Введение к работе
Актуальность появления новых методов обработки материалов Электрические, химико-механические, ультразвуковые и др.) вызвана, с эдной стороны, применением новых труднообрабатываемых обычными механическими методами или вовсе не поддающихся механической обработке материалов, а с другой - необходимостью повышение работоспособности, долговечности деталей машин и инструмента за счет занесения на их рабочие поверхности износостойких покрытий.
Среди методо» физического осаждения покрытий широкое распространение получил метод конденсации в вакууме покрытий кз їлашенной фазы с ионной бомбардировкой поверхностей.
Одной из основных проблем, возникающих при использовании четолон осаждения, является получение стабильных свойств покрытий по jcefi рабочей поверхности изделия, что обеспечивает его высокую работоспособность. Естественно, при этом процесс осаждения не должен пменить начальную геометрию и качество материала подложки изделия. Получение равиотолінинного покрытия - одно из главных требований при шверхносгном упрочнении режущего инструмента.
AiKLiiu многочисленных исследований влияния ряда технологических |>ак|орон, конструктивных особенностей и материала катода на інюсосіойкосгь покрытия показал, что имеются лини, отрывочные, не іееіда обоснованные данные об особенностях формирования толщины юкрьпия и меюдах управления ею за счет коррекции сгрук-лрл ілсм'ричеекою поля вокруг' іиде.тия в камере установки. Гипотезу о влиянии кіпряжениосін хіекірпчсскоіо поля вокруг изделия в камере усіанонкн на іачеспю иокрышя впервые высказал и исследовал Косгрюков А.В.
На наш взгляд, структура электрического поля в камере установки и рае і решающую ролі, в процессе формирования толщины и іикрогеомегрпи покрытия. При лом необходимо учишваїь как іквинотсіїциальньїс так н силовые линии электрического поля, так как (астицы материма покрытия двигаются по траекториям, близким к силовым ишия.м поля, и концентрируются около мест с повышенной іапряжсніїосгмо, увеличивая в них толщину покрытия.
Таким образом, одной из актуальных задач исследования процесса )саждения износостойких покрытий является прогнозирование и (бесиечепие стабильных характеристик покрытия, и сохранение сомстрнчеекпх параметров рабочих элементов изделий сложной еометрическон формы путем коррекции структуры электрического поля.
Учитывая сложность аналитических исследований электрического юля, с одной стороны, и четко выраженную геометрическую структуру :овокуппости взанмпоортогональных силовых и эквипотенциальных линий, : другой, в реферируемой работе привлечены методы геометрического іодслировашія.
Вышеизложенное определило цель работы: построение геометрической модели картины электрического поля в камере установки в виде ортогональных семейств силовых и эквипотенциальных линий как теоретической базы для прогнозирования и управления толщиной износостойких покрытий, осаждаемых электрофизическими методами.
Для достижения сформулированной цели исследования были поставлены и решены следующие основные задачи:
1) выполнить по литературным источникам анализ влияния
физических и технологических факторов на качество покрытия с целью
планирования эксперимента, подтверждающего возможность управления
толщиной покрытия изменением геометрической картины электрического
ноля за счет изменения положения изделия в камере и введения
корректирующих "масок";
-
разработать геометрический аппарат конструирования пучков алгебраических кривых с данными характеристиками с целью моделирования семейств силовых и эквипотенциальных линий;
-
разработать алгоритмы конструирования ортогональных пучков силовых и эквипотенциальных линий с учетом конструктивных особенностей камеры, формы и положения изделия в камере, а также положения корректирующих "масок".
Методика выполнения работы. Алгоритмы решения
сформулированных задач основаны на методах алгебраической, проективной, аналитической и начертательной геометрии, теории алгебраических кривых и нелинейных преобразований, теории и технологии электрофизического осаждения упрочняющих покрытий.
Математической обработкой экспериментальных данных и
сопоставлением их результатов с фактами из теории кривых и теории поля
строится теоретическая модель картины поля в камере установки. С учетом
конструкции камеры, геометрии изделия и его положения в камере, наличия
корректирующих "масок" строится реальная картина поля, позволяющая
прогнозировать плотность распределения силовых линий по поверхности
изделия следовательно, и толщину покрытия. Сопоставлением
прогнозируемого распределения толщины покрытия с контрольными экспериментальными исследованиями подтверждается корректность построенных моделей электрического поля.
Общей теоретической базой настоящего исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов по прикладной геометрии Волкова В.Я., Джапаридзе И.С, Иванова Г.С., Котова И.И., Лоран П.Ж., Обуховой B.C., Подгорного А.Л., Савелова А.А., Тузова Л.Д., Якунина В.И.,Фильчакова П.Ф., Пратта М., Фролова СА., Четверухина Н.Ф., Фокса А. и их учеников:
Андреева А.А., Андреева В.Н., Аникеева *А.И., Верещака А.С.,. Третьякова И.П., Волкова Ю.С., Касьянова СВ., Кострюкова А.В., Кудннова В.В., Полетика М.Ф., Старкова В.К., Табакова ВЛ., Ильичева ЛЛ. и их
учеников по вопросам теории и._ практики нанесения упрочняющих
покрытии.
Научную новизну выполненного исследования составляют следующие результаты:
1) способ уплотнения семейства эквипотенциальных линий по
экспериментально полученным эквипотенциалям и значениям потенциалов
на контурах изделия и камеры;
2) характеристики алгебраических кривых и их пучков, моделирующих
семейства силовых и эквипотенциальных линий поля,, полученные путем
сопоставления результатов экспериментальных исследований с известными
из теории кривых и теории поля соотношениями и фактами;
3) способ конструирования пучков алгебраических циркулярных кривых высших порядков с наперед заданными характеристиками;
4) способ конструирования ортогональной сети теоретических силовых и эквипотенциальных линий как образа сети софокусных гипербол и эллипсов в инверсии.
Практическая ценность выполненного исследования заключается в разр.шоїке маїематических моделей, алгоритмов и реализующих их программ построения карпшы электрического поля в камере установки с целью прогнозирования и управления толщиной осаждаемого слоя на поверхности изделия. R частности, изучены факторы, искажающие зеореінческую сечь силовых и эквипотеннпхтьных линий, связанные с іабариіамн камеры, конструкциями нагода и стабилизирующей ілскіромагпншоп катушки. Сформулированы рекомендации по выбору положения изделия и корректирующих "масок" с целью получения рашютолшинного покрытия.
Па защиту выносятся результаты, определяющие научную повишу и имеющие практическую ценность:
-способ уплотнения семейства эквипотенциальных линий по двум экспериментально полученным эквипотенциалям и значениям потенциалов па контурах изделия и камеры;
-характеристики циркулярных алгебраических кривых и их пучков, моделирующих семейства теоретических силовых и эквипотенциальных линии электрического поля в плоскости расслоения;
-способ конструирования ортогональной сети теоретических силовых и эквипотенциальных линий как образов сети софокусных гипербол и эллипсов в инверсии;
-математические модели, алгоритмы и реализующие их проіраммьі построения реальной картины электрического поля в камере установки;
-рекомендации по выбору положения изделия и корректирующих "масок" с целью получения равнотолщинных покрытий.
Реализация результатов исследования. Предложенный способ прогнозирования распределения толщины покрытия по поверхности изделия путем построения реальной картины в камере установки внедрен в ОП
Курского ГНИЙ "Электроагрегат" и в инструментальном цехе АО "Элеватормельмаш".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих семинарах и научно-технических
конференциях:
-
На аспирантских семинарах кафедры прикладной геометрии МАИ (1995-1997 гг.);
-
На научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Курского государственного технического университета;
3) На международной конференции "Современные проблемы
геометрического моделирования", Украина, Мелитополь, 1997 г.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 76 наименование и трех приложений. Она содержит 129 страниц машинописного текста, 37 рисунков и три таблицы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть работ, в коюрых достаточно полно отражены теоретические и прикладные результаты проведенных исследований.