем толщина Н покрытия нитрида титана. Варьируемыми факторами в данном случае являются технологические режимы процесса создания рисунка методом лазерного маркирования. Очевидно, что с уменьшением толщины растрового рисунка за счет меньшей интенсивности процесса лазерной обработки увеличивается коэффициент отражения R_r растровой поверхности, за счет того, что рисунок становится более светлым. Однако, поскольку на этапе нанесения покрытия нитрида титана предусмотрено увеличение коэффициента отражения R_b, базовой поверхности ротора, значение контрастности К остается в заданных пределах.

5. Далее следуют контрольные операции, связанные с паспортизацией основных параметров ротора - геометрия, дисбаланс, контрастность и равномерность растрового рисунка. При несоответствии каких-либо параметров техническим требованиям осуществляется стравливание покрытия нитрида титана в химических реактивах, инертных к основному материалу ротора - бериллию. Таким образом, восстанавливается исходная заготовка ротора ЭСГ, поскольку толщина растрового рисунка меньше, чем толщина покрытия TiN, на поверхность ротора повторно наносится покрытие нитрида титана, на котором опять выполняется операция формирования растрового рисунка. Очевидно, что в процессе повторных операций могут уточняться как условия напыления нитрида титана (в части парциального давления азота), так и режимы лазерного маркирования.

Данный способ гарантированно обеспечивает возвратный характер технологии и дает возможность повторного выполнения наиболее критичных и важных операций при изготовлении таких трудоемких конструкций, как ротор ЭСГ. В принципе количество циклов возврата может быть три и более, что заведомо превышает цифры потенциально возможного технического отхода роторов на этих операциях.

Предлагаемая технология позволяет по сравнению со способом-прототипом существенно расширить технологические возможности процесса изготовления ротора и улучшить экономические показатели, что обусловлено следующими факторами.

1. Процесс обеспечения основных параметров ротора - контрастности и равномерности растрового рисунка производится при выполнении двух взаимообусловленных операций, связанных с формированием износостойкого покрытия нитрида титана и лазерным маркированием этого покрытия, которые обеспечивают получение требуемых значений коэффициентов отражения R_b и R_r базовой, покрытой нитридом титана, и растровой поверхности соответственно. Регулирование величин этих коэффициентов осуществляется принципиально различными средствами:

- коэффициента отражения R_b базовой поверхности - формированием покрытия нитрида титана формулы TiN_x, где x=(0,6-0,9) за счет варьирования парциального давления азота в процессе магнетронного напыления TiN в пределах 0,45-0,75 от давления, соответствующего получению стехиометрического состава покрытия.

- коэффициента отражения Rr растровой поверхности - изменением режимов лазерной обработки при формировании растрового рисунка.

В целом, это существенно расширяет технологические возможности способа.

2. Предлагаемая технология снижает требования к точности управления параметрами процесса лазерного маркирования, поскольку требуемая контрастность растра обеспечивается на двух этапах технологии изготовления ротора, а при нанесении покрытия нитрида титана необходимо варьирование только одним параметром - парциальным давлением азота.

3. Преимуществом предлагаемой технологии также является то, что поскольку появляются возможности уменьшения толщины растрового рисунка, улучшается динамика ротора в подвесе, поскольку уменьшается негативное влияние растра, связанное с его свойствами, отличными от свойств основы. Кромке того, учитывая особенности электростатического подвеса, положительным моментом можно считать и то, что с уменьшением содержания азота в нитриде титана (формируемого в условиях пониженного парциального давления азота при напылении) возрастает его электропроводность.

Таким образом, поставленная цель достигнута.

Достижение поставленной цели обеспечивается единством существенных признаков способа, выполнением условия необходимости и достаточности признаков и их устойчивой взаимосвязью.

Предлагаемый способ был опробован при изготовлении опытной партии бериллиевых роторов электростатических гироскопов с получением положительных результатов.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования способа в серийном изготовлении этих приборов.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в расширении технологических возможностей процесса изготовления и повышения точности роторов электростатических гироскопов, в повышении эффективности навигационных систем и комплексов, где эти гироскопы используются.

Экономический эффект возможно определить после получения статистически обоснованных исходных и сравнительных данных.

Изобретение предназначено для использования при изготовлении чувствительных элементов электростатических гироскопов. На сферическую поверхность ротора гироскопа после финишной балансировки и сферодоводки наносят износостойкое тонкопленочное покрытие нитрида титана методом магнетронного напыления и затем формируют на этом покрытии растровый рисунок посредством лазерного маркирования. При этом режимы лазерной обработки выбирают из условия получения растрового рисунка толщиной, меньшей, чем толщина покрытия, что обеспечивает возвратный характер технологического процесса, так как позволяет удалять методом, например, стравливания и повторно наносить износостойкое покрытие и формировать растровый рисунок при каких-либо отклонениях в параметрах готового ротора.

Способ изготовления ротора электростатического гироскопа, включающий формообразование, сферодоводку и балансировку ротора, нанесение на поверхность ротора износостойкого покрытия нитрида титана с использованием метода магнетронного напыления, формирование на наружной сферической поверхности методом лазерного маркирования растрового рисунка толщиной, меньшей, чем толщина покрытия, и заданной контрастности К, определяемой выражением , где R_b и R_r - коэффициенты отражения базовой, покрытой нитридом титана, и растровой поверхности ротора соответственно, отличающийся тем, что процесс нанесения покрытия осуществляют в условиях, обеспечивающих образование нитрида титана формулы TiN_x, где х=(0,6-0,9), при этом покрытие указанного состава формируют посредством регулирования величины давления азота при магнетронном напылении в пределах 0,45-0,75 от давления, соответствующего получению стехиометрического состава покрытия.