ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ

Михайлов А.Н., Михайлова Е.А., Михайлов В.А., Гришин Г.А.
Донецкий национальный технический университет

Электронная библиотека

      В настоящее время в машиностроении широко используются различные методы повышения эксплуатационных свойств изделий [1, 2, 3]. Однако особенно эффектив-ным для решения этих вопросов является применение вакуумных ионно-плазменных покрытий поверхностей изделий различного назначения, в том числе и специальных покрытий [4], обеспечивающих качественно новые свойства машин при эксплуатации. Вместе с тем, до сих пор процесс нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий остается сложной проблемой. Это связано с тем, что внутренние цилиндрические поверхности изделий обычно являются труднодоступными местами, особенно это проявляется в условиях глубоких отверстий из-за возможности появления теневых зон на поверхностях. Решению этого вопроса посвящен ряд работ [5, 6], в которых выполнены исследования особенностей нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий. При этом отметим, что, в настоящее время существует проблема, связанная с необходимостью повышения эффективности нанесения покрытий на внутренние ци-линдрические поверхности изделий.
      Целью данной работы является повышение производительности технологиче-ских систем для напыления вакуумных ионно-плазменных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий за счет обеспечения рациональной концентрации и структуры рабочих позиций установки. В соответствии с поставленной целью в рабо-те планируется решить следующие задачи: разработать структурно-логические выра-жения по определению основных параметров производительности в зависимости от структуры технологической системы, исследовать особенности структурных вариантов технологической системы и определить их влияние на параметры производительности, представить зависимости параметров производительности от особенностей процесса нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий.
      Можно отметить, что проблема повышения производительности выполняется особенно эффективно за счет широкого применения принципа концентрации рабочих позиций в технологической системе. Однако использование этого принципа должно базироваться на основных особенностях структуры рабочих позиций в вакуумной ка-мере и параллелизме реализации технологических воздействий на предметы обработки. В этом случае общее количество рабочих позиций определяется по следующей форму-ле:

где – количество рабочих позиций технологической системы;
       – количество позиций в подсистемах k–го класса установки;
      p – количество классов подсистем установки.
      На рис. 1 представлена зависимость количества рабочих позиций структуры планшайбы вакуумной камеры от количества классов подсистем для различных значе-ний количество позиций в подсистемах k–го класса установки при , определяемая в соответствии с формулой (1). Здесь можно отметить, что количество классов подсистем и количество позиций в подсистемах ус-тановки оказывает существенное влияние на общее количество рабочих позиций. По-этому на базе этих параметров, возможно, вести решение вопросов обеспечения задан-ной производительности технологической системы.
      Для обеспечения принципа параллелизма при нанесении покрытий на внутрен-ние цилиндрические поверхности изделий в вакуумной камере необходимо определен-ным образом расположить рабочие позиции и реализовать их необходимую кинематику движений [5, 6] в технологической системе. Эти вопросы решаются с помощью обеспе-чения параллельно действующей структуры рабочих позиций в вакуумной камере. Универсальная структурно логическая формула рабочих позиций в технологической системе для нанесения ионно-плазменных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий имеет следующий вид:

где – структура i-го варианта устройства поворота вакуумной ионно-плазменной установки;
– структурный элемент, расположенный на позициях подсистем устройства поворота изделий установки;
– количество позиций подсистем устройства поворота технологической системы.

Рисунок 1 - Зависимость количества рабочих позиций структуры планшайбы вакуумной камеры от количества клас-сов подсистем

– цикловая производительность вакуумной ионно-плазменной установки;
      to– основное время технологического воздействия при нанесении покрытия;
      tв – вспомогательное время.
      Основное время технологического воздействия при нанесении покрытия опреде-ляется на основании следующего выражения:

где to1 – время очистки в тлеющем разряде (в ряде случаев эта операция не выполняет-ся);
    to2 – время ионной бомбардировки и термоактивации поверхности изделия;
    to3 – время конденсации (осаждения) покрытия на поверхность изделия;
    to4 – время охлаждения изделия.
      Вспомогательное время определяется на основании следующей формулы:

где– -й элемент вспомогательного времени;
     Е – общее количество элементов вспомогательного времени.
      Следует отметить, что для реализации принципа концентрации, обеспечения за-данной структуры рабочих позиций и выполнения процесса напыления, вакуумных ионно-плазменных покрытий необходимо реализовать необходимую кинематику дви-жения рабочих позиций, подсистем и всего поворотного устройства. Выполнение этих движений необходимо для осуществления равномерности нанесения покрытий на по-верхности для всех изделий в процессе и исключения влияния эффекта «теневая зона», так как в вакуумной камере располагается большое количество изделий. А так же это потребно для выполнения стабильности других параметров технологического процесса. Можно отметить, что вопросы, связанные с конструкцией поворотных устройств и ки-нематикой движения рабочих позиций подсистем и всего устройства рассмотрены в работах [5, 6], поэтому в этой работе не будем рассматривать эти вопросы.

Рисунок 2 – Зависимость цикловой производительности от времени полного цикла нанесения покры-тия на внутренние цилиндриче-ские поверхности изделий

                                                      Используя универсальную структурно-логическую формулу (3) цикловой произ-водительности вакуумной ионно-плазменной установки для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий на рис. 2 представлена зависимость цикловой производительности от времени полного кинематического цикла нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий для следующих структурных вариантов поворотного устройства технологической системы:

      Можно отметить, что состав структуры рабочих позиций оказывает существенное влия-ние на цикловую производительность технологической системы. Она находится в функциональной зависимости от числа классов подсистем и от количества позиций в каждой подсистеме. Однако следует заметить, что при формировании структуры элементов и подсистем поворотного устройства следует учитывать компактность рабочих позиций в технологической зоне. От этого критерия зависит общая производительность всей технологической системы. Поэтому процесс проектирования поворотного устройства следует вести с учетом компактности на базе принципов пространственной ориентации и функциональной ориентации рабочих позиций в вакуумной камере.
      Заметим, что на цикловую производительность оказывает существенное влияние длительность полного технологического цикла нанесения покрытий на внутренние ци-линдрические поверхности изделий. К примеру, для установок типа Булат (Булат – 3, Булат – 6, ННВ 6.6-И1), длительность полного технологического цикла может дости-гать от одного до трех часов. Общая длительность полного технологического цикла зависит от двух составляющих, а именно основного и вспомогательного времени техно-логического воздействия. Эти параметры определяются в соответствии с составляю-щими формул (4) и (5), и на практике могут иметь различные параметры. Это зависит от особенностей оборудования, параметров его эксплуатации и обслуживания, а также выполнения вакуумной гигиены.
      На рис. 3 представлена зависимость цикловой производительности установки от параметров длительности полного технологического цикла нанесения покрытий. Здесь, на рис. 3,а показана зависимость цикловой производительности от основного времени технологического воздействия для структурного варианта, представленного вариантом структуры 4, для различных значений вспомогательного времени. На рис. 3,б показана зависимость цикловой производительности от вспомогательного времени технологиче-ского воздействия для структурного варианта, представленного вариантом структуры 3, для различных значений основного времени.

Рисунок 3 – Зависимость цикловой производительности установки от параметров длительности полного технологического цикла нанесения покрытий: а – основ-ного времени технологического воздействия, б – вспомогательного времени

                  Для определения влияния скорости напыления покрытия на внутреннюю цилин-дрическую поверхность изделия на цикловую производительность установки проведе-ны исследования. Эти исследования выполнялись при следующих параметрах процесса:.
      В заключении можно отметить, что выполненные исследования позволили разработать структурно-логические выражения по определению основных параметров производительности в зависимости от структуры технологической системы. А это дает возможность выявлять наиболее рациональные структурные варианты компоновки ра-бочих позиций в вакуумной камере технологической системы. А также в данной работе исследованы особенности структурных вариантов технологической системы и опреде-лено их влияние на параметры производительности. При этом полученные зависимости параметров производительности от особенностей процесса нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности изделий позволяют производить направлен-ный поиск структуры технологической системы для определенных конкретных практи-ческих условий нанесения покрытий на различные изделия машиностроения. В целом выполненные исследования дают возможность проектировать оснастку технологиче-ских систем в зависимости от необходимых параметров производительности вакуум-ных ионно-плазменных установок.

      Литература

1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др. – М.: Машиностроение. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. Т. III – 8 / Ю.В. Панфилов, Л.К. Ковалев, В.А. Блохин и др.; Под общ. ред. Ю.В. Панфилова. 2000. - 744 с.
2. Нанесение износостойких по-крытий на быстрорежущий инструмент / Ю.Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В. Лаврова, Н.Ю. Бердышев. – К.: Тэхника, 1992. – 143 с.
3. Михайлов А.Н., Михайлов В.А., Ми-хайлова Е.А. Основы формообразования и повышения производительности при напы-лении вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. Вип. 29. С. 132-147.
4. Михайлов В.А., Михайлова Е.А. Спе-циальные ионно-плазменные вакуумные покрытия изделий машиностроения // Инже-нер. Студенческий научно-технический журнал. – Донецк: ДонНТУ, 2004. №5. С. 12 – 16.
5. Михайлова Е.А., Михайлов В.А. К вопросу нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на внутренние поверхности изделий машиностроения // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. Вип. 30. С. 157-164.
6. Михайлова Е.А. Некоторые особен-ности напыления вакуумных ионно-плазменных покрытий на внутренние цилиндриче-ские поверхности изделий машиностроения // Прогресивні технології і системи маши-нобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. Вип. 31. С. 124-132.