Основы технологии приборостроения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения Кафедра конструирования и технологии электронных и лазерных средств ПАШКОВ В.П. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Санкт-Петербург 2017 1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 1.1. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ, КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗДЕЛИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Методологической основой рассмотрения указанных факторов является системный подход, то есть рассмотрение всей совокупности взаимосвязей, которые возникают при проектировании, изготовлении и эксплуатации изделий. Условия эксплуатации накладывают значительное число ограничений и требований на аэрокосмическую аппаратуру: - возможность больших перепадов давления; - возможность значительных перепадов температуры; - наличие больших ускорений, перегрузок, толчков и вибраций; - электромагнитные воздействия; - радиационные воздействия; - оптические воздействия; - биологические воздействия. Конструкторские решения также имеют ряд особенностей: - минимальные габариты и масса изделий; - высокая точность изготовления деталей и узлов; - большое разнообразие применяемых материалов; - большой удельный вес радиоэлектронной аппаратуры; - необходимость обеспечения теплового режима в экстремальных условиях эксплуатации; - необходимость обеспечения высокой помехозащищенности; - необходимость обеспечения высокой надежности изделий; - зависимость конструкции и компоновки аппаратуры от конкретного места установки изделия на борту летательного аппарата; - необходимость учета анатомических и психофизиологических особенностей человека-оператора. Технологические особенности подразделяются на: - необходимость изготовления деталей и сборочных единиц сверхминиатюрных размеров; - обеспечение высокой точности изготовления деталей, причем как линейной, так и геометрической (конусность, некруглость, бочкообразность, перекосы, непараллельность, биения и др.); - повышенные требования к качеству поверхности; - большая номенклатура применяемых материалов (металлы, сплавы, композиты, пластмассы, клеи, компаунды и др.); - применение современных технологий (лазерная, плазменная, электроэрозионная, электроимпульсная, поверхностный монтаж, безсвинцовая пайка и др.); - широкое применение групповых технологических процессов; - большая трудоемкость сборочных, монтажных, регулировочных и контрольных операций; - сложность механизации и автоматизации технологических процессов из-за малого объема выпуска, частых модернизаций и большой номенклатуры изделий. Разделив, в какой то степени условно, конструкторские и технологические требования необходимо сказать о неразрывности, взаимосвязи этих требований. Процесс конструирования самым непосредственным образом связан с задачами технологического проектирования. Содержание конструирования сводится к поиску оптимального варианта, учитывающего требования технического задания, преемственность конструктивных решений, усовершенствование предыдущих разработок. Оптимальное решение должно быть найдено с учетом противоречивых требований: схемотехнических, точностных, надежностных, по габаритам, массе, технологичности, максимальной защите от внешних воздействий, стоимости, совместимости с человеком и др. Учесть все эти многообразные и зачастую противоречивые требования и позволяет системный подход, когда рассматриваются все взаимосвязи, выбираются критерии и ограничения. Игнорирование системного подхода, как правило, приводит к неоптимальному варианту. Так стремление реализовать в полной мере только эксплуатационные требования, приводит к конструкции специального назначения, что, естественно, дороже по сравнению с универсальной конструкцией. В свою очередь, технологические требования диктуют необходимость разработки универсальной конструкции, которая строится на типовых конструкторских решениях, и, следовательно, реализуется типовыми технологическими процессами. Обладая определенной конструктивной и эксплуатационной избыточностью, такая аппаратура имеет преимущества при технологической подготовке производства и изготовлении. 1.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА Технологическая подготовка производства (ТПП) включает решение следующих основных задач: - разработку технологических процессов; - обеспечение технологичности конструкции изделия; - выбор, проектирование и изготовление средств технологического оснащения (нестандартное оборудование, станочные приспособления, штампы, пресс-формы, специальный инструмент, стенды для контроля и испытаний и др.); - организация и управление процессом ТПП. Производственный процесс – совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном предприятии для изготовления выпускаемых изделий или эксплуатации их. Производственный процесс включает в себя не только основные процессы, непосредственно связанные с изготовлением деталей и сборкой, но и все необходимые вспомогательные процессы, например, подготовку производства, транспортирование, контроль и хранение материалов и полуфабрикатов, ремонт оборудования, изготовление технологической оснастки и др. Технологический процесс (ТП) – часть производственного процесса, содержащая действия по изменению и последующему определению состояния предмета производства. Различают основные этапы технологического процесса: изготовление деталей, сборку, контроль, регулировку, испытания, техническое обслуживание. Технологическая операция – законченная часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте одним рабочим (или группой рабочих) над определенной деталью или сборочной единицей (СЕ) (или совокупностью нескольких деталей, сборочных единиц) или изделием в целом. Технологические операции, в свою очередь, делятся на переходы, проходы, установы и др. Отличительной чертой технологической операции является ее непрерывность. 1.3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Для аэрокосмического приборостроения наиболее характерны мелкосерийный и единичный характер производства. Одной из основных характеристик типа производства является коэффициент закрепления операций О КЗО = ----, Р где О – количество всех различных технологических операций, выполняемых в плановый период, равный одному месяцу, для одного изделия; Р – число рабочих мест. Единичное производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление которых, как правило, не предусматривается. Для единичного производства КЗО не регламентируется. Для единичного производства характерна большая и разнообразная номенклатура выпускаемых изделий, универсальное оборудование и оснастка, большая длительность изготовления и высокая себестоимость, высокая квалификация рабочей силы, сложность механизации и автоматизации производственных процессов. Серийное производство обеспечивает изготовление изделий периодически повторяющимися партиями. Серийное производство делится на крупносерийное 1 < Кзо < 10, среднесерийное 10 < Кзо < 20, крупносерийное 20 < Кзо < 40. Для серийного производства характерна значительная, но вполне определенная номенклатура выпускаемых изделий, применение как универсального, так и специализированного оборудования и оснастки, средняя длительность изготовления и себестоимость продукции, средняя квалификация рабочей силы, широкое применение автоматизированных производственных процессов. Массовое производство характеризуется большим объемом выпускаемых изделий, непрерывно изготовляемых длительное время, в течении которого на большинстве рабочих мест выполняется одна операция. Кзо приближается к 1. Номенклатура изделий резко ограничена, оборудование и оснастка – специальные, длительность изготовления и себестоимость минимальные, квалификация рабочей силы низкая, автоматизация производственных процессов наивысшая. 1.4. ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Технологические процессы делятся на два вида: единичные (для одного изделия), типовые (для группы различных изделий). Единичный ТП на каждую деталь (СЕ) разрабатывается таким образом, как будто эта работа выполняется впервые. Нет обобщения опыта, нет гарантии в правильности технологических решений. Работа по типизации ТП делится на два этапа: - классификация объектов производства; - проектирование ТП для каждой классифицированной группы. Классификация деталей с целью типизации ТП начинается с выделения наиболее крупных классификационных единиц – классов. В один класс попадают детали, имеющие сходные конструкторско-технологические характеристики. В классификаторе выделено два основных класса: тела вращения и корпусные детали. Разбивая детали внутри класса на группы и подгруппы, получают все большее сближение технологических процессов. Разбивку проводят до типа, объединяющего совокупность деталей одинаковой конфигурации, но с различными размерами, которые имеют одинаковый маршрут изготовления, осуществляемый на однородном оборудовании с применением однотипной оснастки. Работа по классификации деталей обязательно должна сочетаться с унификацией и нормализацией их конструкции. Это дает возможность укрупнить серии деталей, применять при изготовлении более прогрессивную технологию, а также сократить номенклатуру оснастки и измерительных средств. Типизация ТП не ограничивается только областью обработки деталей. Ее принципы используются и при проектировании ТП сборки, регулировки, контроля и испытаний. Она способствует уменьшению неоправданного разнообразия ТП и оснастки, внедрению новых прогрессивных методов обработки, сокращению сроков и удешевлению ТПП, более широкому применению средств автоматизации. 1.5. ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Проектирование ТП представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ: - выбор заготовок; - выбор технологических баз; - подбор типового ТП; - определение последовательности и содержания операций; - определение, выбор и заказ новых средств технологического оснащения (в том числе средств контроля и испытаний); - назначение и расчет режимов обработки; - нормирование ТП; - определение профессий и квалификации исполнителей; - оформление рабочей документации на ТП. При разработке ТП используются следующие виды технико-экономической документации; - технологический классификатор объектов производства; - классификатор технологических операций; - система обозначения технологических документов; - типовые технологические процессы и операции; - стандарты и каталоги средств технологического оснащения; - справочники по нормативам технологических режимов; - справочники по материальным и трудовым нормативам. 1.6. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Сущность ТП изготовления детали заключается в последовательном приближении сырья (заготовки) к качественным показателям изготавливаемой детали, требуемым чертежам и ТУ. В общем случае путь от материала до детали можно разделить на 4 этапа. 1. Получение заготовки (первоначальное формообразование). 2. Черновая обработка. 3. Чистовая обработка. 4. Отделка (получение нужных качеств поверхностного слоя детали). 1.7. ВЫБОР ЗАГОТОВКИ. Большое влияние на маршрут изготовления детали оказывает способ получения заготовки. При этом возможны два принципиально разных подхода: - получение заготовки, наиболее приближающейся по форме и размерам к готовой детали. При этом на заготовительные операции приходится большая часть трудоемкости ТП, а на механообработку меньшая. Это характерно для массового и крупносерийного производства и обеспечивается применением прогрессивных методов формообразования: литье, горячая и холодная штамповки, специальные виды обработки давлением и др. - получение грубой заготовки с большими припусками. При этом на механообработку приходится большая часть трудоемкости изготовления детали. Это характерно для единичного и мелкосерийного производства. Наличие различных подходов требует выбора оптимального способа получения заготовки. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК. 1. 7.1. Сортовые материалы. К ним относятся: прутки круглого, квадратного и шестигранного сечения; трубы; плоский прокат – листы, ленты, полосы; некоторые из этих видов заготовок могут применяться и для неметаллических материалов (винипласт, текстолит, стеклотекстолит и др.). Заготовки из сортового материала следует изготавливать в тех случаях, когда профиль материала близко подходит к профилю детали. 1.7.2. Холодная штамповка. Делится на листовую и объемную. Листовая штамповка используется для формообразования, калибрования и пробивки отверстий с помощью штампов. Объемная холодная штамповка в основном служит для формообразования деталей. Холодная штамповка – один из самых распространенных методов изготовления деталей без снятия стружки. Холодная штамповка относится к ТП обработки давлением, применяемым для получения деталей из материалов, обладающих достаточно высокими пластическими свойствами. Из металлов холодной штамповке подвергаются: стали, алюминий и его сплавы, медь, латунь, некоторые сплавы титана, магниевые сплавы и др. Из неметаллов, подвергаемых холодной штамповке, наиболее распространены текстолит и гетинакс. Детали из этих материалов, в зависимости от толщины, штампуются, как без подогрева, так и с подогревом. Основной технологической оснасткой, включающей в себя функции инструмента и приспособления, являются штампы, осуществляющие формообразования детали или заготовки. В качестве оборудования применяются механические прессы, главным образом кривошипные (эксцентриковые). Достоинствами холодной штамповки являются: - относительно высокая и стабильная точность получаемых размеров при вырубке, пробивке и вытяжке; - высокая производительность процесса (при использовании штампа, в котором одновременно изготавливается одна деталь, производительность пресса может достигать 30 – 40 тыс. деталей за смену); - простота выполнения операций и широкие возможности автоматизации процесса. К недостаткам холодной штамповки относятся: - высокая стоимость штампов, которая может быть уменьшена при применении нормализованных деталей и отдельных СЕ, а в мелкосерийном производстве – использование групповых методов организации производства, разновидностью которых является штамповка по элементам; - ограниченность в выборе материала детали (по физико-механическим свойствам и толщине), также формы детали и конструктивного оформления отдельных ее элементов. Метод холодной штамповки охватывает большое количество различных операций, которые можно разделить по характеру деформации, при которой происходит формообразование изготавливаемых деталей, на две основные группы: - группу разделительных операций, характеризуемых полным или частичным разделением обрабатываемого материала по замкнутому или незамкнутому контуру; к этой группе относятся отрезка, вырубка, пробивка, обрезка, зачистка, просечка и другие; - группу формоизменяющих операций, характеризующихся превращением заготовки в деталь заданной формы; к этой группе относятся гибка, правка, вытяжка, формовка, чеканка, отбортовка (отверстия или наружного контура), объемная штамповка и другие. 1.7.3. Литье. Литье применяется в основном как метод получения заготовок деталей сложной конфигурации (корпусы, основания, обоймы, постоянные магниты и др.) из алюминиевых, магниевых, цинковых и специальных сплавов, а также из стали, бронзы, латуни и ряда других металлов и сплавов. Использование процесса литья в качестве заготовительной операции дает возможность максимально приблизить форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых деталей, что значительно снижает трудоемкость изготовления этих деталей и их металлоемкость (меньше металла переводится в стружку). Литье – процесс изготовления деталей и заготовок заливкой расплавленного металла в форму. Литейная форма представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Формы могут быть разового и многократного применения (постоянные), а также используемые несколько раз (полупостоянные). Способ получения отливок (метод литья) выбирают в зависимости от материала детали, сложности ее конфигурации, толщины стенок, массы материала и объема производства. Конструктивное оформление детали и наиболее целесообразный метод литья тесно связаны друг с другом. Применяемые в технологии аэрокосмического приборостроения способы литья для получения заготовок приведены в табл. 1.1, причем последовательность расположения различных способов соответствует их распространенности на производстве. Таблица 1. 1 Литье под давлением является наиболее производительным способом изготовления тонкостенных деталей сложной формы из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Процесс литья под давлением заключается в подаче расплавленного металла из камеры прессования литьевой машины под действием поршня через литниковые каналы в полость пресс-формы, затвердевании металла под давлением и образовании отливки. Скорость подачи металла в форму, продолжительность ее заполнения, время выдержки отливки под давлением, давление и температура нагрева пресс-формы – основные параметры процесса, зависящие от вида металла отливки, толщины ее стенок, габаритов, вида оборудования и других факторов. Точность отливок, получаемых литьем под давлением, зависит от точности изготовления пресс-форм. В крупносерийном и массовом производстве принимается, что все размеры отливок стабильно могут быть получены с точностью, соответствующей 12-му квалитету. Шероховатость поверхности отливок зависит в основном от качества обработки поверхностей пресс-формы. Рабочая полость пресс-формы, обработанная методами чистового шлифования и полирования, обеспечивает параметры шероховатости отливок, соответствующие 7-8 классу. С увеличением числа отливок, полученных в пресс-форме, шероховатость их поверхностей ухудшается. Оптимальная толщина стенок отливок из цинковых сплавов 1,5 – 2 мм, алюминиевых и магниевых 2 – 4 мм, из латуни 3 – 5 мм. Основные преимущества литья под давлением следующие: - самая высокая производительность из всех существующих методов литья, достигающая на обычных, применяемых в приборостроении машинах, 250 отливок в час в одногнездовой (рассчитанной на одну деталь) пресс-форме; - высокая точность размеров и малая шероховатость поверхностей отливок дает возможность максимально приблизить размеры заготовки к размерам готовой детали; - возможность получения тонкостенных деталей сложной конфигурации, что объясняется хорошей заполняемостью пресс-формы; - возможность армирования отливок деталями из других более прочных и с иными свойствами материалов – высокопрочных нелитейных металлических сплавов, металлокерамики и др.; - сокращение по сравнению с другими видами литья количества отходов от самого процесса литья (20 – 25 % от веса детали). К недостаткам литья под давлением можно отнести следующее: - сложность изготовления и высокая стоимость пресс-формы; в мелкосерийном производстве литье под давлением может быть рентабельным, если использовать нормализованные (групповые) пресс-формы со сменными элементами (вкладышами), образующими рабочую полость; - значительное снижение стойкости пресс-форм при отливке деталей из металлов, имеющих высокую температуру плавления (стали, медные сплавы и др.); - сложность или невозможность получения деталей толстостенных или имеющих в конструкции массивные элементы (то есть значительную неравномерность толщины стенок). Литье по выплавляемым моделям включает в себя следующие этапы: изготовление моделей из легкоплавкого материала (парафин, стеарин, полиэтилен); нанесение на модель с помощью пульверизатора или методом окунания огнеупорной пленки (порошок марталита и связующий состав типа жидкого стекла или раствор этилселиката); обсыпка пленки кварцевым песком и сушка; формовка в металлических опорах моделей, покрытых огнеупорной пленкой; выплавление моделей в горячей воде или печи (в зависимости от материала модели); заливка металла в неразъемные формы, образуемые огнеупорной пленкой после выплавления модели; разрушение формы и извлечение отливок. Литье по выплавляемым моделям широко применяется в технологии приборостроения для изготовления отливок сложной конфигурации массой от нескольких грамм до 1 – 15 кг; толщина стенок отливок 0,3 – 20 мм; точность размеров до 9-го квалитета; шероховатость поверхности до 7 – 8 класса. По производительности этот метод литья значительно уступает литью под давлением, так как включает в себя операцию формовки и характеризуется применением одноразовых форм. Литье в кокиль более производительный процесс, чем литье в землю, так как использование металлических форм исключает необходимость такой трудоемкой операции, как формовка. Кроме того, этот вид литья характеризуется значительно более высоким уровнем механизации, поскольку кокиль может устанавливаться на специальном станке, позволяющем механизировать операции разъема формы и удаления отливки. Отходы металла при литье в кокиль составляют примерно 30 – 35% от веса деталей. Точность размеров отливок соответствует 12 – 16-му квалитетам; шероховатость поверхности 5-му классу и грубее. Большая теплопроводность металлической формы способствует более быстрому отвердению жидкого металла по сравнению с литьем в земляные формы. В результате структура металла отливок получается равномерной и мелкозернистой, что обеспечивает улучшение физико-механических свойств деталей за счет высокой однородности материала. К недостаткам литья в кокиль следует отнести высокую стоимость металлических форм; трудности получения отливок сложной конфигурации и тонкостенных отливок (при толщине стенок менее 5 мм). Литье в оболочковые формы включает следующие технологические операции: нагрев модели, состоящей из двух частей, вместе с модельной плитой до 200 – 2500С, смазку частей модели разделительным составом; обсыпание модели формовочной смесью (кварцевый песок с термореактивной смолой); ссыпание излишков смеси после выдержки на модели в течении 2 – 3 минут, спекание оболочки, образуемой на модели расплавленной смолой с кварцевым песком (температура спекания 250 – 3000С); снятие полуформ (оболочек) с частей модели с помощью специальных устройств; склеивание частей формы; их засыпка в специальных контейнерах песком или металлической дробью; заливка; выбивка литья и его очистка. Литье в оболочковые формы экономически наиболее целесообразно в крупносерийном и массовом производстве, где для изготовления оболочковых полуформ применяются высокопроизводительные автоматизированные установки. В приборостроении этот метод применяется редко. Заготовка всегда имеет массу больше детали. Происходит это за счет припусков, которые надо удалять при последующей обработке. Величина припуска должна быть оптимальной и его расчет имеет большое значение в процессе проектирования ТП. 1.7.4. Механообработка. Металлы обрабатывают резанием на металлорежущих станках при помощи различных режущих инструментов. Заготовками для деталей служат сортовые материалы, а также отливки из стали, цветных металлов и их сплавов. В процессе обработки резанием различают рабочее движение двух видов: главное движение, определяющее скорость отделения стружки; движение подачи, обеспечивающее врезание режущей кромки инструмента в новые слои металла, причем скорость подачи меньше скорости главного движения. Наиболее распространенные способы обработки металлов резанием – точение, сверление, фрезерование, строгание, шлифование. При черновой и чистовой обработке последовательность технологических операций намечают исходя из следующих соображений: - последующие операции, переходы и проходы должны уменьшать погрешность обработки и улучшать качество поверхности; - сначала следует обрабатывать поверхность, которая будет служить базой для последующих операций. Для установки детали при первой операции следует выбирать наиболее ровную и имеющую наибольшие размеры поверхность; - после обработки установочной поверхности, заготовка при последующих операциях базируется на нее или связанные с ней поверхности; - сначала обрабатывают менее точные поверхности; - операции, при которых вероятность появления брака велика, следует выполнять вначале; - отверстия обычно сверлят в конце ТП, за исключением тех случаев, когда они служат базой для установки деталей. 1.7.5. Изготовление деталей из пластических масс. По объему использования пластических масс на единицу продукции приборостроение занимает одно из первых мест среди других отраслей промышленности. Насыщенность аппаратуры пластмассовыми деталями в ряде случаев достигает 70% по объему и 45% по весу. Это объясняется особенностями свойств пластмасс. По сравнению с металлами пластмассы характеризуются значительно меньшей плотностью, обладают высокими изоляционными свойствами и повышенной износостойкостью, имеют низкий коэффициент трения, хорошо противостоят коррозии, стойки в агрессивных средах, радиопрозрачны и немагнитные. Переработка большинства пластмасс в изделие основывается на использовании высокопроизводительных технологических процессов с почти полным отсутствием механической обработки. Можно выделить следующие группы деталей, изготавливаемых из пластмасс: детали внешнего оформления (корпусы, крышки, корректоры, лимбы, зажимы и др.); детали изоляционного назначения (клеммные колодки, контактные панели, каркасы, прокладки, втулки); несущие детали (платы, панели, основания); детали светотехнического и отсчетного назначения (линзы, стекла, шкалы); детали декоративного оформления (колпачки, кнопки, ручки переключателей и др.). Основной составной частью пластмасс являются полимеры – синтетические органические соединения (смолы), некоторые виды пластмасс состоят в основном из полимеров, но чаще пластмасса представляет собой композицию из полимера, который играет роль связывающего, наполнителя и различных добавок (красители, пластификаторы, отвердители, смазывающие вещества). Связующие вещества делают пластмассу пластичной и превращают ее после отвердевания в монолитную деталь. В качестве связующих веществ используют фенолформальдегидные, фенолкрезольные, эпоксидные и другие смолы. Наполнители придают изделиям необходимую прочность, жесткость, теплостойкость и электротехнические свойства. Наполнители могут быть органическими (древесная мука, бумажная крошка, различные ткани, хлопковые очесы) и неорганическими (слюдяная и кварцевая мука, асбест, мел, тальк, стекловолокно). Красители добавляют в пластмассу для придания детали нужного цвета. Отвердители необходимы для ускорения процесса отвердевания связующего вещества при формировании изделий. Пластификаторы (дибутилфтолат и трикрезилфосфат) улучшают пластические свойства пластмассы и повышают ее жидкотекучесть при прессовании. Смазывающие вещества предупреждают прилипание пресс-материалов к стенкам пресс-формы при прессовании. В качестве смазывающих веществ используют, например, олеиновую кислоту, стеарин и касторовое масло. В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делятся на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопластичные пластмассы при нагревании приобретают пластические свойства или расплавляются, а при охлаждении возвращаются в твердоупругое состояние. Термореактивные пластмассы при нагревании необратимо переходят в пластическое состояние с дальнейшим затвердеванием. При повторном нагревании они остаются твердыми или сгорают, не расплавляясь. Метод переработки пластмасс в изделие в значительной степени связан с характером поставки этих материалов предприятиями химической промышленности. Пластмассы, перерабатываемые в изделия методами прессования или литья под давлением , выпускаются как пресс-порошки или пресс-материалы, последние в виде, удобном для измельчения и дальнейшего прессования (например, пресс-материал – стекловолокнит выпускается в виде ленты, полученной на основе крученых стеклянных нитей и связующего вещества). Кроме пресс-порошков и пресс-материалов в приборостроении применяются термореактивные слоистые пластмассы, поставляемые в виде листов и прутков. К ним относятся текстолит, гетинакс, стеклотекстолит и др. Из термопластических пластмасс наиболее широко применяются фторопласты, полиамиды, капрон, оргстекло, полиэтилен, полистирол и полихлорвинил. Основные способы переработки пластмасс в изделия – прессование и литье под давлением. Литые и прессованные детали из пластмасс имеют гладкие поверхности с шероховатостью 7-8 класса, размеры в пределах 11-13 квалитета точности и почти не требуют обработки резанием. Для литья и прессования используется сырье в виде гранулированных термопластов и термореактивных порошков и пресс-материалов. Оба способа рентабельны только в крупносерийном и массовом производстве ввиду высокой стоимости применяемого технологического оснащения. Изделия из термореактивных порошков и пресс-материалов изготавливают прямым (компрессионным) или литьевым прессованием в металлических пресс-формах на гидравлических прессах. Для литьевого прессования деталей сложной формы применяются прессы с рабочим цилиндром двойного действия. В этом случае основной плунжер рабочего цилиндра служит для замыкания пресс-формы с большой скоростью, а второй плунжер, находящийся внутри основного – для нагнетания размягченного пресс-материала через литниковый канал в рабочую полость пресс-формы, где образуется деталь. Автоматические прессы (пресс-автоматы) имеют системы автоматического контроля и регулирования температуры прессования, давления и длительности отдельных операций цикла прессования в целом, кроме того, автоматизируется управление всеми перемещениями подвижных частей пресса. Прессы, как правило, оборудованы устройствами программного управления. Процесс прямого прессования деталей из термореактивных пластмасс состоит из следующих этапов: подготовка пресс-материалов, дозировка материалов, загрузка в пресс-форму, прессование, удаление деталей из пресс-формы, очистка пресс-формы. Подготовка материалов включает в себя главным образом их подсушивание и подогрев перед прессованием. Повышенная влажность способствует ухудшению текучести материалов, что может вызвать брак прессуемых деталей. Подогрев материалов перед прессованием способствует удалению влаги и газов, позволяет сократить технологическую выдержку при прессовании, снизить давление в пресс-форме. Что уменьшает ее износ, и сократить цикл прессования в 2 раза и более. Пресс-материал занимает в 2% - 10 раз больший объем, чем изготовленные из него детали. Для уменьшения объема пресс-форм производят таблетирование пресс-материалов. Масса таблеток колеблется от 1,5 до 150 г. Таблетирование не только позволяет сократить объем загрузочных камер пресс-форм, но дает следующие преимущества: уменьшение содержания воздуха в таблетках по сравнению с рыхлыми материалами, способствует улучшению качества прессуемых деталей, улучшает условия прессования, облегчает дозирование и нагрев материалов перед прессованием, сокращает потери материала в производстве. Пресс-материалы таблетируются на гидравлических прессах или специальных таблеточных машинах (эксцентриковых или ротационных) в холодных пресс-формах. Дозировка материала может быть весовая, объемная или штучная (при наличии таблетирования). Штучный способ дозирования, осуществляемый по числу одинаковых таблеток, может быть легко полностью автоматизирован. При прессовании или литье под давлением деталей из пластмасс часто до начала прессования требуется разместить в пресс-форме металлическую арматуру, запрессовываемую в пластмассу. Наиболее распространенными видами арматуры являются детали для образования внутренних или наружных резьб, зажимы, штыри, втулки, штифты и др. Арматура используется в качестве электропроводящих элементов, иногда для повышения прочности деталей, а также для удобства сборки и монтажа. Металлические детали перед прессованием устанавливают в тщательно очищенную пресс-форму до загрузки в нее пресс-материала и закрепляют в заданном положении. Основными параметрами (режимами) процесса прессования пластмасс являются температура, давление и время выдержки. Нагрев до определенной температуры необходим для перевода пресс-материалов в текучее состояние с дальнейшим отвердением (полимеризацией). Для термореактивных пластмасс температура нагрева пресс-форм при прямом и литьевом прессовании колеблется от 130 до 1950С. Давление в процессе прессования необходимо для уплотнения разогретого пресс-материала, заполнения материалом рабочей полости пресс-формы и предотвращения коробления изделия, вызванного внутренними напряжениями. Величина необходимого давления зависит от текучести материала и конструктивных особенностей изделия. Чем меньше текучесть, тем больше должно быть давление. При прессовании деталей из термореактивных пластмасс в начале дается небольшое давление на 30 – 40 сек, чтобы материал занял полость формы, затем дается основное давление, при котором происходит полимеризация материала в течение определенного времени выдержки. Время выдержки зависит от вида пресс-материала, размера и сложности конфигурации детали, а также температуры предварительного нагрева пресс-материала. Чем больше изделие и чем выше требуемая температура нагрева, тем дольше выдержка его под давлением. При недостаточной выдержке происходит коробление детали при охлаждении и снижается механическая прочность. Время выдержки для различных термореактивных пластмасс находится в пределах от 0,5 до 2% мин на 1мм наибольшей толщины изделия. Заданная выдержка обеспечивается при прессовании с помощью реле времени. После окончания прессования разъем пресс-формы и извлечение детали осуществляется автоматически при наличии соответствующих устройств или вручную с помощью специальных приспособлений. Извлеченные детали направляются на следующую операцию для зачистки от облоя и заусенцев, а также другой механической обработки. Пресс-форма после извлечения детали тщательно очищается от прилипших остатков пресс-материала с целью устранения брака при последующем прессовании и возможной поломки отдельных деталей пресс-форм. Метод прямого прессования экономичен и не требует сложных дорогостоящих пресс-форм. Однако он имеет ряд недостатков: давление на материал передается сразу после замыкания пресс-формы, когда пресс-материал, обладающий абразивными свойствами, еще не приобрел достаточной пластичности. Вследствие этого происходит износ оформляющих поверхностей пресс-формы, возможна деформация тонких ее элементов и арматуры; неравномерное отвердение материала по толщине изделия вследствие неравномерного прогревания от стенок пресс-формы приводит к возникновению внутренних напряжений, образованию пустот и других дефектов; по линии разъема пресс-формы на изделиях образуется облой (заусенец), который необходимо удалить механическим путем. Поэтому методом прямого прессования, как правило, изготавливаются детали простой конфигурации, не имеющие элементов пониженной жесткости (например, тонких стенок) и арматуры. Литьевым прессованием можно получить тонкостенные детали сложной конфигурации с малопрочной сквозной арматурой, с глубокими отверстиями малого диаметра. При этом методе меньше, чем при прямом прессовании изнашиваются оформляющие поверхности пресс-форм, меньше вероятность появления брака на деталях (трещин, пустот и др.), уменьшается облой по плоскости разъема. К недостаткам метода следует отнести сложность, высокую стоимость пресс-форм и большой расход материала, чем при прямом прессовании. Литье под давлением является характерным процессом изготовления деталей из термопластичных пластмасс без наполнителя (полиэтилен, полистирол, капрон, полиуретан и др.). По сравнению с процессами прямого литьевого прессования реактопластов литье под давлением имеет значительно более высокую производительность (до 300 отливок в час в одноместной пресс-форме). В качестве оборудования для литья под давлением используются автоматические и полуавтоматические литейные машины с поршневой или шнековой подачей материала. Давление и температура процесса зависят от марки пресс-материала. Температура в камере сжатия для полистирола должна быть не ниже 190 – 2150С. Чем ниже температура, тем выше должно быть давление в цилиндре. Части пресс-формы охлаждаются водой до температурой 140 – 600С. Литьем под давлением можно получить сложные по конфигурации, тонкостенные детали с большим количеством арматуры и повышенной точностью размеров. При прессовании и литье под давлением деталей из пластмасс основной технологической оснасткой являются пресс-формы. По методу прессования они делятся на компрессионные (для прямого прессования), литьевые и инжекционные. Компрессионные пресс-формы по конструктивным признакам подразделяются на открытые, полузакрытые и закрытые. Открытые пресс-формы не имеют загрузочной камеры для пресс-материала, который загружается непосредственно в рабочую полость пресс-формы. Излишек пресс-материала вытекает из пресс-формы наружу через зазор между пуансоном и матрицей. Полузакрытые пресс-формы имеют загрузочные камеры, площадь которых больше площади рабочей полости. На стыке пуансона и матрицы имеется опорная поверхность, ограничивающая ход пуансона, что позволяет получить изделие определенной толщины. Излишек пресс-материала выжимается при прессовании вверх по канавкам или лыскам, имеющимся в пуансоне. В закрытых пресс-формах загрузочные камеры имеют размеры и конфигурацию такие же, как и рабочие гнезда, являясь как бы их продолжением. Во время прессования давление передается на всю площадь детали, чем обеспечивается ее более высокая плотность. Толщина детали зависит от количества пресс-материала, поэтому при загрузке закрытых пресс-форм требуется точное дозирование материала. По внешнему виду литьевые пресс-формы отличаются от пресс-форм для компрессионного прессования наличием литьевой камеры и литниковой системы. Инжекционные пресс-формы применяются для прессования только на литьевых машинах, то есть в процессах литья под давлением. По характеру эксплуатации пресс-формы разделяются на съемные и стационарные. Съемные пресс-формы без обогрева используются только при прямом прессовании на небольших недостаточно оборудованных предприятиях. Для удаления отпрессованной детали из съемной пресс-формы ее необходимо снять с пресса. При использовании стационарных пресс-форм весь цикл изготовления изделия (загрузка материала, разборка пресс-формы, извлечение изделия) происходит без снятия пресс-формы с пресса. Кроме процессов прессования и литья под давлением в производстве пластмассовых деталей используются процессы дутьевого (пневматического) и вакуумного формирования, а также процесс экструзии. Дутьевое и вакуумное формование применяется для изготовления деталей простой формы типа корпусов, баллонов, крышек из листовых термопластичных материалов. Экструзия (выдавливание через фасонную фильеру) используется для получения деталей в виде стержней (различного сечения) и трубок из термопластических материалов без наполнителя на шнековых экструзионных машинах. Однако эти процессы в приборостроении применяются редко. 1.8. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА (ЭХО) Размерная ЭХО заключается в получении деталей требуемой геометри­ческой формы, размеров и качества поверхностей путем снятия с поверхно­сти заготовок слоя металла припуска электрохимическим растворением. Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения металлов при электролизе. Условная схема ЭХО: / — электрод-инструмент, 2 — электролит; 3— источник питания постоянного (периодического) тока; 4 — обрабатываемая заготовка (анод); 5 — шлам; δ1, δ2 — зазоры МЭП; ΔZmax, ΔZmin — соответственно, максимальное и минимальное значения припуска на обработку; vЭ — скорость прокачки электролита через МЭП. Классификация и схемы процессов ЭХО. Область эффек­тивного применения электрохи­мической обработки обусловлена следующими технологическими особенностями: - способ позволяет обрабаты­вать только электропроводные материалы; - производительность способа не зависит от твердости и прочно­сти обрабатываемых материалов и в несколько раз превосходит про­изводительность обработки ре­занием заготовок из высоко­прочных твердых сплавов, ме­таллокерамики и сталей в зака­ленном состоянии; - способ позволяет обрабатывать поверхности любой формы; - в металле обработанной поверхности отсутствуют остаточные напря­жения и наклеп. Недостатком метода является ограничение его применения обработкой только таких электропроводных материалов, которые при растворении не образуют труднорастворимых пленок. Для этих материалов наряду с элек­трохимическим воздействием требуется механическое или электротермиче­ское воздействие, удаляющее образующиеся оксидные пленки. Основные процессы и параметры ЭХО. Основным электрохимиче­ским процессом ЭХО является процесс растворения анода. Линейная ско­рость растворения, характеризующая производительность ЭХО, определяет­ся из первого закона Фарадея. Из уравнения следует: 1. Скорость растворения участков анода, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна значению межэлектродного зазора ( МЭЗ) на этих участках. Этим объясняется выравнивание поверхности анода в межэлектродное пространство (МЭП) при ЭХО и повышение производительности обработки с уменьше­нием зазора. Минимально допустимым зазором при ЭХО принят зазор 0,02 мм. 2. При подаче напряжения на электроды растворение анода идет с раз­ной скоростью по всей обрабатываемой поверхности, что осложняет по­лучение деталей с требуемой точностью размера и формы. 3. Скорость растворения зависит от электрической проводимости элек­тролита, поэтому факторы, влияющие на электрическую проводимость, оп­ределяют производительность ЭХО. 4. Скорость растворения возрастает с увеличением напряжения. Однако экспериментально установлено, что при Uэ = 30 В происходит электрический пробой зазоров, используемых при ЭХО, поэтому обработка ведется при напряжении ~15 В. Э л е к т р о л и т ы. Электрическая проводимость электролита зависит от его состава и происходящих в электролите явлений. Наиболее распростра­ненными электролитами при ЭХО являются нейтральные водные растворы неорганических солей: хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия. Приго­товление электролитов требуемого состава и концентрации относится к ос­новной операции ЭХО. Оптимальные значения концентраций, обеспечи­вающих максимальное значение электрической проводимости электролита заданного состава, приводятся в справочной литературе. Например, макси­мальная электрическая проводимость электролита NaOH обеспечивается при его концентрации в воде равной 15%. Концентрация электролита в процессе ЭХО может изменяться из-за об­разующегося шлама (загрязнений), нарушая при этом процесс ЭХО и снижая его произво­дительность. Постоянство концентрации электролита обеспечивается техно­логически — его очисткой. Для этого используются методы центрифугиро­вания (воздействия центробежных сил), фильтрования с помощью пористых, материалов, отстаивания в специальных резервуарах и флотации — очистки всплывающими пузырьками газа или воздуха. На электрическую проводимость электролита существенное влияние оказы­вает сопутствующий электролизу нагрев электролита проходящим током. Так, напрев электролита из водного раствора солей на один градус увеличивает его электрическую проводимость на 2—2,5%. Поэтому при ЭХО для выведения шлаков и выравнивания температуры электролита применяют прокачку электро­лита через МЭП под давлением. Необходимая скорость течения электролита vэ, определяется из условия удаления продуктов электролиза со скоростью, превы­шающей скорость их образования, и технологически задается давлением вводи­мого в раствор электролита. Для стабилизации температуры электролита в стан­ках ЭХО применяют теплообменники с автоматическими терморегуляторами, встроенными в систему подачи электролита. Т о ч н о с т ь р а з м е р о в и ф о р м ы деталей при ЭХО определяется точностью электрода-инструмента и точностью его положения при обработ­ке относительно оси его главного движения, неравномерностью ΔZ припуска заготовки и стабильностью всех параметров режима, ответственных за про­цесс электрохимического растворения. Во всех случаях ЭХО подвижным и неподвижным инструментом форма и размеры обрабатываемых поверхностей определяются как сумма или раз­ность размеров ЭИ и межэлектродного зазора соответственно для наружных и внутренних поверхностей. Поэтому их точность зависит от точности электрода – инструмента (ЭИ) и стабильности зазора в процессе обработки. В процессе обработки ЭИ не изнашивается, однако, находясь в электролите, он может корродировать, по­этому рабочую часть электродов изготавливают из нержавеющей стали, а при изготовлении электродов сложной формы используют Хорошо обраба­тываемые коррозионностойкие медные сплавы — латунь и бронзу. Поверх­ность ЭИ обрабатывается с точностью, на два класса превышающей требуемую точность обрабатываемой заготовки. Величина зазора (δ) оказывает влияние' на точность обработки. Снижение величины зазора до минимально допустимого (0,02 мм) обеспечивает наибольшую точность. Стабильность величины зазора в процессе ЭХ0 обес­печивается стабилизацией параметров режима vи, х, температуры электроли­та и скорости подачи инструмента за счет автоматизации процесса и при­менения специальной аппаратуры. Так, постоянство заданного напряжения обеспечивается стабилизатором напряжения; скорость подачи — прецизион­ным приводом подачи и системой ее регулирования; температура — тепло­обменниками с терморегуляторами; концентрации электролита — прокачкой и очисткой электролита. Снижение наследственного влияния неравномерности припуска ΔZ на точ­ность формы заготовки решается технологическими методами. Во-первых, повышением точности исходных заготовок, выполняемых методами литья, ОМД и порошковой металлургии. Во-вторых, увеличением припуска на об­работку, в 6—9 раз превышающего исходную погрешность ΔZmin. В этом случае обеспечивается условие для выравнивания всей обрабатываемой поверх­ности , но тем не менее метод обеспечивает точность формы не выше ±0,1 мм. Ш е р о х о в а т о с т ь поверхности и эксплуатационные свойства. Шероховатость обработанных ЭХО поверхностей определяется процессами растворения электрода, удаления шлама, исходной шероховато­стью и фазовым составом материала заготовки. Повышение анодной плотности тока, увеличение скорости прокачки электролита под большим давлением и снижение его температуры повыша­ют чистоту обработанной поверхности. Процесс ЭХО не оказывает на обрабатываемую поверхность ни темпе­ратурного, ни силового воздействия, в поверхностных слоях отсутствуют остаточные напряжения и не происходят структурные изменения. Поэтому ЭХО обеспечивает высокое качество поверхностей с шероховатостью в диа­пазоне Ra 0,4–1,6. Эксплуатационные свойства поверхностей находятся на уровне свойств материала. Однако при значительной химической и фазовой неоднородности обраба­тываемых материалов наблюдается явление растравливания границ зерен и фаз на глубину до 0,01 мм. В этом случае эксплуатационные свойства детали, чувст­вительные к надрезу (циклическая, ударная прочность), снижаются на 5—10%. К параметрам режима ЭХО относятся: напряжение на электродах, ток, скорость подачи ЭИ, величина межэлектродного зазора, давление прокачиваемого электролита и его состав. В качестве оборудования для размерной ЭХО используются станки, которые состоят из: источника тока в виде вы­прямителя (ток 5000—30000 А); электрохимической ячейки, в которой про­исходит анодное растворение обрабатываемого материала; системы прокач­ки электролита с устройствами для термостабилизации и очистки; системы подачи катода, поддерживающей постоянным значением МЭП. Процесс ЭХО обеспечивает широкое регулирование режимов от черновых до чисто­вых без съема детали со станка. В современных станках процессом обработки управляет система ЧПУ. Она задает и контролирует значения напряжения и тока, постоянство рабоче­го зазора, скорость и концентрацию потока электролита. Универсальные электрохимические станки позволяют обрабатывать поверхности площадью 600 см2 и более с точностью ±(0,1—0,3) мм и производительностью по стали 5—25 см3/мин. Примеры технологических операций ЭХО. З а г о т о в и т е л ь н ы е операции. Методы ЭХО используют для резки заготовок из труднообра­батываемых жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов и высоко­прочных сталей. Дисковым и ленточным металлическим инструментом раз­резают ленточный прокат, а вырезку фасонных заготовок из листа выполня­ют на станках с ЧПУ. Положительной особенностью способа яв­ляется отсутствие на заготовке заусенцев. Ф о р м о о б р а з у ю ш и е операции широко применяют при изго­товлении деталей методами копирования, электрохимического точения и прошивания. Объемным копированием получают лопатки турбин из жаропрочных и титановых сплавов; рабочие элементы ковочных штампов и пресс-форм из высокопрочных инструментальных сталей; глухие полости, отверстия слож­ной формы в машиностроительных и приборных деталях из труднообраба­тываемых металлов и сплавов (точность обработки ±0,1 мм). Электрохимическое к а л и б р о в а н и е выполняют при под­вижном и неподвижном ЭИ. Например, ЭХО после механиче­ской обработки шнеков, точность формы и размеров винтовых поверхностей возросла в 3—4 раза, а шероховатость снизилась до Ra 0,1-0,8. О т д е л о ч н ы е операции — удаление заусенцев и полирование поверхностей — выполняют при неподвижных электродах. ЭХО позволяет удалять заусенцы в труднодоступных местах, например во внутренней по­лости при пересечении отверстий, полученных сверлением. Электрохимическое п о л и р о в а н и е улучшает микрогеометрию детали, снижая ее шероховатость на 2 – 3 класса, увеличивает прочностные характеристики обработанной поверхности, придает ей зеркальный блеск, получая шероховатость Ra 0,025. 1.9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Все методы ФХО более энергоемкие и менее производительные по сравнению с методами обработки резанием, поэтому их использование оправдано только в следующих случаях: • для обработки конструкционных материалов, имеющих плохую обрабатываемость резанием (высоколегированные стали, твердые сплавы, ферриты, керамика, ситаллы); • для обработки деталей сложной геометрической формы из труднообрабатываемых материалов (пресс-формы, детали турбинных лопаток); • для обработки тонкостенных нежестких деталей, а также деталей сложной формы с пазами и отверстиями; • эффективность применения методов ФХО проявляется тем больше, чем сложнее форма обрабатываемой поверхности детали, выше физико-механические свойства материала и чем большие трудности возникают при ее изготовлении методами механической обработки. 1.9.1. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА (ЭЭО) ЭЭО основана на использовании явления электрической эрозии – разрушения материала электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка. Условная схема процесса ЭЭО: 1 — электрод-инструмент, 2 — обрабатываемая поверхность; 3 — генератор элек­трических импульсов; 4 — электрический разряд; 5 — газовый пузырь; б — продукты эрозии (шлам); 7 — эрозионная лунка; 8 — рабочая жидкость; 9 — изолятор Изолированные электрод-инструмент и обрабатываемая заготовка погружены в рабочую диэлектрическую жидкость и соединены с генератором электрических импульсов. Между электродом и деталью электрическим пробоем межэлектродного промежутка возбуждается импульсный разряд, который мгновенно нагревает микроучастки электродов и контактирующую с ними жидкость. В результате в зоне разряда формируется газовый пузырь, В конце каждого импульса происходит схлопывание пузыря. При этом продукты эрозии – шлам – в виде гранул удаляются из межэлектродного пространства (МЭП) рабочей жидкостью, а на поверхности электрода-заготовки образуется эрозионная зона. За время паузы происходит восстановление электрической прочности МЭП до исходного значения, Затем, при подаче следующего импульса напряжения, весь процесс повторяется, но пробой происходит уже там, где напряжение примет максимальное значение, - в зазоре между наиболее близкими микровыступами поверхности заготовки и инструмента. Процесс эрозии заготовки продолжается до полного удаления металла, находящегося на расстоянии электрического пробоя (0,01-0,15 мм). Для обеспечения непрерывности процесса съема припуска величина МЭП должна оставаться неизменной, для чего скорость главного движения электрода-инструмента (ЭИ) в направлении обработки должна соответствовать скорости эрозии электродов. Обработанная поверхность представляет собой поверхность, образованную множеством лунок. Все схемы ЭЭО делятся на три группы: 1. Получение требуемой формы и точности поверхности заготовки копированием формы профильного инструмента, представляющего собой обратное отображение формы детали. По этой схеме электрод-инструмент внедряется в заготовку при поступательном перемещении по мере электроэрозии металла заготовки. Операции, выполняемые по этой схеме называются копировально-прошивочными. 2.Заданная форма детали обеспечивается взаимным перемещением заготовки и непрофильного инструмента. По этой схеме ЭЭО производят с использованием в качестве электрода-инструмента проволоку или металлический вращающийся диск. 3. Получение требуемой формы обеспечивается взаимным перемещением профилированного инструмента и заготовки. Эти операции получили наименьшее распространение. Они используются для правки фасонных электроалмазных кругов, изготовления фигурных канавок и шлифования. Физико-химические основы ЭЭО составляют процессы плавления и удаления металла из лунки; образование частиц – продуктов эрозии; захват и эвакуация частиц из зазора. Электрический пробой при подаче напряжения 50 – 250 В происходит между микровыступом электрода-заготовки и обработанной поверхности электрода-инструмента. В результате разрушаются именно выступы, выравнивая поверхность заготовки по всему межэлектродному зазору. Интенсивность эрозии зависит от вида возбуждаемого разряда. Начальная (искровая) стадия, длящаяся 10-9 – 10-7 с, отличается наибольшей удельной мощностью, так как диаметр канала в начальной стадии весьма мал и концентрация энергии на обрабатываемых микроучастках составляет 107 – 108Вт/см2. Процесс эрозии металла электродов осуществляется испарением. В конце искровой стадии под действием высоких температуры и давления в канале разряда рабочая жидкость приходит в движение и канал расширяется со сверхзвуковой скоростью. По форме импульсы подразделяются на: знакопеременные; асимметричные; униполярные синусоидальные; униполярные прямоугольные; униполярные гребенчатые. По схеме подключения электродов различают обработку на прямой полярности, когда инструмент подключают к (-) источника, и на обратной полярности, когда к (-) источника подключена заготовка. О б р а б а т ы в а е м о с т ь различных материалов при электроэрозион­ной обработке оценивается коэффициентом обрабатываемости. Числовое значение коэффициента обрабатываемости равно, как и при обработке реза­нием, отношению экспериментально установленной скорости съема данного материала к скорости съема стали 45 при тех же параметрах ЭЭО. Коэффи­циент обрабатываемости стали 45 принимается за единицу, тогда коэффици­ент обрабатываемости составляет: для жаропрочных и нержавеющих сталей — 1,4; для алюминия — 2,4; для меди — 0,9; для титана — 0,6; для вольфрама — 0,5; для твердых сплавов — 0,3. Г а з о г и д р о д и н а м и ч е с к и е и гидравлические процессы в МЭП ответственны за образование, захват, эвакуацию частиц из межэ­лектродного зазора и восстановление электрической прочности МЭП после разряда. Электроды-инструменты (ЭИ) и рабочие жидкости (РЖ). П р о ф и ­ л и р о в а н н ы й ЭИ задает конфигурацию обрабатываемой поверхности детали. Материал электрода-инструмента должен обладать высокой эрози­онной стойкостью, прочностью, малым омическим сопротивлением и высо­кой обрабатываемостью методами резания. Эрозионный износ электрода при ЭЭО не является локальным, как при механической обработке, а охватывает всю рабочую поверхность и оценива­ется отношением израсходованного объема электрода к объему удаленного металла. В качестве материала для электродов при обработке высокоуглероди­стых инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе рекомендуются графит, медь и композиционный материал МНБ-3 (97% ме­ди и 3% нитрида бора). Наименьшему износу подвержен медный электрод, так как его электроэрозия компенсируется углеродом, откладывающимся в результате пиролиза углесодержащих рабочих жидкостей. Для удаления шлама из МЭП в электроде изготавливается необходимое число отверстий. Удаление осуществляется прокачкой или отсосом рабо­чей жидкости из зазора. В качестве н е п р о ф и л и р о в а н н о г о инструмента при ЭЭО наибольшее распространение получили медные или латунные диски и тонкая проволока диаметром 0,02—0,3 мм из меди, латуни, вольфрама и молибдена. Для обеспечения точности обработки и снижения износа проволока-электрод в процессе обработки перематывается с одной бобины на другую, испытывая усилие растяжения. В качестве рабочих жидкостей используют низкомолекулярные углево­дороды различной вязкости (керосин, индустриальное масло И12А, транс­форматорное масло и их смеси), воду, кремнийорганические жидкости и водные растворы двухатомных спиртов. Технологические параметры в режимы ЭЭО. П р о и з в о д и т е л ь ­н о с т ь процесса оценивается скоростью съема материала заготовки. Производительность определяется энергией и частотой следования импульсов. По энергии электрические режимы подразделяют на жесткие (0,5—5 Дж), средние (0,1—0,5 Дж), легкие (0,05 — 0,1 Дж) и очень легкие (менее 0,05 Дж). По технологическим показателям эти режимы соответствуют черновым, получистовым, чистовым и доводочным. Максимальная производительность ЭЭО обеспечивается на жестких (черновых) режимах обработки. Т о ч н о с т ь обработки, несоответствие формы деталей размерам ЭИ при ЭЭО, обусловлено наличием межэлектродного зазора и изменением его размеров по ходу движения рабочей жидкости в МЭП. Двигаясь в МЭП, жидкость обогащается продуктами обработки и нагревается, изменяя свои свойства. В результате на этих участках происходит повышенный съем ме­талла, вызывая конусность у обработанных поверхностей. Для повышения точности при разработке технологии предусматривают оптимальные пути эвакуации продуктов эрозии путем: изготовления специальных технологиче­ских полостей в инструменте и заготовке; формирования направления тече­ния жидкости в зазоре за счет принудительной прокачки или отсоса. Кроме того, погрешности формы снижают корректировкой исходных размеров и формы ЭИ на величину возможных погреш­ностей. Ш е р о х о в а т о с т ь по­верхности определяется элек­трическими и гидравлическими параметрами процесса. Шерохо­ватость Rz зависит от размера лун­ки и степени перекрытия лунок. Следовательно, условия получения минимальной шероховатости требу­ют ведения процесса на повышенных частотах с минимальной энергией им­пульса. Помимо того, шероховатость поверхности зависит от концентрации шлама в межэлектродном зазоре, определяемой эффективностью его удале­ния рабочей жидкостью. При работе на мягких режимах с малыми зазорами эффективно удаляют шлам жидкости с низким значением вязкости (типа ке­росина). С т р у к т у р а и состав поверхностного слоя обусловлены тепловым воздействием электрического разряда, а также химическими воз­действиями плазмы разряда и рабочей жидкости. В результате теплового воздействия поверхность оплавляется и в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения с максимумом на поверхности детали, металл претерпевает наклеп и структурные изменения. Возможно насыщение его компонентами, вхо­дящими в состав материала инструмента, и компонентами, содержащи­мися в рабочей жидкости. Процесс следует проводить за несколько проходов. При первом, черно­вом, проходе на жестком режиме снимается до 90% припуска, а последую­щие чистовые проходы на мягких и очень мягких режимах обеспечивают высокую точность, низкую шероховатость и высокое качество поверхности. Черновая и чистовая обработки ведутся сменным инструментом, точность чистового инструмента должна быть на 1—2 класса выше требуемой точнос­ти обработки детали. Специфический характер геометрии поверхностей, а также возможность управления толщиной упрочненного слоя обусловили отличие эксплуатаци­онных свойств поверхностей, обработанных ЭЭО. Так, износостойкость по­верхности из-за удерживания масла совокупностью лунок и наличия упроч­ненного слоя выше, чем при механической обработке. Усталостная проч­ность детали зависит от толщины упрочненного слоя и при обработке на средних и мягких режимах несколько выше, чем деталей, полученных реза­нием при одинаковой чистоте поверхности, что можно объяснить меньшей толщиной дефектного слоя. Коррозионная стойкость поверхностей, полу­ченных на средних режимах, аналогична стойкости при механической обра­ботке резанием. Она возрастает при обработке на мягких режимах, но сни­жается при обработке на грубых режимах. 1.9.2. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ АБРАЗИВНАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА Ультразвуковая абразивная размерная обработка (УЗАО) заключается в изменении размеров, формы, шероховатости и свойств поверхности обраба­тываемых заготовок за счет съема материала припуска хрупким скалыванием микрообъемов при импульсном ударном силовом воздействии частиц сво­бодного абразива с ультразвуковой частотой 16—30 кГц. Общие положения и схемы обработки. Ультразвуковая абразивная обработка эффективна при обработке заготовок из конструкционных мате­риалов, имеющих низкую обрабатываемость резанием, электрофизическим и электрохимическим методами. Это заготовки из хрупких и твердых неэлек­тропроводных, химически стойких материалов, таких, как стекло, кварц, ке­рамика, ситалл, алмаз , полупроводники (германий, кремний, арсенид гал­лия), азотированных и цементированных сталей и др. При обработке используется энергия ультразвуковых колебаний. Обрабатываемую заготовку 1 помещают в ванну под инструмент 2. В зону обра­ботки поливом или под давлением пода­ют абразивную суспензию 3, состоящую из абразивного материала и воды. В ходе обработки инструмент обеспечивает постоянный прижим абразив­ных зерен к обрабатываемой поверхности детали с усилием Fcт равным 1—60 Н. Колеблющийся торец инструмента, ударяя по абразивным зернам, передает им энергию колебаний, а зерна, в свою очередь, из-за наличия острых граней откалывают частицы от хрупкого материала обрабатываемой заготовки. Главное движение при ультразвуко­вой обработке — продольные колебания торца инструмента с ультразвуковой час­тотой и амплитудой Ак. Движение инст­румента относительно заготовки являет­ся вспомогательным движением подачи (продольная, поперечная, круговая). Кавитационные явления, возникающие в жидкой суспензии при воздей­ствии ультразвуковых колебаний, обеспечивают интенсивное перемещение абразивных зерен под инструментом, замену изношенных зерен новыми и вынос сколотых частиц обрабатываемого материала из зоны обработки. Источником механических ко­лебаний, сообщаемых инструменту, является пьезоэлектрический или магнитострикционный преобразова­тель, преобразующий высокочас­тотные электрические колебания, вырабатываемые специальными ге­нераторами, в механические коле­бания. Изменяя форму инструмента и вид подачи, можно осуществить различные операции ультразвуко­вой обработки свободными абра­зивными зернами. По кинематике процессы УЗАО полностью идентичны ЭЭО. Все схемы обработки делятся на три группы: 1. Получение поверхности заготовки копированием формы профильного инструмента. Инструмент внедряется в заготовку при своем поступательном движении. 2. Формирование поверхности заготовки взаимным перемещением заго­товки и непрофилированного инструмента. 3. Формирование поверхности путем взаимного перемещения профиль­ного инструмента и заготовки. Основы процесса УЗАО. Суспензия является фактическим инструмен­том, осуществляющим съем материалов при всех операциях УЗАО. Абра­зивная суспензия, применяющаяся при УЗАО, по массе включает 20—40% абразивного материала, 1—2% ингибитора — азотнокислого натрия (NaNO2), остальное — вода. Высокое содержание воды в суспензии обеспе­чивает циркуляцию абразива в рабочей зоне и удаление продуктов обработ­ки. В качестве абразивных материалов применяются эльбор (BN), алмазные порошки (С), карбид бора (В4С), карбид кремния (SiC) и электрокорунд (Al2O3). Основной технологической характеристикой абразивных материалов являются их режущая способность относительно режущей способности ал­мазного порошка и размер абразивных зерен. При УЗАО прецизионных деталей небольшой площади (до 30 мм2) аб­разивную суспензию подают в рабочую зону вручную: пипетками, кисточка­ми или резиновой грушей. Большие площади обрабатывают с принудитель­ной подачей абразивной суспензии поливом, нагнетанием и вакуумным от­сосом через технологические отверстия. Инструменты при УЗАО представляют собой сменные элементы коле­бательной системы. Они обеспечивают передачу ультразвуковых колебаний абразиву и при этом быстро изнашиваются. Форма и размеры рабочей части инструментов для большинства опера­ций формообразования повторяют размеры и форму обрабатываемых эле­ментов детали. Для снижения величины износа инструмент изготавливают из пластичных, но достаточно твердых отожженных сталей. Инструменты со сложной формой рабочей части для операций объемного копирования и маркирования изготавливают из латуни. Наиболее интенсивно изнашивается рабочий торец инструмента. Сте­пень износа инструментальных материалов оценивается по отношению к износу заготовки. Ориентировочные значения относительного износа при обработке инст­рументом из стали 45 различных материалов следующие: стекла — 0,5—1%; керамики — 2—10%; твердых сплавов — 40—150%. Таким образом, со снижением хрупкости обрабатываемого материала износ инструмента воз­растает. Для повышения износостойкости поверхность инструментов упрочняют закалкой, цементацией, азотированием и наклепом. Характеристики размерной ультразвуковой обра­ботки. Точность полученных размеров и значения шероховатости поверх­ности соответствуют значениям, получаемым при шлифовании. При УЗАО, так же как и при обработке резанием, и при ЭЭО увеличение производительности вызывает снижение точности обработки, поэтому обработку следует выполнять как минимум за два прохода — черновой, обеспечивающий высокую производительность, и затем чистовые, позволяющие обеспечить требуемую точность. Примеры технологических операций УЗАО. Перед УЗАО заготовки из твердых, хрупких материалов приклеивают к подкладке из оконного стек­ла, что предотвращает образование сколов при выходе инструмента из заго­товки в конце обработки. Ультразвуковую вырезку используют для фор­мообразования заготовок по наружному контуру. Плоские заготовки выре­заются из пластин полыми, одно или многоместными инструментами. При групповой вырезке часовых камней из рубина многоместным инструментом в виде набора трубок одновременно вырезается 35 заготовок диаметром 1,6 мм и толщиной 1 мм. Используя абразивную эмульсию с карбидом бора, вырезку осуществляют за 3,5 мин. Ультразвуковая прошивка является наибо­лее распространенной операцией при получении сквозных отверстий раз­личной формы с прямыми и криволинейными осями, пазов и щелей. Прошивка сквозных отверстий осуществляется полым инструментом с прокачкой абразивной суспензии под давлением через центральное отверстие. В серийном производстве при прошивке используется многоместный инструмент. Так, в пластине из феррита толщиной 1 мм одновременно полу­чают 256 отверстий за 1 мин. Ультразвуковое шлифование используют пре­имущественно для чистовой обработки плоских наружных поверхностей вместо шлифования алмазным инструментом. При этом исключаются дефек­ты, присущие шлифованию, такие, как прижоги и трещины, достигается вы­сокая точность ~0,01 мм, примерно в 2 раза возрастает производительность, снижается шероховатость поверхности. Ультразвуковое удаление заусенцев основано на кавитационном и абразивном разрушении заусенцев. Обработка ведется в рабо­чей жидкости, где обрабатываемые заготовки и абразивные зерна удер­живаются во взвешенном состоянии под действием акустических тече­ний, возбуждаемых ультразвуковыми колебаниями. Ультразвуком ус­пешно обрабатываются заусенцы металлических деталей, полученные при штамповке методами вырубки, литые детали из пластмасс при сня­тии облоя. 1.9.3. ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ К лучевым методам электрофизической обработки относятся электронно­лучевая (ЭЛО) и светолучевая (СЛО) обработки. Различие носителей энергии обусловило технологические особенности методов лучевой обработки. Электронно-лучевая размерная обработка (ЭЛО). При электронно­лучевой размерной обработке для съема материала при формообразовании используют кинетическую энергию сфокусированного пучка электронов. Процесс ЭЛО осуществляется в вакууме при остаточном давле­нии газа 5•10 -2—10-3 Па. Формирование, фокусировка и управле­ние электронным лучом осуществляются в электронной пушке. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются напряжением до 150 кВ, в результате скорость электронов в луче достигает 20·104 м/с. После фокусировки плотность энергии в пучке составляет 108— 109 Вт/см2. Сфокусированный пучок электро­нов проходит в рабочую камеру и бом­бардирует обрабатываемую поверхность. При бомбардировке кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энер­гию обрабатываемого вещества. Преобра­зование происходит при неупругих столк­новениях быстрых электронов с электрона­ми атомов вещества и последующем взаи­модействии возбужденных атомов с атом­ной решеткой, вызывающем увеличение температуры вещества. Электронно-лучевой нагрев ведется в импульсном режиме. При используемой удельной мощности тепловое воздействие луча приводит к разрушению нагреваемого микрообъема материала за время одного им­пульса. Разрушение происходит по механизму взрывного вскипания с выносом материала из зоны обработки в виде паров В результате на бомбардируемом элек­тронным лучом участке поверхности формируется лунка. На поверхности лунки образуется слой оплавленного металла, снижаю­щий точность обработки. Размеры лунки, нагрев и доля жидкого металла на ее стенках регулируются мощностью и длительностью импульса, а также диаметром луча. Формируемые в результате электронно-лучевой обработки поверхности определяются траекторией взаимного перемещения луча и детали. Устанав­ливаемый в рабочей камере манипулятор позволяет придавать заготовке по­ступательное и вращательное движение, а установленная в электронной пушке электромагнитная система развертки позволяет сканировать (переме­щать) электронный пучок по заданному контуру. Основные операции обработки — сверление глухих и сквозных отвер­стий, в том числе под углом к поверхности, — выполняются при неподвиж­ном изделии и луче; фрезерование сквозных и глухих пазов, контурная резка листового материала выполняются при перемещении изделия относительно неподвижного луча или сканировании луча по контуру реза при неподвиж­ном изделии. Схемы ЭЛО: а — перфорация отверстий; б — контурная резка; в — фрезерование сквозных и глухих пазов Процесс импульсной ЭЛО на оптимальных режимах характеризуется наличием минимального количества жидкой фазы и, как следствие, высокой точностью обработки. Область применения ЭЛО. Электронным лучом обрабатыва­ются как электропроводные, так и неэлектропроводные материалы. Их обра­батываемость не зависит от механических свойств материала, а определяется его физическими характеристиками: температурой плавления, теплоемко­стью, удельной теплотой испарения и упругостью пара. В первую очередь электронный луч применяют для размерной обработ­ки твердых труднообрабатываемых материалов, таких, как алмаз, вольфрам, титан, твердые и высоколегированные сплавы, ковар, инвар, кварц, керами­ка, рубин, кристаллы кремния, германия, резистивные пленки на ситалловой и кварцевой подложках. Изготовление единичных сквозных и глухих отверстий при сверлении кремниевых и ситалловых подложек, рубиновых часовых камней, черновом сверлении алмазных волок, при изготовлении топливной аппаратуры двига­телей внутреннего сгорания и других изделий. Метод обеспечивает получение отверстий диаметром 0,01—0,5 мм с максимальной глубиной 10 мм (для металлов) и 15—20 мм (для диэлектриков). Формообразование деталей сложной формы из листа и пластин с ис­пользованием контурной резки. Метод позволяет получать детали из феррита, кремния, германия и фильеры с шириной реза 0,015—0,4 мм при наибольшей глубине обработки 3 мм. ЭЛО обеспечивает высокую точность и малую шероховатость обрабо­танной поверхности. К недостаткам метода относятся: необходимость использования вакуумной среды при обработке любых материалов; ограниченный круг выполняемых опе­раций; высокая стоимость высоковольтного и вакуумного оборудования. 1.9.4. ЛАЗЕРНАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА Использует для съема материала при формообразовании деталей сфокусированный поток электро­магнитной энергии высокой мощности, сформированный оптическим кван­товым генератором (ОКГ). Светолучевая (лазерная) обработка (ЛО) во многих случаях заменяет электронно-лучевую, так как лазерная обработка ведется на воздухе и не требует специальных вакуумных камер. Она позво­ляет обрабатывать любые материалы независимо от их твердости и вязкости. Метод используется для сверления отверстий, вырезания заготовок, фрезе­рования пазов. Благодаря созданию мощного промышленного оборудования лазерная размерная обработка используется не только для обработки прецизионных деталей, но и в машиностроении. Интенсивный поток электромагнитной энергии формируется оптиче­ским квантовым генератором (ОКГ). В зависимости от технологической за­дачи диаметр луча в фокусе оптической системы составляет 0,001—0,2 мм и удельная мощность 1-Ю6—1-Ю9 Вт/см2. Падающий на поверхность обрабатываемого материала световой поток частично отражается, а основная часть его поглощается электронами прово­димости в поверхностном слое материала, увеличивая их энергию. Электро­ны передают энергию кристаллической решетке, вызывая нагрев, плавление и испарение металла. Нагрев при ЛО ведется в импульсном режиме. При удельной мощности 107—108 Вт/см2 тепловое воздействие луча вызывает разрушение нагреваемого материала за время одного импульса. Разрушения происходят по механизму взрывного объемного вскипания с выносом мате­риала в виде паров и капель. Вскипанию способствуют растворенные в мате­риале газы. В результате на участке воздействия лазерного луча формирует­ся лунка. В процессе облучения часть падающего светового луча отражается от обрабаты­ваемой поверхности. Для сни­жения отражения при ЛО используется чернение обра­батываемой поверхности. Эффективным способом повышения КПД процесса газолазерной резки металлов и горючих материалов (поли­меров, дерева и т. п.) является использование в качестве газа струи кислорода или воздуха. Этот процесс получил название газолазерной резки. Струя кислорода способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности; вступая в газотермическую реакцию с нагреваемым материалом, усиливает термические воздействия светового излучения и способствует удалению расплава из зоны реза. Технологические основы процесса ЛО. Для размерной ЛО харак­терны следующие схемы обработки: моноимпульсная — обработка ведется одиночным импульсом ОКГ и отверстие получают за один импульс; много­импульсная — отверстие получают при последовательном воздействии не­скольких импульсов; режим импульсной обработки с перемещением свето­вого луча относительно заготовки; режим фрезерования и газолазерной рез­ки с перемещением светового луча относительно заготовки. Повышение качества и точности обработки обеспечивается уменьшени­ем количества образующейся в процессе формирования отверстия жидкой фазы за счет обработки короткими импульсами и многоимпульсной обработ­ки при минимальной энергии в импульсе. Операции ЛО включают операции резки и контурной обработки лис­тового материала, перфорации и сверления отдельных отверстий, фрезеро­вания сквозных и глухих пазов, скрайбирования, обработки покрытий и пле­ночных структур. Операции сверления прецизионных отверстий, перфорации и фрезеро­вания пазов и скрайбирования производятся преимущественно с помощью импульсных лазеров на гранате и СО2-лазеров, работающих в импульсном периодическом режиме. Технологические возможности лазерной технологии на указанных опе­рациях сравнимы с возможностями электронно-лучевой технологии. При выполнении указанных операций обрабатывают практически лю­бые материалы; получают отверстия малых диаметров (от нескольких мик­рометров до 0,3 мм) с соотношением глубины к диаметру, равным 10—25; метод используется при получении отверстий, ось которых расположена под углом к обрабатываемой поверхности; метод обеспечивает получение как глухих, так и сквозных отверстий пазов. По своей производительности ЛО успешно конкурирует на прецизи­онных операциях с ЭЛО. На сегодняшний день, при выполнении прецизион­ных операций, ЛО уступает ЭЛО по точности, поэтому ЛО часто исполь­зуют в качестве черновой обработки с последующим повышением точности методами механической, ультразвуковой или электрохимической обработки. Наибольшее применение в промышленности среди операций ЛО на­шли операции газолазерной контурной обработки и резки листовых материа­лов толщиной 0,2—10 мм. В этом диапазоне лазерная резка успешно конку­рирует с существующими газоэлектрическими методами, обеспечивая каче­ство реза, достаточное для того, чтобы либо полностью, либо частично ис­ключить последующую обработку кромки. Наиболее целесообразно ее ис­пользование для получения деталей сложного контура в условиях мелкосе­рийного производства из наиболее применяемых конструкционных сплавов: углеродистых и нержавеющих сталей, титана и алюминия. Для прецизионной резки тонколистовых конструкций, прошивки от­верстий и фрезерования пазов в конструкционных материалах использу­ют импульсно-периодическое излучение твердотельных лазеров. В этом случае получают более точные и качественные резы, однако производи­тельность резки в этом случае намного ниже. Расширяется применение лазерной и газолазерной резки и контурной обработки неметаллических материалов. При выполнении операции резки края реза остаются чистыми, а качест­во краев сравнимо с получаемыми при механической резке. 1.9.5. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Ультразвуковая механическая обработка (УЗМОР) включает опера­ции точения, фрезерования, строгания, протягивания, сверления, зенкерования и нарезания резьб. Ультразвуковые колебания прикладываются к инструменту в осевом на­правлении подачи. В зависимости от кинематики движений заготовки отно­сительно режущей кромки они могут быть продольными, крутильными и изгибными. Механизм воздействия ультразвука на процесс обработки за­ключается в снижении сопротивления обрабатываемого материала пластиче­ской деформации в зоне стружкообразования, снижении трения в контактных зонах и облегчении поступления смазочно-охлаждающих веществ (СОВ). Под действием приложенных к инструменту ультразвуковых колебаний напряжения в пластически деформируемой зоне резания приобретают пуль­сирующий характер. Под действием пульсирующих напряжений дислокации перемещаются (также меняя знак), отходя от препятствий и преодолевая их. В результате происходит разблокировка дислокации, число одновременно преодолеваемых препятствий снижается, повышая подвижность дислокации. И, как следствие, происходит снижение сопротивления пластической дефор­мации в зоне резания — снижается сила резания. Колебания инструмента улучшают подвод СОВ в контактные зоны и, повышая скорость перемещения относительно обрабатываемой поверхности, снижают коэффициент трения. Результатом этого являются снижение темпе­ратуры в контактных зонах и исключение образования нароста, снижение пластической деформации обрабатываемой поверхности, ее наклепа и значе­ния остаточных напряжений, улучшение условий схода стружки, повышение износостойкости режущего инструмента. В качестве оборудования при ультразвуковом механическом резании используются стандартные станки, оснащенные сменными ультразвуковыми головками. Эффективность применения способа определяется надежностью работы ультразвуковых головок и качеством акустических контактов. Плазменно-механическая обработка включает локальный нагрев сре­заемого слоя плазменной струёй и последующий съем этого слоя режущим инструментом. Основные затраты энергии при резании идут на пластическую деформа­цию обрабатываемого металла выше поверхности среза. Установлено, что в зоне стружкообразования в процессе пластической деформации углероди­стая сталь нагревается до температур, не превышающих 300 °С. Термиче­ский нагрев зоны до 800—1000 °С увеличивает ее пластичность. При этом снижается усилие деформаций — усилие резания — и уменьшается объем металла, вовлеченного в упругопластическую деформацию при резании. Удаляемый при резании металл нагревают плазменным электрическим разрядом на расстоянии, исключающем разогрев режущего инструмента. Регулированием тока разряда обеспечивается нагрев металла на глубину ре­зания до высоких температур. Увеличение пластичности материала и снижение его сопротивления де­формированию позволяют увеличить производительность процесса резания, при этом в 2—3 раза возрастает стойкость режущего инструмента. Режимы плазменно-механической обработки некоторых материалов приведены в таблице. Из приведенных результатов следует, что при черновом точении нагрев увеличивает производительность обработки в 4—8 раз. Электрохимическое шлифование (ЭХШ) выполняют токопроводящим алмазным или абразивным кругом на металлической связке, являю­щимся катодом в электролите. Преимущества ЭХШ по сравнению с тради­ционным шлифованием следующие: - исключаются сколы и трещины в металле при обработке хрупких сплавов (типа ЮНДК35Т); - исключаются прижоги при обработке вязких сталей (типа 12Х18Н9Т); - резко повышается производительность. Чистовое ЭХШ позволяет выйти на предельно возможную чистоту об­работки обычным методом Ra 0,1. При электрохимическом шлифовании несколько снижается износ круга и его засаливание, обеспечивается обработка материалов, образующих не­растворимые пленки, исключающие обработку материала методами ЭХО. 1.10. ВИДЫ И СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛИ ПРИБОРОВ 1.10.1. Назначение и физико-химические свойства покрытий покрытия - это слой одного или несколько слоев разных материалов, последовательно нанесенных на поверхность детали, для придания поверхностному слою свойств, отличных от свойств основного материала, например, электропроводности, электроизоляционных свойств, твердости, паяемости, износоустойчивости, антикоррозийных свойств, декоративности и т.д. Назначение поверхностных покрытий — защита от коррозии; полу­чение красивого внешнего вида, придание некоторых свойств по­верхностному слою, отличных от основного металла (твердости, электропроводности и др.). По материалу пленок покрытия разде­ляются на металлические, химические и лакокрасочные. Покрытия наносят на металлы, керамику, пластмассы толщиной от десятых долей до сотен микрометров. выбор покрытия и его толщина определяется материалом и назначением детали, особенностями технологии ее изготовления и условиями эксплуатации. С помощью покрытий можно получить принципиально новое сочетание качеств детали на основе применения вакуумного испарения, катодного распыления и некоторых других специальных видов покрытий, а также добиться более высоких физических свойств на дешевом основании. По своему назначению покрытия делятся на з а щ и т н ы е , з а - щ и т н о - д е к о р а т и в н ы е и с п е ц и а л ь н ы е . По виду покрытия м е т а л л и ч е с к и е и н е м е т а л л и ч е с к и е. Металлические покрытия могут быть анодными по отношению к защищаемому металлу, при этом электродный потенциал покрытия является более отрицательным по сравнению с электродным потенциалом защищаемого материала и, следовательно при нарушении покрытия оно должно разрушаться в первую очередь. При катодном покрытии, наоборот электродный потенциал покрытия является положительным по отношению к электродному потенциалу защищаемого материала, и при его нарушении разрушениям в первую очередь будет подвергаться защищаемый материал. Металлические покрытия получают главным образом гальваническим путем из-за большой производительности и точности толщины пленки. Пористость анодных покрытий значительно меньше по сравнению с катодными. Защитно-декоративные покрытия используются для придания деталям декоративного вида с одновременной защитой от коррозии (медь-никель-хром, никель-хром, никель, золото, серебро и лр.). Специальные покрытия служат для придания деталям определенных (новых) физических свойств: твердости, отражательной способности, паяемости, электропроводности с одновременной защитой от коррозии. 1.10.2. Выбор покрытий в зависимости от условий эксплуатации Выбор покрытия и его толщина определяются материалом и назначением детали, особенностями технологии ее изготовления и условиями эксплуатации. согласно ГОСТ 15150-69 группы условий эксплуатации определяются в зависимости от климатического исполнения и категории размещения изделия. При выборе вида покрытия необходимо учитывать условия ра­боты изделия и отдельных деталей. Легкие условия работы имеют абсолютно и постоянно герметизированные и теплоизолированные детали, а также детали аппаратуры, устанавливаемой в закрытых, отапливаемых и вентилируемых помещениях, воздух которых не со­держит отходящих газов. Средние условия эксплуатации имеют детали негерметизированной аппаратуры, работающей в условиях наружной атмосферы при температуре от —60 до +70° С и относи­тельной влажности воздуха 70 ÷ 95% - В жестких условиях работают детали негерметизированной аппаратуры при непосредственном воздействии дождя и снега при температуре от •—60 до +70° С и относительной влажности воздуха до 98%, а также аппаратуры, установленной в местах, доступных скоплению отходящих газов. В зависимости от условий эксплуатации покрытия маркируются. Климатические исполнения для суши, рек, и озер: - у - для умеренного климата; - ухл - для умеренного и холодного климата; - тв - для влажного тропического климата; - тс - для сухого тропического климата; - т - для сухого и влажного тропического климата; - о - общеклиматическое исполнение для суши, кроме районов с очень холодным климатом. Климатические исполнения для морских условий: - м - для умеренно холодного морского климата; - тм - для тропического морского климата; - ом - для умеренно холодного и тропического морского климата; - в - всеклиматическое исполнение для суши и моря, кроме района с очень холодным климатом. Укрупненные категории размещения объектов: 1 - эксплуатация на открытом воздухе в соответствии с климатикой; 2 - эксплуатация под навесом или в помещениях со свободным доступом наружного воздуха (палатка, кузов, прицеп, металлическое помещение без теплоизоляции, а также в оболочке изделия категории 1); 3 - эксплуатация в закрытых помещениях с естественной вентилляцией без искусственного регулирования климатических условий (кирпичные, бетонные и деревянные помещения); 4 - эксплуатация в помещениях с регулируемыми климатическими условиями (производственные, подземные и т.п.); 5 - эксплуатация в помещениях с повышенной влажностью (шахтах, подвалах в почве, трюмах, где возможна конденсация влаги на стенах и потолке). 1.10.3. Классификация и условные обозначения покрытий Классификация покрытий по способу нанесения включает: анодное оксидирование - ан; покрытия окрашивающиеся в процессе анодного окисления металла и его сплавов - аноцвет; покрытия химическим способом - хим.; горячим способом - гор.; диффузионным способом - диф.; металлизацией - мет.; конденсационным (вакуумным) способом - кон.; контактным способом - кт.; вжиганием - вж.; катодным распылением - кр.; эмалированием - эм.; плакированием - пк. Неметаллические неорганические покрытия: оксидное - окс.; хроматное - хр.; фосфатное - фос. Специальные свойства покрытий включают: твердое - тв.; износостойкое - изн.; электроизоляционное - эиз.; шероховатое - шр.; электропроводное - э.; светостойкое - сс.; пористое - пор.; микропористое - мр.; микротрещиноватое - мт. Специальные свойства декоративных покрытий: зеркальное - зк.; блестящее - б.; блестящее из электролита с блесткообразователем - бо.; полублестящее - пб.; матовое - м.; гладкое - гл.; слегка шероховатое - сш.; шероховатое - ш.; весьма шероховатое - вш.; рельефный рисунок - рсч.; кристаллическое - кр.; слоистое - сл. По ГОСТ 2789-73 степень шероховатости покрытий определяется ra, мкм: для гладких покрытий - не менее 0,63; для слегка шероховатых - 0,63...2,5; для весьма шероховатых - более 20. Классификация цветных покрытий включает: - хроматирование (хр.): радужный, желтый, бесцветный, голубой, хаки, зеленый, черный, серый разных оттенков; - тонирование (тн): хроматический яркий; - химическое или электрохимическое окрашивание (хим.окр или элх.окр): черный, коричневый, красный, зеленый различных оттенков; - анодное окисление трех разновидностей: аноцвет - черный, коричневый, зеленый разных оттенков, голубой; наполнение органическими красителями (цвет красителя): непрозрачный, молочный, хроматический яркий; эматалирование (эмт): молочный непрозрачный эмалевый вид, легко окрашиваются органическими красителями. Для обозначения покрытий и способа их нанесения принята буквенно-цифровая система: - для металлических покрытий буквы указывают металл покрытия, цифра после буквы - его тлщину в микрометрах (мкм) и буквы в конце определяют его характеристики или характер дополнительной обработки. Цвет покрытия записывается в конце обозначения полностью, исключая черный (ч). примеры записи покрытий : хим. н6; х.мол.9 ч; м60-с(60)3; аноцвет зеленый; кд. 15.хр.; диф.ц и т.д.; - для лакокрасочных покрытий (лкп) указывают вид покрытия, тип красителя, цвет и нормативную документацию, напрмер: эмаль.ас-182, голубая. гост 19024 - 73. 1.10.4. Характеристики и основные свойства покрытий Металлические покрытия. Основные требования, предъявляемые к металлическим покры­тиям, следующие: 1) прочное сцепление с основным металлом; 2) мелкокристаллическая структура, обеспечивающая наилучшие механические свойства; 3) минимальная пористость; 4) равномер­ная толщина покрытия. В ряде случаев предъявляются и дополни­тельные требования (высокая твердость, износоустойчивость и др.). Рассмотрим основные виды металлических покрытий. Ц и н к о в о е п о к р ы т и е (серебристо-белое) имеет среднюю твердость, выдерживает гибку и развальцовку, сохраняется при свинчивании. оно непргодно для деталей, работающих на трение, плохо выдерживает запрессовку и термообработку, пайку и сварку. На воздухе покрывается белым налетом окиси цинка, неухудшающим свойства покрытия. более надежно цинковое покрытие с хроматированием (цвет радужный с зеленоватым,желтым или золотистым оттенками). предельная рабочая температура Тпред = 250оС. Ц и н к о в а н и е является основным методом защиты от корро­зии деталей из черных металлов. Покрытие хорошо выдерживает развальцовку и изгибы, но плохо паяется и приваривается. Для де­талей, работающих на трение, цинковое покрытие непригодно. Оно не может быть декоративным, так как на воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонкой пленкой окислов. При температуре 70° С во влажной среде цинк быстро корродирует. Длительность защитного действия цинковых покрытий зависит от условий эксплуатации и толщины покрытия. Для изделий, находящихся в легких условиях эксплуатации, минимальная толщина покрытия составляет 7 мкм, для средних условий 15 мкм и тяжелых (влажный воздух, загряз­ненная промышленными газами атмосфера) 30 мкм. Защитные свойства цинкового покрытия можно усилить пассивированием, т. е. обработкой свежеоцинкованных деталей в растворах хромовой кис­лоты или ее солей. В результате цинковое покрытие приобретает зеленовато-желтую окраску. Вместо пассивирования можно приме­нять фосфатирование, в результате которого на покрытии образу­ется цинкофосфатная пленка темно-серого цвета, обладающая вы­сокой механической прочностью и коррозионной устойчивостью. Цинкование часто применяют для защиты от коррозии крепеж­ных изделий (болты, шпильки и др.). К а д м и е в о е п о к р ы т и е (серебристо-белое) применяют для морских условий, обладает высокой эластичностью, выдерживает пайку и сварку, хорошо сохраняется в резьбовых соединениях. Эти покрытия применяют для деталей из стали, меди и ее сплавов, требующих плотной сборки (притираемости) с одновременной защитой от коррозии, более дорогостоящи. кадмиевые покрытия нельзя применять для среды с сернистыми соединениями, а также в закрытых объемах с деталями, пропитанными олифой и высыхающими маслами. Кадмий по своим химическим свойствам весьма близок к цин­ку, но более стоек. В отличие от цинка кадмий нерастворим в ще­лочах. Кадмий хорошо покры­вает углубленные места и применяется для деталей, имеющих резь­бу, подвергающихся развальцовке, вытяжке, гибке. Толщина покрытия берется от 7 до 20 мкм. Большие значения берутся для тяжелых условий работы. Повышение коррозийной устойчивости покрытия достигается дополнительной обработкой в хроматных растворах. Вследствие дефицитности кадмия его применяют только в тех случаях, когда нельзя применить цинковое покрытие. Кадмий токсичен ! Н и к е л е в о е п о к р ы т и е (серебристо-белый цвет с желтоватым оттенком) применяют для защитной и декоративной отделки деталей из стали, меди и алюминия, а также контактных пружин и токопроводящих деталей из меди и медных сплавов. эти покрытия выдерживают гибку и запрессовку, но отслаиваются при клепке и развальцовке. Легко полируются. Твердость - средняя. покрытие катодно по отношению к железу, поэтому необходима его беспористость, или применение многослойных покрытий. Никелирование широко применяется благодаря ценным физико-химическим свойствам никеля. Покрытия хорошо полиру­ются, устойчивы в растворах многих солей и щелочей. Как защитно-декоративное покрытие его применяют обычно с подслоем меди. Толщина слоя никеля берется от 5 до 15 мкм. Никелирование без подслоя применяется лишь для мелких и крепежных деталей. Тол­щина покрытия берется от 12 до 35 мкм. При защитно-декоративном никелировании применяются электролиты, дающие зеркально-бле­стящую поверхность. При введении в электролит солей цинка по­крытие приобретает черный цвет. У черного никеля низкая пластич­ность, плохая прочность сцепления с основным металлом и низкая коррозийная стойкость. Поэтому в этих случаях применяют пред­варительное осаждение подслоя меди или светлого никеля. Толщина слоя черного никеля не превышает 0,5 мкм. Для защиты деталей из кислотоупорных и нержавеющих сталей, работающих яри высоких температурах и в агрессивных средах, применяют никелирование в специальных электролитах. Широкое применение получает никелирование алюминия и его сплавов. При этом повышается устойчивость к химическим воздей­ствиям, к истиранию и устраняется оксидная пленка, препятствую­щая сварке и пайке. Детали сложного профиля и внутренние поверхности, для кото­рых гальваническое осаждение никеля невозможно, можно подвер­гать химическому никелированию. Оно состоит в восстановлении никеля из водных растворов без применения электрического тока. Поскольку восстановление происходит на поверхности изделия, тол­щина выделяющегося никеля на всех участках одинакова незави­симо от конфигурации детали. Процесс химического никелирования ведется при 84÷90° С в стальных эмалированных, керамических и фарфоровых ваннах. Нельзя допускать перегрева раствора, так как при этом выпадает никель. Ванны обычно оборудуют устройством для перемешивания и ударного встряхивания деталей. Нельзя до­пускать соприкосновения деталей между собой, со стенками или дном ванны, так как осадки в результате получаются шероховаты­ми. Процесс сопровождается интенсивным выделением водорода на поверхности изделия. Скорость осаждения никеля составляет 10÷12 мкм/ч. Химическое осаждение никеля на стекло, кварц, пластмассу или бумагу достигается следующим образом. Деталь после обезжири­вания обрабатывают 10%-ным раствором хлористого олова, а за­тем горячим раствором хлористого палладия. После такой обра­ботки деталь сразу же опускают в ванну. Осажденный слой никеля имеет очень малую толщину. Повторение процесса (без обработки хлористым палладием) позволяет получать более толстое покрытие. Х р о м о в о е п о к р ы т и е применяют для защитно-декоративной отделки и повышения износостойкости деталей. На воздухе хром покрывается невидимой пленкой увеличивающей стойкость покрытия. твердость составляет 500...1000нв. Цвет покрытия — голубовато-белый. Осаждаемый на полированную поверхность хром имеет зеркальный блеск с коэффициентом отражения 70%. В некоторых случаях для декоративной отделки или понижения отражения света требуется черный цвет покрытия, что достигается соответствующим составом электролита. В случае износостойкого хромирования тол­щина покрытия составляет 0,3 мм и более. Наиболее часто износо­стойкому хромированию подвергают стальные детали, не имеющие промежуточного слоя из другого металла. Хромирование применяют для придания поверхностному слою высокой коррозийной стойкости, высокой твердости, износо­стойкости и жаростойкости. Недостатки этих покрытий: значитель­ная пористость; плохая смачиваемость маслом; хрупкость. Хром обладает коррозийной стойкостью по отношению ко многим кисло­там, щелочам и солям. Покрытие сохраняет свой блеск и окраску при высоких температурах (до 500° С). Обычные хромовые покрытия плохо смачиваются маслом и припоем. Декоративному хроми­рованию подвергаются детали из стали, меди, алюминия, алюмини­евых, медных и цинковых сплавов. Как самостоятельное покрытие хром может быть применен только для медных и латунных изде­лий. Толщина слоя хрома в этих случаях берется от 3 до 15 мкм. Для изделий из стали, цинковых и алюминиевых сплавов применя­ют подслой из меди и никеля. Многослойные покрытия практически беспористы. Хромовое покрытие по меди или никелю имеет незна­чительную толщину осадка (1÷2 мкм). Несмотря на это хром ока­зывает положительное влияние на покрытие в отношении химиче­ской стойкости и износоустойчивости. П о к р ы т и е ПОС (покрытие оловянно – свинцовое) обладает хорошим сцеплением с основным металлом, эластичностью и химической стойкостью в обычной и морской атмосферах. Покрытие хорошо паяется, выдерживает гибку, вытяжку, развальцовку, штамповку, свинчивание, наносится обычно по гальваническим покрытиям цинка, никеля и меди. Лужение применяют для предохранения от окисления и об­легчения пайки, для герметизации свинчиваемых резьбовых соеди­нений и др. Олово обладает значительной химической устойчивостью: слабо реагирует с растворами кислот и не окисляется под действием влажного воздуха. В условиях атмосферной коррозии олово элект­рохимически не защищает железо. Оловянные покрытия весьма пластичны. Контактные детали (типа лепестков и др.) после гальваническо­го лужения оплавляют в глицерине при 240÷250° С. Между луже­нием и оплавлением не должно проходить более одного часа. Широкое применение получил новый вид декоративного луже­ния, называемый кристаллитом. При этом способе изделия подвергают лужению с толщиной слоя 3÷4 мкм и оплавлению в печах при 280÷350° С. После охлаждения производят повторное лужение в том же электролите. Поскольку условия осаждения по границам зерен и участкам кристаллов различны, выявляются границы зерен 1-го слоя, и поверхность получает узорчатый вид. По к р ы т и е б е л о й б р о н з о й ( м - о ) применяют как защитно-декоративное, а также вместо серебрения для СВЧ трактов, хорошо паяется. Покрытие по внешнему виду похоже на серебряное, не тускнеет под действием сернистых соединений, отличается большим сопротивлением коррозии, по твердости уступает хрому, но лучше никеля. при толщине более 10 мкм поры отсутствуют. Меднение является самым распространенным защитно-деко­ративным покрытием. Гальванически осажденная медь имеет кра­сивый розовый цвет; в условиях атмосферной коррозии легко покры­вается окислами и темнеет. Как самостоятельное покрытие мед­нение применяют для местной защиты стальных деталей от цементации и увеличения электропроводности. Толщина слоя в этом случае составляет 20÷40 мкм. Большое применение медные покры­тия находят в гальванопластике для наращивания медного слоя большой толщины. Обычно медные покрытия применяют в качестве первого подслоя под никель, кадмий, хром, золото и серебро. В этих случаях толщина покрытия берется в пределах 15—30 мкм. С е р е б р я н о е п о к р ы т и е применяется для токонесущих контактирующих деталей, работающих при трении, для трактов свч, монтажных шин и проводов, требующих пайки. Обладает высоким коэффициентом отражения, хорошо паяется с использованием слабоактивных флюсов и полируется, но тускнеет под воздействием сернистых соединений (контакт с эбонитом и резиной). Для декоративной отделки покрытие оксидируют в черный цвет. З о л о т о е п о к р ы т и е легко подвергается износу и истиранию, но устойчиво по отношению к кислотным, щелочным и сернистым соединениям. Н е м е т а л л и ч е с к и е п о к р ы т и я . Химические покрытия. Химические покрытия представляют собой тонкий плотный слой окисла металла детали, образующийся на ее поверхности под дей­ствием тех или иных реагентов. Наиболее широкое применение из химических покрытий получили оксидирование и фосфатироваиие. О к с и д и р о в а н и е применяют для защиты от коррозии черных и цветных металлов. Окисные пленки на черных металлах могут быть получены химическим и анодизаицонным (электрохи­мическим) способами. Химический способ может заключаться в нагревании стальной детали в атмосфере водяного пара или расплавленной селитры. При этом на поверхности образуется защитная пленка толщиной около 1 мкм. Такой способ, в частности, используется для получения изо­ляционных пленок на трансформаторных пластинках. Обычно химическое и электрохимическое оксидирование произ­водится в растворе едкой щелочи. Электрохимическое оксидирова­ние имеет длительность 10÷30 мин при анодной плотности постоян­ного тока 5÷10 А/дм2 и температуре электролита 122° С. Подготов­ка поверхности заключается, как и при гальванических методах, в механической обработке, обезжиривании и травлении. Качество пленок при химическом и электрохимическом оксидировании ста­ли — почти равноценное. Толщина пленок составляет 0,6÷0,8 мкм, но может достигать 1,5÷3 мкм. Пленки — эластичные, но непроч­ные и не могут быть использованы для деталей, работающих в ус­ловиях трения. Вследствие малой толщины и значительной порис­тости оксидные пленки защищают от коррозии при работе в легких условиях. Защитная способность их может быть повышена обра­боткой смазочными маслами или покрытием лаками. Размеры де­талей при оксидировании практически не изменяются. Цвет оксид­ной пленки на малоуглеродистых сталях — черный, на высокоугле­родистых — черный с серым оттенком. Одним из основных методов защиты алюминия и его сплавов от коррозии является анодное оксидирование (анодирова­ние), которое дает возможность получать пленки толщиной 3÷12 мкм. В хромовокислых растворах получаются пленки светло-серого цвета, а в сернокислых — бесцветные. Для уменьшения пори­стости оксидной пленки применяется дополнительная обработка анодированных деталей горячей водой, водяным паром, пропитыва­ние ланолином, парафином, лаками и др. В настоящее время применяют многоцветное анодирование. Для этого на поверхность анодной пленки наносят защитный рисунок. Незащищенные места поверхности обесцвечивают и заполняют дру­гим красителем. После удаления защитного слоя получают двух­цветное изображение. При многократном повторении процесса мож­но получить многоцветное изображение. Оксидирование меди и ее сплавов применяется для защиты от коррозии деталей, работающих в атмосфере с нормальной влажностью. Толщина пленки составляет l÷2 мкм; она — более твердая и износоустойчивая, чем основной металл, и довольно -хорошо со­противляется действию влаги. Лучшее качество покрытия получа­ется при электрохимическом оксидировании. Оксидирование цинка, кадмия, серебра и гальванических покры­тий этими металлами производится при декоративной отделке и защите от коррозии. Для повышения стойкости покрытий изделия покрываются бесцветным лаком. Ф о с ф а т и р о в а н и е применяется при сочетании с защитными смазками или лакокрасочными покрытиями для защиты от корро­зии черных металлов, магния, цинка. Фосфатный слой обладает хо­рошей адгезионной способностью, прочно удерживает масла, лаки и краски, имеет высокое электрическое сопротивление и выдержи­вает напряжение до 1200 В. Жаростойкость пленки составляет 400÷500° С. Фосфатные покрытия используются для изоляции трансформаторных, роторных и статорных пластин. Образование пленки на поверхности производится после вырубки, снятия заусен­цев и отжига пластин. Фосфатирование применяется также для уменьшения трения при разного рода вытяжках и для изоляции по­верхности при лужении, цинковании и т. п. Образование защитной пленки происходит химическим путем. Электрохимическое фосфатирование имеет ограниченное примене­ние вследствие низкой рассеивающей способности ванн. Химическое фосфатирование осуществляется путем погружения деталей в ван­ну, содержащую фосфорнокислые соли железа и марганца. Толщи­на пленки при мелкокристаллическом строении составляет 2÷4 мкм, при крупнокристаллическом 10÷15 мкм. Фосфатирование практически не изменяет размеров детали, так как наряду с ростом толщины пленки происходит уменьшение толщины металла за счет его растворения. Цвет покрытия — светло-серый или темно-серый. Для повышения коррозийной устойчивости необходимо производить дополнительную обработку, которая заключается в нанесении жи­ровых пленок, лаков и красок. П а с с и в и р о в а н и е м е т а л л и ч е с к и х п о к р ы т и й осуществляется путем химической или электрохимической обработки в соответствующих растворах. Х р о м а т н о е п а с с и в и р о в а н и е ц и н к о в ы х и к а д - м и е в ы х п о к р ы т и й . при х и м и ч е с к о м п а с с и в и р о - в а н и и образуется хроматная пленка, состоящая в основном из гидроксохроматов хрома и лишь частично из гидроксохроматов цинка или кадмия. Входящие в состав пленки соединения трехвалентного хрома придают ей зеленый цвет, а шестивалентного - желтый. при нагревании выше 70ос выщелачивается, а защитные свойства пленки снижаются. Х р о м а т н о е п а с с и в и р о в а н и е меди может осуществляться в 10 типовых растворах. Все пленки бесцветные. лучшую коррозионную стойкость обеспечивает состав, содержащий 125-175 г/л хромового ангидрида + нcl и h2so4 . Во влажной, насыщенной сероводородом, атмосфере медь (латунь), защищенная такой пленкой, не имеет следов коррозии в течении 1 года. Ддругое назначение хроматных пленок - защита от облуживания печатного монтажа при групповой пайке печатных плат. П а с с и в и р о в а н и е н и к е л я . Никель имеет склонность к самопассивированию, легко пассивируется уксусной, лимонной, фосфорной, щавелевой, серной и борной кислотами, разбавленными растворами ряда нейтральных солей (сульфатов). Ппассивирование никеля и железа в растворах бихромата калия позволяет уменьшить пористость покрытия. Существует более 20 рецептур химического пассивирования. Бесцветные пленки из разбавленных растворов имеют коррозийную стойкость в солевом тумане 12...14 часов, бесцветные пленки из концентрированных растворов хромовой кислоты - 24...48 часов. Лакокрасочные покрытия Лакокрасочные покрытия применяются для придания поверхности детали антикоррозионных свойств и красивого внешнего вида. Их нельзя применять для деталей, имеющих точные допуски и трущие­ся поверхности, подвергающихся механическим воздействиям и на­греву. Для обеспечения антикоррозийной защиты стальные детали предварительно подвергаются цинкованию, детали из алюминия и его сплавов — анодированию, детали из магниевых сплавов — ок­сидированию. Лакокрасочные покрытия классифицируются по материалу по­крытия, внешнему виду поверхности покрытия (класс покрытия) и по условиям эксплуатации (группа покрытия). Различают четыре класса покрытия (I, II, III, IV), Наиболее высокие требования предъявляются к внешнему виду поверхностей I класса. В этом случае не допускаются дефекты поверхности, ви­димые невооруженным глазом. По степени блеска лакокрасочные покрытия разделяются на глянцевые, полуглянцевые и матовые. Группа покрытия выбирается по условиям эксплуатации (атмосферостойкие А, химически стойкие X, маслостойкие М и др.). Технологический процесс нанесения лакокрасочных покрытий состоит из следующих этапов: подготовка поверхности, грунтова­ние, шпатлевание, нанесение покрытия, сушка. Подготовка поверхности заключается в очистке ее от продуктов коррозии и загрязнений (химическим или механическим способом) и тщательном обезжиривании. Первой операцией окраски является нанесение слоя г р у н-т а толщиной около 20 мкм. Основное назначение этой операции заключается в создании адгезии между металлом и последующими слоями лакокрасочного покрытия. Наиболее часто применяют мас­ляные грунты (свинцовый и железный сурик на олифе), лаковые грунты типа АЛГ-1, АЛГ-5 и др. Грунт можно наносить распыле­нием, окунанием или кистью. После нанесения каждого слоя произ­водят сушку. Выравнивание загрунтованной поверхности производят шпат­леванием. Шпатлевки представляют собой пастообразные мас­сы, состоящие из пигментов, наполнителей и лаков с добавлением или без добавления пластификаторов. Местное шпатлевание заклю­чается в выравнивании отдельных углубленных мест. Затем прово­дят сплошное шпатлевание. Шпатлевки наносят на поверхность при помощи шпателя или краскораспылителя. В последнем случае их разбавляют растворителем. После нанесения шпатлевки поверх­ность сушат и шлифуют мелкой шкуркой. Наносят лакокрасочные покрытия с помощью кисти, окунанием или распылением. Окрашивание кистью — процесс малопроизводи­тельный и применяется для медленно сохнущих лаков, для под­краски поверхности и нанесения обозначений по трафарету. Окуна­ние применяется для деталей, не требующих тщательной отделки и имеющих удобную для стекания краски форму. При этом способе получаются неравномерная толщина пленки и повышенный расход материала. Более высокую производительность и лучшее качество поверхности дает окрашивание распылением. Однако этот метод связан с повышенным расходом материала и необходимостью вести процесс в специальной камере. Наиболее совершенной является окраска в электростати­ческом поле коронного разряда (рис. 12.3). При этом способе изделие устанавливается на конвейер 1, проходящий между электродами 2, которые соединены с отрицательным полюсом ис­точника 3 напряжения постоянного тока в 100 кВ. Коронный разряд, возникающий между электродами и заземленным изделием, иони­зирует молекулы воздуха, находящиеся в электрическом поле. В образующееся электростатическое поле направляется от распылителя 4 струя тонкораспыленной краски. Частицы ее, заряжаясь отрица­тельно, притягиваются к положительно заряженным деталям. При этом способе повышается качество окраски, так как разброс по тол­щине составляет всего 5÷8 мкм (при ручном распылении 50÷70 мкм); повышается производительность труда в 3—4 раза, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда и сокращается расход краски (ее потери составляют всего 5÷10%). Процесс ок­раски может быть полностью ме­ханизирован. Для окраски применяют мате­риалы, образующие гладкую по­верхность (перхлорвиниловые, глифталевые, нитроцеллюлозные и другие эмали) и узорно-декоративную (кристаллический лак «Мороз», морщинистая «Муар» и др.). Заключительной операцией является сушка. Она произво­дится на воздухе естественным способом или в специальных сушильных шкафах, реф­лекторных сушилках и др. Наи­более совершенна сушка инфра­красными лучами. Этот способ дает большую экономию энергии и позволяет значительно сокра­тить производственные площади. Новым и весьма перспективным процессом является горячее напыление пластических масс (полиэтилена, полиамида, полихлорвинила, эпоксидной смолы и др.) на поверхность деталей для защиты их от коррозии, для уменьшения трения сопрягаемых поверхностей, для электрической изоляции, для декоративного оформления. Частицы порошка доводятся до жидкого состояния и распыляются под дав­лением 0,2÷0,4 МПа. Для придания деталям из стали, алюминия, стекла, керамики, графита химической стойкости и высоких электроизоляционных свойств применяют покрытие пленкой из фторопласта-4. Пленку на­носят окунанием или распылением с последующей сушкой. Контроль качества лакокрасочных покрытий и покрытий пластическими массами производят в процессе выполнения отдельных операций и по окончании всего цикла работ. Качество покрытия определяется по внешнему виду в соответствии с требованиями чертежа детали. Толщину покрытия определяют приборами (толщиномером, двойным микроскопом, индикатором и т.п.) или нормированием расхода материала при нанесении покрытия. Пропитка, лакировка, обволакивание, заливка и герметизация намоточных изделий и сборочных единиц. Для повышения электрической прочности изоляции и собственной емкости обмоток, закрепления витков провода, повышения механической прочности намоточных изделий, их тепловой и химической стойкости применяют пропитку, лакировку, обволакивание и заливку. Заливку, обволакивание и герметизацию применяют также для повышения стабильности характеристик и надежности работы некоторых сборочных единиц. Пропиткой называется процесс заполнения пор, трещин, капилляров изоляционных материалов, пустот между конструктивными элементами изделия пропиточными материалами. В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям, и свойств пропиточных материалов применяют следующие виды пропиток: открытая (при атмосферном давлении), под давлением, при вакууме с подогревом, циклическая с подогревом и ультразвуковая. Открытая пропитка. Пропитываемое изделие после сушки погружают в ванну с составом и выдерживают в течение заданного времени. Гидростатическое давление, создаваемое пропиточным составом, вытесняет воздух из изделия. На поверхности пропиточного состава будут выделяться пузырьки воздуха до установления равновесного состояния. Прекращение выделения пузырьков воздуха свидетельствует об окончании процесса пропитки. Этот способ не обеспечивает сквозной пропитки изделия. Пропитка под давлением. Для создания избыточного давления используют нейтральный газ (азот, аргон и т.п.). Намоточные изделия, предварительно просушенные, загружают в автоклав с вязким пропиточным составом, где создается повышенное давление. Режим – циклический, при котором каждые 5 – 10 мин снижают рабочее давление до нормального, а затем снова повышают. После 10 – 15 циклов давление снижают до атмосферного и изделия вынимают из автоклава. Вакуумная пропитка. Ее проводят одновременно с сушкой на специальных установках. Пропитка производится в условиях вакуума при остаточном давлении 0,13 кН/м2 в течение 10 мин. Окончательная пропитка производится при атмосферном давлении в течение 5 – 10 мин. Вакуумная циклическая пропитка. Ее применяют при вязком пропиточном составе. Изделия загружают в бак, нагретый до температуры 80 – 900С, где проводят сушку в течение 5 – 10 при давлении 1,3 кН/м2, а затем пропиточный состав под действием давления нейтрального газа из другого бака перекачивают в первый бак с изделиями. В течение 5 – 10 мин происходит пропитка под давлением. Затем в баке создают давление 0,3 – 0,6 кН/м2 в течение 10 мин, после чего пропиточный состав возвращают в бак сборник. Чередование пропитки под вакуумом и под давлением называют циклической пропиткой. Число циклов зависит от вязкости пропиточного состава и размеров пропитываемого изделия. Ультразвуковая пропитка. Она обеспечивает наиболее высокую производительность и осуществляется в открытых ваннах (при атмосферном давлении) под воздействием ультразвуковых колебаний на пропиточный состав. Применение ультразвука сокращает общее время пропитки в 3 – 5 раз за счет увеличения скорости движения пропиточного состава по капиллярным каналам и увеличения глубины его проникновения. Для ультразвуковой пропитки используется специальное оборудование: ультразвуковой генератор (мощность 10 кВт, частота 22 кГц), ультразвуковая ванна, магнитострикционные преобразователи, которые являются источниками ультразвуковых колебаний. Лакировка. При выборе вещества для пропитки и лакировки учитываются свойства материалов изделий и условия эксплуатации аппаратуры (диапазон рабочих температур, влажность, давление и другие факторы). Процесс пропитки и лакировки состоит из следующих операций: - предварительная сушка с целью удаления влаги из воздушных прослоек, каналов и пор изделия; - пропитка одним из рассмотренных выше методов с целью заполнения пропиточным материалом мест, ранее занятых влагой и воздухом; - сушка пропитанных изделий с целью удаления растворителей из пропитывающего состава и его затвердевания; - нанесение (с помощью кисти, пульверизатором или методом окунания) на поверхность изделия слоя лака для предохранения от проникновения влаги, кислот, щелочей, масел, а также от скопления на изделии пыли и грязи; - сушка после лакировки для удаления растворителей и затвердевания лака. Заливка. Заливкой называется процесс заполнения жидким электроизоляционным составом свободных промежутков между заливаемым изделием и стенками заливаемой формы, что позволяет получать изделия определенных размеров. Операции заливки обычно предшествуют операция пропитки, что значительно повышает влагозащитные свойства готового изделия. На качество заливки большое влияние оказывает конструкция формы. До заливки рабочие поверхности формы покрываются тонким слоем состава, пленка которого имеет плохую адгезию к поверхности формы. Компаунды перед заливкой вакуумируют. Изделия сложной конфигурации заливают в условиях вакуума или под давлением. Обволакивание. Обволакиванием называют процесс нанесения слоя электроизоляционного материала на поверхности изделия; удерживание этого слоя на обволакиваемой поверхности осуществляется за счет адгезии. Обволакивающий состав наносят окунанием, кистью, пульверизатором или под давлением. Покрытие на поверхности изделия является неравномерным по толщине, особенно на острых углах, ребрах и в других местах, где покровный состав имеет возможность стекать, образуя лишь тонкие пленки. Обволакивание изделий несложной формы можно выполнять термопластичными материалами на обычных литьевых машинах или гидропрессах с литьевыми приспособлениями. Метод отличается высокой экономичностью и производительностью. Опрессовка. Опрессовка пластическими массами – это частный случай обволакивания. Защитный слой, наносимый на поверхность деталей и сборочных единиц, удерживается за счет механического сцепления и адгезионных свойств используемых пластических масс. Полная герметизация обеспечивается в том случае, если изделие помещается в герметически запаянный кожух. При этом выводы изделия герметизируются с помощью впаянных стеклянных изоляторов. Футляр или кожух, в которых находится изделие, может быть заполнен заливочным составом. 1.10.5 Технологические основы нанесения покрытий Основные этапы технологического процесса нанесения покры­тий: подготовка поверхности; нанесение покрытий; промывка и сушка детали. Качественное покрытие может быть получено только при условии тщательной подготовки поверхности детали. Подготовка поверхности заключается в механической обработ­ке, обезжиривании и травлении. Механическую обработку произво­дят с целью повышения чистоты поверхности, удаления неровностей, забоин, продуктов коррозии. Для этих целей в гальванических це­хах применяют полирование, крацовку, гидроабразивную обработ­ку. Для удаления жиров с поверхности детали применяют следую­щие способы: промывку в органических растворителях (бензине, керосине); обезжиривание известью; обработку в горячих ще­лочных растворителях (химическим или электрохимическим спо­собом). Промывку в органических растворителях с дополнительной об­работкой в щелочных растворах применяют для очистки от мине­ральных масел. Обезжиривание известью производят путем протир­ки салфетками с кашицей венской извести или отмученного мела. Наиболее эффективные результаты получаются при обработке де­талей в горячих щелочных растворах (70 - 90° С), которые полно­стью удаляют жиры растительного и животного происхождения. Для небольших деталей сложной формы, требующих высокой сте­пени чистоты, применяют ультразвуковую очистку. Процесс ультра­звуковой очистки происходит за счет больших усилий, развиваемых при кавитации. Для ускорения процесса используют растворы, хи­мически действующие на загрязненные детали. Травление применяется для удаления с поверхности обезжирен­ных и промытых деталей пленок, окислов. Производится травление обычно в растворах серной, соляной и азотной кислот. Заключительной операцией подготовки поверхности под покры­тие является декапирование (легкое травление). Осуществляют его путем погружения изделия на 1÷2 мин в 5÷100/0-ный раствор серной или соляной кислоты. С помощью этой операции удаляются с поверхности изделия тонкие окисные пленки и выявляется струк­тура основного металла, что способствует лучшему сцеплению ос­новного металла с металлом покрытия. После декапирования изде­лия промываются проточной водой. Металлические покрытия могут быть нанесены гальваническим, химическим, горячим, диффузионным и металлизационным спосо­бами. Гальванический (электролитический) способ покрытия является наиболее распространенным. Он заключается в осаждении металлов при электролизе водных растворов соответствующих солей. Покрытие наносят в гальванических ваннах, куда деталь поме­щают на специальных подвесках, а мелкие детали — в сетчатые корзинки. Покрываемая деталь служит катодом, а металл покры­тия — анодом. Структура покрытий и равномерность отложения металла зависят от условий электролиза (состава, температуры и чистоты электролита, плотности тока и др). Положительное влия­ние на структуру покрытия оказывает применение тока переменной полярности. Осадки металла получаются более мелкозернистыми и плотными, чем при постоянном токе. Толщина гальванического осадка не бывает равномерной по всей его поверхности. Способность электролитической ванны давать равномерный по толщине осадок называется рассеивающей способностью ванны. Прочность сцепления металла покрытия с основным металлом зависит главным образом от состояния покрываемой поверхности. Присутствие в электролите посторонних примесей не позволяет по­лучить беспористые осадки. Гальванический способ дает возможность получать покрытия высокого качества и строго определенной толщины. К числу недо­статков относятся пористость и невозможность получения равно­мерного осадка на всех участках поверхности детали сложной формы. Химический способ является наиболее совершенным. При этом способе осаждение металла производится из специальных растворов без применения электрического тока. Он дает возмож­ность покрывать детали сложной формы и внутренние поверхности, которые недоступны для покрытия гальваническим способом. Горячее покрытие получают при погружении покрываемо­го изделия в ванну с расплавленным металлом (Zn, Sn, Pb и др.); в результате взаимного растворения металлы прочно сцепляются. Для горячего покрытия применяют металлы, имеющие относитель­но низкую температуру плавления. Недостаток способа — невоз­можность получения равномерных по толщине покрытий. Диффузионный способ заключается в совместном нагре­вании изделий и порошка металла покрытия при высокой темпера­туре или нагревании изделия в парах летучих соединений металла либо в парах самого металла. Этот способ применяют для покрытия стальных деталей цинком (шеррадизация), алюминием (алитированне), кремнием (силицирование). Металлизационными методами являются непосредственное нанесение расплавленного металла, вакуумное испарение и катодное распыление. Непосредственное нанесение расплавленного металла осуществляется обычно при помощи ме-тализаторов (рис. 12.2). Проволокоподающий ме­ханизм 1 подает две про­волоки 2, к которым под­веден электрический ток, в направляющие наконечники 3. При со­прикосновении концов проволок образуется электрическая дуга, расплавляющая их. Струя сжатого воздуха через сопло 4 распы­ляет расплавленный металл. Этим методом можно наносить покры­тия из любого металла независимо от материала основания. Кро­ме получения декоративных и антикоррозийных покрытий, метал­лизация находит применение для устранения дефектов в литье и ремонтных работах. К числу недостатков относятся хрупкость и не­большая прочность слоя покрытия. После нанесения покрытия детали промывают в воде. Сушка выполняется в сушильных шкафах обычно при 110÷120oC в тече­ние 5÷10 мин или обдувкой чистым сухим воздухом. Толщину покрытия можно контролировать химическими метода­ми (метод струи, метод капли и др.) и физическими (взвешивание до и после покрытия, магнитный и радиоактивный методы). Сущность наиболее распространенного химического метода кон­троля покрытий, называемого методом капли, заключается в том, что участок покрытия удаляется каплями раствора. Они на­носятся и выдерживаются в течение определенного промежутка времени. Толщину покрытия рассчитывают по числу капель, кото­рые наносят до тех пор, пока не обнаружится участок основного металла. К методам контроля толщины покрытий без разрушения отно­сятся физические методы. Они основаны на различии магнитных проницаемостей материалов детали и покрытия, различии удельных электросопротивлений материалов детали и покрытия, различии атомных номеров и др. 1.11. ВЫБОР, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ Выбор оборудования. При выборе оборудования анализируют способы формирования типовых поверхностей деталей для определения наиболее эффективных методов их обработки, учитывая при этом назначение и параметры изделия. Выбор оборудования производят по главному параметру изделия, в наибольшей степени выявляющему его функциональное значение и технические возможности. Применение того или иного оборудования определяется не только экономической целесообразностью, но и необходимостью обеспечения требуемого качества изготовления изделия. Особое внимание необходимо обращать на возможность механизации и автоматизации производственных процессов и повышения производительности труда. Выбор технологической оснастки (приспособления и инструмент). Приспособлением называются вспомогательные устройства для выполнения операций механической обработки, сборки, контроля, испытаний, изменения ориентации и транспортировки. Выбор технологической оснастки предполагает выполнения целого комплекса работ: - анализ конструктивных характеристик изготавливаемого изделия (габаритные размеры, материал, допустимые погрешности, геометрия и шероховатость поверхностей и др.); - анализ организационных и технологических условий изготовления изделия (схема базирования и фиксации, вид технологической операции, организационная форма процесса изготовления); - группирование технологических операций для того, чтобы определить наиболее приемлемую форму технологической оснастки и повысить коэффициент ее использования; - определение исходных требований к технологической оснастки; - отбор номенклатуры оснастки, соответствующей установленным требованиям; - определение исходных данных для проектирования и изготовления новых конструкций оснастки. Конструкцию оснастки необходимо определять, учитывая стандарты и типовые решения для данного вида технологических операций на основе габаритных размеров, вида заготовки, характеристик материалов, допустимых погрешностей, шероховатости обрабатываемых поверхностей, технологических схем базирования и фиксации заготовок, характеристик оборудования и объемов производства. Для качественного изготовления деталей используют различного вида приспособления, применение которых повышает производительность труда, облегчает условия труда, обеспечивает возможность использования станочного парка при переходе на новый объект производства, возможность регулирования длительности технологических операций, сокращение сроков ТПП. Так, например, станочные приспособления являются дополнительными устройствами к станкам, служат для обеспечения необходимого расположения обрабатываемой детали по отношению к станку и инструменту, расширяют технологические возможности оборудования. По целевому назначению приспособления можно разделить на следующие основные группы: 1. Станочные, используемые для установки и закрепления заготовок в соответствии с требованиями ТП. 2. Приспособления для установки и закрепления рабочего инструмента. 3. Сборочные, используемые для выполнения соединений сопрягаемых деталей в сборочные единицы (СЕ), узлы и целые изделия. 4. Контрольные. 5. Приспособления для захвата, перемещения и перевертывания обрабатываемых заготовок, СЕ, узлов и изделий. 6. Приспособления для загрузки оборудования штучными заготовками. 7. Приспособления для автоматических линий. По степени специализации, в зависимости от типа производства, приспособления подразделяются на: - универсальные; - универсально-сборные; - специальные; - переналаживаемые. Универсальные приспособления (УП) – преимущественно применяются в условиях единичного и мелкосерийного производства. Они могут быть стандартными или специальной конструкции. К числу УП можно отнести: машинные тиски, патроны, делительные головки, планшайбы, координатные столы и др. Затраты вспомогательного времени на обслуживание УП достаточно велики. УП приводятся в действие как вручную, так и с использованием пневматических, гидравлических и других силовых приводов. Это один из путей совершенствования технологической оснастки и повышения производительности труда. Универсально-сборочные приспособления (УСП) – также применяются, в основном, в единичном и мелкосерийном производстве. УСП создаются по принципу стопроцентного применения в них стандартных и нормализованных деталей и узлов. Сущность системы УСП заключается в том, что из одних и тех же элементов создается каждый раз новое приспособление с разным расположением и разным сочетанием одних и тех же частей. УСП применяются для всех видов механообработки, при сборочных и сварочных операциях, при контроле. В системе УСП применяются как ручные, так и пневматические, гидравлические и другие приводные системы. Для УСП характерна цикличность применения: монтаж УСП, наладка и эксплуатация на рабочем месте, демонтаж и хранение для следующего применения. Средний комплект УСП состоит примерно из 1500 – 2000 деталей, которые обеспечивают сборку 200 – 250 различных приспособлений. Время необходимое на сборку составляет обычно 2 – 3 часа. Специальные приспособления – обеспечивают необходимое качество продукции и максимальную производительность труда при наиболее эффективном использовании оборудования. Область применения – крупносерийное и массовое производство. Это приспособления одноцелевого назначения и они составляют примерно 75% всего парка приспособлений. В мелкосерийном и единичном производстве, характерном для аэрокосмического приборостроения, специальные приспособления применяются редко. Переналаживаемые приспособления. Рассмотренные выше приспособления являются непереналаживаемыми, они создаются для изготовления конкретной детали и не имеют сменных элементов для установки и крепления различных деталей. В этом их недостаток и ограничение для применения в единичном и мелкосерийном производстве. В настоящее время все большее применение находят переналаживаемые приспособления. К числу переналаживаемых приспособлений относятся: - универсально-наладочные; - сборно-разборные; - групповые специализированные наладочные приспособления. Переналаживаемые приспособления принципиально отличаются от других видов приспособлений тем, что имеют сменную наладку. Переналаживаемые приспособления состоят из двух основных частей: - базовое приспособление, которое применимо для группы деталей, схожих по конструкторско-технологическим признакам; - сменных установочных, делительных и других элементов. Базовое приспособление обычно снабжено быстродействующим механизированным зажимом, имеет элементы для базирования наладок (установочные пальцы, шпонки, Т-образные пазы и др.). Там, где требуется, имеются поворотные и делительные устройства с элементами фиксации и зажима поворотной части. Сменные элементы делаются простыми по конструкции, имеют небольшую металлоемкость, легко переставляются на базовом приспособлении при смене изготовляемых деталей. Переналаживаемые приспособления имеют ряд преимуществ перед другими видами. Их применение позволяет повысить производительность труда, улучшить условия труда рабочих и значительно сократить цикл и объем работ по проектированию и изготовлению оснастки. Они позволяют применить методы изготовления, характерные для крупносерийного и массового производства, в мелкосерийном и единичном производстве. Применение переналаживаемых приспособлений в большой степени способствует внедрению групповых методов обработки. При выборе приспособлений особое значение имеют расчеты погрешностей установки и выбор технологической базы, на которую устанавливают заготовку. 1.12. ГРУППОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В основе групповой технологии лежит объединение (группирование) деталей по общности не только их конструктивного оформления, но и общности технологических операций и переходов обработки деталей, что позволяет в условиях единичного и мелкосерийного производства, характерного для аэрокосмического приборостроения, изготавливать большинство деталей высокопроизводительными методами, характерными для крупносерийного и массового производства. Метод групповой технологии основан на классификации с выделением групп деталей, для обработки которых требуется однотипное оборудование, общие приспособления и настройка станка. При групповом методе в основу положен принцип классификации деталей по видам обработки и по общности технологического маршрута. В настоящее время групповые ТП находят широкое применение не только в механообработке, но и при сборке и монтаже электронной аппаратуры (групповые методы пайки, пленочные технологии идр.). Внедрение групповой технологии требует проведение следующих этапов: 1. Классификация деталей (группирование). 2. Разработку ТП для группы деталей. 3. Проектирование групповых приспособлений и инструментальных наладок. 4. Модернизация оборудования и создание специализированного технологического оборудования для обеспечения высокой степени автоматизации. При проектировании групповых ТП механической обработки окончательное определение группы связывается с выявлением «комплексной» детали, которая содержит все геометрические элементы (поверхности), обрабатываемые на деталях данной группы по групповому методу. «Комплексная» деталь может быть как реальной (то есть одной из деталей группы), так и гипотетической, состоящей из комбинации геометрических элементов (поверхностей), присущих данной группе. Разработанный для «комплексной» детали ТП применим для изготовления любой детали данной группы. Групповые приспособления и наладка оборудования также проектируются на «комплексную» деталь. Часто групповые ТП охватывают не все операции изготовления, каких либо деталей, а только часть. На других операциях используют единичные ТП. На рис.1.1 приведен пример группирования деталей для механической обработки (токарная обработка) и «комплексная» деталь для данной группы. Рис. 1.1. Пример группирования деталей для механической обработки На рис. 1.1 заглавными буквами (Б – Л) обозначены детали, входящие в группу для токарной обработки (А – «комплексная деталь»), а цифрами типовые поверхности, имеющиеся в различных деталях группы. 1.13. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ Стандарты и другие нормативные документы определяют несколько видов технологических документов, которые регламентируют технологический процесс: - маршрутная карта; - операционная карта; - карта эскизов; - комплектовочная карта; - ведомость оснастки; - ведомость материалов и др. Маршрутная карта – технологический документ, содержащий описание ТП изготовления (включая контроль) по всем операциям различных видов в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, приспособлениях, инструменте, материальных и трудовых нормативах. Маршрутная карта является обязательным документом в любом комплекте технологической документации. Операционная карта - технологический документ, содержащий описание технологической операции с указанием переходов, режимов обработки и данных о технологическом оборудовании, приспособлениях и инструменте. Карта эскизов - технологический документ, содержащий эскизы, схемы, таблицы, необходимые для выполнения технологического процесса, операции или перехода изготовления изделия. Для сборочных и монтажных операций эскиз может быть заменен рабочим чертежом сборочной единицы или монтажной схемой. Таблицы и технические требования размещаются на свободном поле карты эскизов справа или внизу. Документация ТП сборки обязательно включает в себя комплектовочную карту, в которую вносят данные о деталях, СЕ и материалах, входящих в комплект собираемого изделия. Запись данных производится в технологической последовательности выполнения операций. Технологические инструкции составляются только на сложные операции, для которых недостаточно кратких указаний, помещаемых на картах эскизов. Например, по пропитке, заливке, склеивании, окраске, регулировке и др. Технологические инструкции содержат изложение последовательности технологических операций, описание производственных установок со схемами и эскизами, подробное описание каждой операции, переходов приемов работы, режимов эксплуатации оборудования, перечень всех применяемых материалов, а также мероприятия, обеспечивающие безопасность труда по ходу выполнения технологического процесса. 1.14. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ 1.14.1. ПАРАМЕТРЫ ШЕРОХОВАТОСТИ Качество поверхности характеризуется шероховатостью, волнистостью и физико-механическими свойствами поверхностного слоя. Оно является результатом воздействия на этот слой технологических методов обработки. При обработке резанием величина, форма и направление шероховатостей зависят от методов обработки, материала детали, режимов и схем обработки, степени затупления инструмента. Стандартами установлены следующие параметры шероховатости (рис. 1.1). Рис. 1.1. Определение параметров шероховатости поверхности 1. Среднеарифметическое отклонение профиля Rа определяется из абсолютных значений отклонений профиля от средней линии в пределах базовой длины 1 ℓ Rа =---- ∫│y(x)│dx , или приближенно ℓ 0 1 n Rа =---- ∑ │yi│ n i=1 Средняя линия проводится так, что среднеквадратическое отклонение профиля от этой линии на базовой длине ℓ должно быть минимальным. Допустимые значения Rа = 0,008 – 100 мкм; ℓ = 0,01 – 25мм. 2. Высота неровностей профиля по 10 точкам Rz, представляющая собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины 1 5 5 Rz = --- (∑│hi max│ + ∑│ hi min│. 5 i=1 i=1 Допустимые значения Rz = 0,025 – 1600 мкм. 3. Набольшая высота неровностей Rmax - расстояние между линией выступов профиля и линией впадин в пределах базовой длины ℓ. 4. Средний шаг неровностей профиля Sm - среднеарифметическое значение шага неровностей в пределах базовой длины ℓ. 5. Средний шаг неровностей профиля по вершинам S – среднеарифметическое значение шага неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины ℓ. 6. Относительная опорная длина профиля tp – отношение опорной длины профиля к базовой длине. Опорная длина профиля – сумма длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемая на заданном уровне. Требования к шероховатости устанавливаются по одному или нескольким из шести указанных выше параметров. На практике наибольшее применение нашли Rа и Rz. Рассмотрим структуру обозначения шероховатости на чертежах (Рис.2.2). Рис. 2.2. Структура обозначения шероховатости на чертеже Существует несколько методов измерения параметров шероховатости поверхности. 1. Профилометрами (Rz = 0,02 – 5 мкм) методом ощупывания поверхности алмазной иглой с определением Rz по шкале прибора. 2. Профилографами (Rz = 0,025 – 80 мкм) путем записи микропрофиля на профилограмме с последующей расшифровкой. 3. С помощью двойных микроскопов (МИС – 11, ПСС – 2 и др.), использующих метод светового сечения исследуемой поверхности (Rz = 0,8 – 80 мкм). 4. С помощью интерференционных микроскопов (МИИ – 4 и др.) в лабораторных условиях при контроле прецизионных деталей (Rz = 0,025 – 0,6 мкм). 5. Интегральными методами: по расходу пропускаемого воздуха; по количеству отраженного света; по износу графитовой палочки, прижимаемой с определенным усилием к перемещающейся с заданной скоростью измеряемой поверхностью. 6. Методами сравнения с образцовыми экземплярами поверхности. При этом используют микроскопы различной конструкции. Волнистость. Волнистостью называют совокупность периодически чередующихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим применяемую при измерении шероховатости базовую длину (рис. 2.3). Она занимает промежуточное положение между шероховатостью и макрогеометрией (погрешностями формы) поверхности. Для шероховатости ℓ/H < 50, для волнистости L/Hв = 50 ÷ 1000, для макрогеометрии L/Hв > 1000. Рис. 2.3. Разновидности дефектов поверхности Волнистость измеряют профилографами с использованием алмазной иглы большого радиуса, чем при измерении шероховатости, а также приборами для измерения некруглости, индикаторами, другими специальными приборами. Волнистость также как и шероховатость, в большинстве случаев, отрицательно влияет на эксплуатационные свойства деталей (износ, контактная жесткость, герметичность, ослабляет натяг в неподвижных посадках). На возникновение волнистости влияют вибрации технологической системы СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь) с низкой частотой и большой амплитудой колебаний, возникающие из-за неточности составляющих технологической системы или ее неправильной эксплуатации. Физико-механические свойства поверхностного слоя детали характеризуются его твердостью, структурой, величиной, знаком и глубиной деформации материала. Физико-механические свойства поверхностного слоя детали зависят от выбора методов и режимов обработки детали. При обработке резцами, фрезами воздействуют в основном силовые и температурные нагрузки, при шлифовании – температурные. Наклеп – уплотнение поверхностного слоя. Он возникает при накатывании поверхностей роликами и шариками, обеспечивающими пластическую деформацию поверхностного слоя, что снижает величину микронеровностей, и возникают сжимающие напряжения, увеличивающие прочность. Однако чрезмерный наклеп при накатывании ведет к разрушению (шелушению) поверхностного слоя. Обеспечение требуемого качества поверхностного слоя достигается рациональным выбором видов, последовательности, режимов и условий обработки деталей, а также методов упрочнения поверхности. Способы измерения физико-механических свойств деталей достаточно сложны и проводятся, как правило, в лабораторных условиях. Применяются прибор для измерения микротвердости ПМТ - 3 и другие методы, такие как рентгеновский, структурной электронографии, дефектоскопии и др. 1.14.2. ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ Шероховатость поверхности оказывает большое влияние на эксплуатационные свойства деталей. Износ. Большая высота и шаг шероховатости приводят к увеличению приработочного износа сопрягаемых деталей (двигатели, трущиеся поверхности и др.). Это приводит к быстрому износу, уменьшению сроков эксплуатации. На износ также влияют форма микронеровностей и их направление, острые неровности изнашиваются быстрее, чем плосковершинные. Прочность. При большой высоте микронеровностей снижается прочность деталей, особенно работающих при знакопеременных и ударных нагрузках, так как впадины профиля являются местами концентрации напряжений и образования усталостных трещин. Например, при запрессовке микронеровности сминаются, ослабляют натяг и уменьшают прочность соединения. Коррозийная стойкость уменьшается, и коррозия идет быстрее при большой высоте микронеровностей, из-за увеличения площади соприкосновения с окружающей средой. Герметичность. При большой высоте микронеровностей уменьшается из-за уменьшения контактной жесткости и фактической площади контакта. Большая величина микронеровностей влияет и на другие эксплуатационные свойства деталей: теплопроводность, контактное сопротивление, сопротивление протеканию жидкостей и газов и др. Однако иногда необходимо иметь и большую (оптимальную) величину микронеровностей, например, для удержания слоя смазки между трущимися деталями, для увеличения трения в тормозных системах, увеличения поглощательной способности поверхности и др. 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СБОРКИ И МОНТАЖА В АЭРОКОСМИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ 2.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ И МОНТАЖА Сборкой называется ТП координирования и соединения деталей и СЕ в соответствии с ТУ, то есть не просто собрать, а чтобы собранное изделие отвечало требованиям ТУ. В основе сборки лежит ТП, объединяющий совокупность технологических операций, в результате выполнения которых детали соединяются в СЕ различной степени сложности, в конечном счете, образующие готовое изделие. Существует несколько видов соединений: 1. Неподвижные неразъемные – детали и СЕ занимают неизменное положение относительно друг друга. Нельзя разобрать без разрушения одной из деталей. Осуществляются: сваркой, пайкой, склеиванием, развальцовкой, запрессовкой, клепкой и другими методами. 2. Неподвижные разъемные – детали и СЕ соединяются с помощью резьбовых соединений, соединений штифтами, шплинтами, шпонками и др. 3. Подвижные разъемные соединения – подвижные посадки, шлицевые соединения, направляющие различной конструкции. Исходными документами при проектировании ТП сборки являются: сборочные чертежи, как всего изделия, так и отдельных его элементов, ТУ, программа выпуска изделий и руководящие технические документы. Задачей проектирования ТП сборки и монтажа является разработка такого ТП, который обеспечивает выполнения технических требований при наименьших материальных затратах на его реализацию и наибольшей производительности труда. Для аэрокосмического приборостроения характерны сборка и монтаж в три уровня. Первый уровень – механическая сборка: - выполнение неразъемных соединений деталей, СЕ и узлов с шасси, рамой, платой изделия методами сварки, пайки, склеивания, клепки и др.; - установка крепежных деталей: угольников, панелей и др.; - сборка подвижных частей узлов и блоков; - контроль правильности выполнения операций. Второй уровень – выполнение электрических соединений (монтаж): - заготовительные операции (подготовка проводов, жгутов, кабелей, выводов электрорадиоэлементов (ЭРЭ); - установка ЭРЭ на платы (позиционирование, крепление, пайка, очистка, влагозащита); - сборка узлов на шасси (плате), выполнение межузловых электрических соединений; - контроль и регулировка изделий. Третий уровень – общая сборка приборного комплекса: - установка узлов, СЕ на базовые несущие конструкции (БНК); - окончательная регулировка комплекса и закрепление регулировочных элементов; - установка кожухов, панелей и др. Проектирование ТП сборки, как часть ТПП, характеризуются большой трудоемкостью и сложностью. В современном приборостроении трудоемкость сборочных работ доходит до 50% общей трудоемкости изделия. Последовательность проектирования ТП сборки и монтажа сводится к разработке следующих документов: - схемы сборочного состава; - технологической схемы сборки; - технологических карт сборки; - производственных технологических карт контроля; - единичных и типовых ТП сборки; - технологических инструкций; - норм времени. Схема сборочного состава. Схемы сборочного состава разрабатываются на основании чертежей общего вида, сборочных чертежей, монтажной и других схем изделия. Они отражают структуру изделия и последовательность его сборки. Применяют два типа схем сборочного состава. Рис. 2.1. Схема сборочного состава с базовой деталью 1. Схема сборочного состава с базовой деталью (рис. 3.1). В качестве базовой обычно выбирают ту деталь, поверхности которой будут впоследствии использованы при установке в готовое изделие или при креплении узла к ранее собранным узлам. В большинстве случаев базовой деталью служит: плата, панель, шасси, основание, фланец и др. Стрелками на рис. 3.1 показана последовательность сборки изделия. К базовой детали 1 – 1 сначала присоединяют деталь 1 – 2, в результате чего образуется сборочная единица Сб. 1, затем присоединяют сборочную единицу Сб. 2, состоящую из деталей 2 – 1, 2 – 2, 2 – 3, и так далее до получения готового изделия. Внутри прямоугольников указывают не только номер, но и наименование детали, а также их количество, необходимое для сборки. 2. Схема сборочного состава веерного типа (рис. 3.2 Такая схема дает лучшее представление о составе и структуре изделия, то есть она более наглядная. Стрелками на рис.3.2 показана последовательность сборки изделия. В этой схеме в первом нижнем ряду располагают детали (ЭРЭ для электронных узлов) или основной материал (для применения основного материала указывают его название и количество в тех или иных единицах измерения), во втором ряду – сборочные единицы первой степени сложности (часть изделия, состоящая только из деталей и основных материалов, которые применяются при сборке: припои, пропитки, намоточные провода и др.), в третьем – сборочные единицы второй степени сложности (входят СЕ первой степени сложности, а также детали и основные материалы) и так далее до получения изделия. Расположение деталей и СЕ слева направо на схеме должно отражать последовательность сборки изделия. Рис. 2.2. Схема сборочного состава веерного типа Схема сборочного состава, дополненная поясняющими надписями (содержание технологической операции) представляет собой технологическую схему сборки. Она в более полной мере отражает последовательность, а также особенности выполнения сборочных операций. На основании разработанных схем сборочного состава выявляют основные сборочные операции и определяют наиболее целесообразную структуру общего ТП сборки изделия. При единичном и мелкосерийном характере производства можно ограничиться разработкой маршрутной технологии, в которой перечисляются только операции в их последовательности. 2.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДОСТИЖЕНИЯ ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ ПРИ СБОРКЕ Точность представляет собой важнейшую характеристику качества ТП. Задача оценки технологической точности заключается в определении допусков, получаемых при выбранном ТП, и сравнении расчетных и заданных значений допусков. Выбор метода сборки для данного объема выпуска и типа производства должен производиться на основании расчета и анализа размерных цепей. 2.2.1. Расчет сборочных размерных цепей. Размерной цепью называется совокупность взаимно связанных размеров, образующих замкнутый контур (Рис. 2.3). Замыкающее звено АΔ непосредственно не задается, а получается последним в процессе обработки деталей или сборки. В сборочных цепях за замыкающее звено принимают зазор в соединении, совпадение осей симметрии двух деталей и др. При этом зазор или натяг рассматривают как самостоятельное звено, которое, правда, может быть равно и 0. Увеличивающим называется звено размерной цепи, с увеличением которого замыкающее звено увеличивается (А2 ). Уменьшающим называется звено размерной цепи, с увеличением которого уменьшается замыкающее звено. Расчет ведут следующими методами. Метод максимум-минимум. Номинальный размер замыкающего звена плоской размерной цепи с параллельными звеньями определяется по формуле m-1 АΔ = ∑ ξi Аi, i=1 где АΔ - номинальный размер замыкающего звена; Аi – номинальный размер i-го составляющего звена; i = 1,2,…,m – порядковый номер звена; ξi – передаточное отношение, представляющее собой коэффициент, характеризующий влияние погрешности i-го составляющего звена на замыкающее звено. В общем случае ξi есть частная производная, показывающая влияние i-го размерного звена на замыкающее звено. Для плоских размерных цепей с параллельными звеньями: ξi = +1 для увеличивающих составляющих звеньев; ξi = - 1 для уменьшающих составляющих звеньев (то есть показывает знак в сумме). Связь между допуском замыкающего размера Δn и допусками составляющих звеньев цепи выражается формулой m-1 Δn = ∑│ ξi │ Δni, i=1 где Δni – поле допуска i-го составляющего звена. Координата середины поля допуска XΔ замыкающего звена выражается формулой m-1 XΔ = ∑ ξi Xi , i=1 где Xi – координата середины поля допуска i-го составляющего звена. Теоретико-вероятностный метод. Метод максимум-минимум не учитывает характер рассеяния размеров. Наибольшее и наименьшее значение размера замыкающего звена определяют по предельным значениям размеров составляющих звеньев размерной цепи (то есть по предельным отклонениям, заданными допуском на размер). При решении задач теоретико-вероятностным методом, то есть с учетом характера рассеяния размеров, сочетания предельных значений исключают как маловероятные. В общем случае зависимости АΔ = f (А1,А2,…Аn) связь между допуском замыкающего размера и допусками составляющих размеров выражается формулой 1 n АΔ =--- t √∑ ξi2 λi2 Аi2, 3 i=1 где t – коэффициент риска (определяется из таблиц); λ – коэффициент относительного рассеяния (для нормального закона λ=1, равновероятного – 1/3, треугольного – 1/6). Координаты середины поля допуска замыкающего звена Δ0 связаны с координатами середины полей допусков составляющих звеньев Δ0i следующим уравнением m-1 Δ0 = ∑ ξi Δ0i. i=1 Предельные отклонения размеры любого звена размерной цепи определяются по формулам δ δ Δв = Δ0 + -- ; Δн = Δ0 - -- , 2 2 где Δв, Δн – верхние и нижние предельные отклонения звена размерной цепи; Δ0 – координаты середины поля допуска звена; δ – допуск звена. Задачи по размерным цепям делят на два типа: прямые и обратные. К прямой относится задача, в которой по известному допуску замыкающего размера требуется определить допуски и отклонения на все составляющие размеры размерной цепи. К обратной относится задача, в которой неизвестными являются только допуск и отклонения одного из размеров размерной цепи – замыкающего или одного из составляющих. 2.2.2. Методы достижения заданной точности при сборке Существуют 5 методов достижения заданной точности замыкающего звена размерной цепи: 1. Полной взаимозаменяемости. 2. Неполной взаимозаменяемости. 3. Групповой взаимозаменяемости (селективная сборка). 4. Метод регулировки. 5. Метод пригонки. Метод полной взаимозаменяемости. Называется метод взаимозаменяемости, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается при включении в нее или замене в ней любого звена без выбора, подбора или изменения его величины (то есть, другими словами, из двух групп собираемых деталей можно брать любые и они должны собираться без подбора и без подгонки). Достоинства метода. 1. Простота достижения точности замыкающего звена. Сборка превращается в простое соединение деталей. 2. Облегчено нормирование процессов сборки во времени. 3. Широкие возможности механизации и автоматизации ТП сборки. 4. Возможность кооперирования различных цехов и заводов по изготовлению отдельных деталей и СЕ. 5. Применение малоквалифицированной рабочей силы при сборке изделия. Недостаток метода – трудность достижения высокой точности составляющих звеньев размерной цепи, то есть необходимость изготовления деталей изделия с высокой точностью, что приводит к высоким финансовым и временным затратам. При использовании метода необходимо соблюдение ряда условий: а) расчет допусков и координат середины полей допусков составляющих звеньев рассчитывают по методу максимум-минимум, то есть при наиболее неблагоприятном сочетании погрешностей, когда все звенья размерной цепи имеют отклонения в худшую сторону, и, следовательно, имеют минимальный допуск, то есть высокую точность m-1 Δn = ∑│ ξi │ Δni, i=1 m-1 XΔ = ∑ ξi Xi . i=1 б) при этом наибольший интерес представляет решение прямой задачи (исходя из заданной точности замыкающего звена, определить точность изготовления составляющих звеньев), так как она не имеет однозначного решения. Ее обычно решают одним из следующих способов: - методом назначения равных значений допусков для всех звеньев размерной цепи; - методом пробных расчетов или методом последовательных приближений (устанавливаются допуски для всех звеньев размерной цепи, кроме одного, допуск которого определяется расчетным путем); - способом равных квалитетов точности для всех звеньев размерной цепи. Метод неполной взаимозаменяемости. При расчете размерных цепей по методу максимума-минимума требования к точности изготовления деталей завышены, а гарантии точности – избыточные, так как сочетание крайних значений отклонений встречаются достаточно редко по сравнению со средними значениями, что подтверждается теорией точности ТП и практикой (нормальное распределение погрешностей изготовляемых изделий при устойчивом и стабильном технологическом процессе). Методом неполной взаимозаменяемости называется метод взаимозаменяемости, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается не у всех объектов, а только у определенной их части. При применении данного метода на составляющие звенья размерной цепи назначаются расширенные (менее точные) допуски, что удешевляет изготовление изделия в целом, но при этом идут на риск получения брака, так как не все изделия соберутся. Методу сборки по принципу неполной взаимозаменяемости соответствует теоретико-вероятностный метод расчета сборочной размерной цепи. При этом точность параметров любого звена характеризуется его дисперсией или среднеквадратическим отклонением. Для нормального закона распределения погрешностей составляющих звеньев поле допуска замыкающего звена равно 2 n 2 Δxо = кн2 ∑ Δxi , I=1 где Δxi = хi max – xi min – поля допусков составляющих звеньев размерной цепи; Δxо – поле допуска замыкающего звена; кн – коэффициент надежности, который зависит от количества собираемых изделий. Сборку по методу неполной взаимозаменяемости рационально применять для изделий с числом составляющих звеньев более шести и при невысокой точности выходного параметра изделия. Метод особенно успешно применяется в серийном производстве. Основной недостаток – достаточно большое незавершенное производство, то есть не все детали собираются в изделие. Их смешивают с вновь поступившими на сборку и продолжают сборку. Метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка). Этот метод еще называется селективной сборкой. Суть его заключается в том, что допуска назначаются не жесткие, как по методу неполной взаимозаменяемости, а перед сборкой детали сортируются по величине отклонения параметра от номинала таким образом, что при сборке изделий из деталей, относящихся к одноименным группам, внутри этих групп обеспечивается полная взаимозаменяемость. Часто качество изделий определяется не только точностью обработки деталей и сборки по геометрическим параметрам, но и надежностью, механическими, физическими и другими свойствами деталей, полученными в результате ТП изготовления. Область применения селективной сборки достаточно велика. Она может выполнять, например, задачу соединения отдельных деталей с различными физическими и механическими свойствами в комплект, выходные характеристики которого должны выдерживаться в строго заданных пределах. Селективная сборка широко применяется в современной электронике, так как малые размеры современных электронных компонентов исключают применение регулировочных и подгоночных элементов, а стабильность характеристик микросхем и полупроводниковых приборов невелика. Для компенсации разброса характеристик и применяется соответствующий подбор электронных компонентов, комплект которых подается на сборку. Область применения селективной сборки ограничена рядом условий. Экономические ограничения связаны с дополнительными расходами, вызванными необходимостью измерения м сортировки всех деталей, хранения и доставки деталей сформированных групп на сборку. Для решения вопроса о применении метода необходимо рассматривать структуру себестоимости изделия, точность сборки которого может быть достигнута различными методами. К организационно-технологическим ограничениям следует отнести нецелесообразность применения метода селективной сборки в единичном и мелкосерийном производстве. И даже при применении в крупносерийном и массовом производстве сдерживающим фактором является незавершенное производство. Оно возникает потому, что при группировании в одноименных группах оказывается неодинаковое количество деталей. В то же время, при селективной сборке возможно из одних и тех же деталей собирать изделия с разными допусками на выходной параметр, то есть изделия различного качества. Естественно, что цена изделий с разным качеством будет разная. Таким образом, комплектуя изделия из уже готовых деталей, но с разными показателями качества (например, точности изготовления деталей), соответственно, разной ценой можно получить максимум суммарной прибыли, так как изделия с меньшей точностью не бракуются, а продаются по более низкой цене. В производстве радиоэлектронной аппаратуры, особенно в условиях крупносерийного и массового производства, метод селективной сборки является единственным для достижения требуемой выходных параметров изделия. Метод селективной сборки особенно эффективен, когда законы распределения погрешностей деталей в одноименных группах идентичны, при этом незавершенное производство минимально. Метод регулировки. Методом регулировки называется метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением компенсирующего звена без снятия слоя материала: - изменением положения одной из деталей, ее линейным перемещением или поворотом – подвижный компенсатор; - введением в размерную цепь специальной детали требуемого размера или с требуемым относительным поворотом ее поверхности – неподвижный компенсатор. Если компенсация выходной величины производится непрерывно или бесступенчато, то такой способ называется регулировкой. В этом случае в качестве подвижных компенсаторов используются эксцентрики, резьбовые втулки, пружины, муфты и др. При ступенчатой компенсации используют неподвижные компенсаторы – пакеты прокладок, промежуточные кольца, шайбы и др. По знаку изменения замыкающего звена размерной цепи компенсаторы делятся на односторонние и двусторонние. Преимущества метода регулировки: - возможность достижения заданной точности замыкающего звена при изготовлении составляющих звеньев по экономически выгодным в данных производственных условиях допускам, то есть все звенья размерной цепи, кроме одного, изготавливаются с расширенными допусками и за счет звена-компенсатора достигается требуемая точность замыкающего звена; - при использовании метода регулировки появляется возможность периодически или непрерывно, вручную или автоматически сохранять требуемую точность замыкающего звена в процессе эксплуатации; - возможность взаимной компенсации погрешностей, используя детали с положительными и отрицательными отклонениями погрешностей; - отсутствие пригоночных работ, то есть работ со снятием слоя материала. Метод пригонки. В тех случаях, когда использование в конструкции изделия компенсаторов нежелательна, в основном, из за уменьшения жесткости и прочности конструкции, требуемую точность замыкающего звена размерной цепи обеспечивают доработкой одной детали. Такой метод называется пригонкой. Чаще всего этот метод применяется в механических соединениях, где путем притирки, шлифовки и других операций обеспечивают заданную точность соединения. Метод также применяется и в электрических элементах (изменением витков катушек индуктивностей или проволочных резисторов и др.). Преимущество – возможность расширения допусков составляющих звеньев (то есть изготавливать менее точно) при достижении заданной точности за счет подгонки одного звена. Недостаток – дорогостоящие доводочные работы, что влечет непостоянство времени на пригонку, неудобства применения метода в серийном и массовом производстве. 3. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ 3.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В современном аэрокосмическом приборостроении очень велик удельный вес электронных узлов. Это обусловлено сложностью задач, решаемых аэрокосмическим оборудованием, высокой точностью и быстродействием, высокой надежностью изделий. В условиях широкого применения функционально-блочного принципа конструирования основным элементом конструкции стали узлы на печатных платах (УПП). Основные тенденции развития УПП следующие: - повышение степени интеграции элементной базы, улучшение характеристик электрорадиоэлементов (ЭРЭ) по быстродействию, рассеиваемой мощности, числу входов и выходов и др.; - применение элементной базы, характерной для технологии поверхностного монтажа: корпусов с планарными и матричными выводами, «безвыводных» резисторов и конденсаторов, керамических ЭРЭ; - разработка печатных плат (ПП) с повышенной теплоотводящей способностью, пониженным термическим расширением, керамических, металлических и др.; - расширение номенклатуры элементной базы; - монтаж с размещением ЭРЭ на обеих сторонах ПП. Печатные платы. Печатная плата является основным конструктивным элементом, объединяющим систему печатных и других проводников, смонтированных на ней ЭРЭ, в единый функциональный узел. Одновременно ПП является механическим и теплоотводящим элементом конструкции узла на печатных платах. Сущность печатного монтажа состоит в создании на изоляционном основании тонких слоев определенной конфигурации из токопроводящего материала, выполняющих функции монтажных проводов, контактных деталей и разъемов. Конфигурация и размеры печатных проводников зависят от метода изготовления ПП. Поэтому параметры печатного монтажа оговариваются конкретно для случая применения того или иного метода. Основные параметры печатного монтажа следующие: - толщина токопроводящего слоя – 35 – 50 мкм, с увеличением толщины слоя ухудшается сцепление (адгезия); - минимальная ширина проводника зависит от метода изготовления, плотности тока – 0,1 – 0,3 мм; - минимальный зазор между краями проводников зависит от напряжения пробоя, геометрии краев проводников – 0,1 – 0,3 мм; - прочность сцепления проводников и контактных площадок с основанием ПП – 1,5 – 2,0 МПа; - расстояние между печатными проводниками и краями ПП – 0,3 мм; - расстояние от края печатного проводника до края отверстия, в которое вставляется вывод ЭРЭ – 0,3; - шаг координатной сетки. Один из важнейших параметров. Координатная сетка упорядочивает конструирование ПП, позволяет широко применять САПР. Отверстия на ПП всегда выполняются в узлах координатной сетки. Выводы ЭРЭ также связаны с шагом координатной сетки (2,5; 1,25; 0,625;0,5 мм). Все навесные ЭРЭ, входящие в печатный узел, устанавливаются на ПП и соединяются с печатным монтажом с помощью пайки или микросварки. Другие детали, входящие в состав печатного узла, закрепляются на ПП механическими способами (с помощью винтов, гаек, развальцовкой, расклепкой, приклеиванием и др.). Конструкция аэрокосмических приборов, в которых используются ПП, отличается малыми габаритами и массой, компактностью построения. В качестве материалов для оснований ПП используются различные листовые электротехнические и фольгированные материалы, керамику, гибкую фторопластовую пленку, но основным материалом являются различные виды стеклотекстолита. Конструкция и способ изготовления ПП определяет не только схемотехнические характеристики, надежность изделия, но и его технологичность. В условиях широкой автоматизации и применения современной и перспективной элементной базы появляется ряд дополнительных требований, которые необходимо выполнить при конструировании ПП: - повышаются требования к точности изготовления фиксирующих элементов ПП при закреплении ее на сборочно-монтажном оборудовании; - необходимо оптимизировать расстояние между выводом ЭРЭ и стенкой монтажного отверстия, что улучшает качество пайки; - для уменьшения числа регулировок технологического оборудования и количества оснастки должно быть сведено к минимуму число типоразмеров ПП; - необходимость согласования коэффициентов линейного теплового расширения ПП и ЭРЭ, особенно с жесткими выводами, а также улучшения теплоотвода ПП при применении интегральных схем с высокой степенью интеграции. 3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Метод изготовления ПП оказывает существенное влияние на схемно-конструктивные и эксплуатационно-экономические характеристики ПП. Поэтому при разработке изделия на выбор метода изготовления ПП должно быть обращено самое серьезное внимание. Выбор метода изготовления должен производиться уже на этапе эскизной компоновки изделия, в результате определяются габариты ПП и плотность печатного монтажа, то есть определяется метод и необходимый класс ПП. Классификация методов изготовления ПП приведена на рис. 3.2 Рис. 3.2. Субтрактивные – методы, при которых в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Аддитивные – методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего материала на диэлектрическое основание. Субтрактиные методы. Химический - химическое травление фольгированной заготовки из стеклотекстолита в растворе хлорного железа. Скорость травления зависит от концентрации раствора хлорного железа и температуры раствора и составляет 20 – 30 минут. Комбинированный – субтрактивные методы с дополнительной химико-гальванической металлизацией монтажных отверстий. Существует два варианта метода: негативный и позитивный. Негативный метод. Вначале производится травление меди с пробельных мест, а затем выполняется сверление отверстий и металлизация. Металлизация осуществляется следующим способом: сначала производится химическое меднение отверстий, а затем гальваническое осаждение меди в отверстиях, на проводниках и контактных площадках. Позитивный метод. При этом методе вначале выполняется сверление отверстий и их металлизация, а затем травление пробельных мест. Сплошной слой фольги защищает поверхность диэлектрика от химических воздействий. Аддитивные методы. По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и полуаддитивные (химико-гальванические). При химическом методе на каталитически активных участках поверхности диэлектрика происходит химическое восстановление ионов металла для обеспечения толщины токопроводящих дорожек 35-50 мкм и толщины покрытия в отверстиях не менее 25 мкм. В современных растворах скорость осаждения меди составляет 2-4 мкм/час и для получения необходимой толщины требуется довольно длительное время. Полуаддитивный (химико-гальванический) метод является более производительным, при этом сначала химическим методом выращивается тонкий слой (1-5 мкм), а затем наращивают до необходимой толщины избирательно электролитическим осаждением. Преимущества аддитивных методов: - однородность структуры, так как и проводники на поверхности ПП и металлизированные отверстия получаются в едином химико-гальваническом процессе; - устранено подтравливание элементов печатного монтажа; - равномерность толщины токопроводящего слоя; - повышается плотность монтажа; - упрощение ТП из-за устранения некоторых операций (нанесение защитного покрытия, травление); - экономия меди, химикатов и затрат на нейтрализацию сточных вод. Недостатки аддитивных методов: - низкая производительность процесса химической металлизации (1-2 мкм в час); - интенсивное воздействие электролитов на диэлектрик ПП, что значительно ухудшает эксплуатационные свойства ПП; - трудность получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Методы создания рисунка. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью, плотностью монтажа, производительностью технологического оборудования. Офсетная печать – изготавливают печатную форму, на поверхности которой формируют рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской и затем переносится на поверхность ПП. Метод широко применяется в крупносерийном и массовом производстве. Минимальная ширина проводников и пробелов 0,3-0,5 мм (1 и 2 классы плотности монтажа). Точность воспроизведения изображения ± 0,2 мм. Недостатки: высокая стоимость оборудования, трудность изменения рисунка ПП, высокая квалификация персонала. Сеткография – метод основан на нанесении специальной краски через сетчатый трафарет специальным инструментом – резиновой лопаткой (ракелем). Высокая производительность. Точность и плотность монтажа такие же, как и при офсетной печати. Фотохимический метод – контактное копирование рисунка печатного монтажа, сделанное с фотошаблона (масштаб 1:1) на основание ПП, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом). Очень высокая точность нанесения рисунка (±0,05 мм), высокая плотность монтажа (ширина проводников и пробелов 0,1-0,25 мм, 3-5 классы плотности), метод автоматизирован, высокая гибкость – смена фотошаблона. Предварительно на фольгированную заготовку наносят специальный светочувствительный материал (фоторезист). Затем через трафарет светочувствительный слой засвечивают и получают защитный слой. Далее путем химического травления удаляется незащищенный слой фольги. После получения рисунка печатного монтажа, защитный слой удаляют промывкой и нейтрализацией. К недостаткам метода следует отнести: - процесс химического травления ведет к ухудшению разрешающей способности и ограничивает минимальные размеры печатных проводников; - большой непроизводительный расход медной фольги при травлении; - диэлектрик платы подвергаются воздействию химических реагентов4 - отсутствие металлизации в отверстиях при двустороннем печатном монтаже. Метод переноса. Имеет несколько разновидностей. Заключается в получении печатных проводников на стальной матрице в гальванической ванне с последующим впрессовании их в изоляционное основание. Схема метода представлена на рис. 3.3. На матрицу 1 из нержавеющей стали кислотоустойчивой краской 2 наносят рисунок ПП через сетчатый трафарет. В гальванической ванне на незащищенные краской участки матрицы 1 осаждается слой меди 3. Затем защитный слой краски снимают с помощью растворителей, а матрицу 1 с проводниками 3 накладывают на слой изоляционного материала 4, пропитанного смолой. При нагревании под давлением происходит отвердение смолы, образование слоя пластика и вдавливание в него печатной схемы. Затем матрицу сдвигают с поверхности слоистого пластика, на котором остается печатная схема, вдавленная в изоляционное основание на уровне его поверхности. Рис. 3.3. Изготовление печатных плат методом переноса Разновидность метода заключается в том, что рисунок на матрице делается выпуклым и медь в гальванической ванне осаждается на выпуклости, затем рисунок из меди впрессовывается в диэлектрическое основание, в качестве которого используются стеклопластики или фенопласт. Достоинства метода: - полностью исключено воздействие кислот и щелочей на диэлектрическое основание ПП, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики узлов на ПП; - отпадает необходимость в активации основания ПП для получения хорошего сцепления медной фольги с диэлектриком (адгезия). Недостатки метода: - сложность и длительность процесса изготовления; - низкая гибкость метода из-за сложности изменения рисунка печатного монтажа; - невозможность осуществления металлизации монтажных отверстий. 3.3. СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Механическая обработка ПП. В производстве печатных плат до 60% трудовых затрат приходится на механообработку. К операциям механической обработки относятся: резка заготовок оснований ПП; фрезерование контура плат и окон в них; сверление отверстий и др. Для резки заготовок оснований ПП из фольгированных и нефольгированных листовых диэлектриков используются механические ножницы: роликовые и гильотинные. Для формирования контура печатных плат и фрезерования окон используются фрезерные и копировальные станки. При механической обработке ПП категорически запрещается применение смазочных и охлаждающих жидкостей. Охлаждение следует производить только чистым сжатым воздухом. Изготовление фотооригиналов и фотошаблонов. Для того, чтобы получить печатную схему на основании ПП, необходимо иметь ее фотошаблон. Фотошаблоны изготавливаются на основе оригинала ПП. Оригинал ПП – это чертеж печатного монтажа, выполненный в увеличенном масштабе. Оригиналы выполняются, как правило, в позитивном изображении (печатный монтаж – черный, пробельные места – белые) в масштабе 2:1, 4:1, 5:1 и более в зависимости от размеров ПП. Оригинал ПП, как правило, выполняется на белом ватмане черной тушью. Фотошаблон ПП – негативное изображение печатной схемы, выполненное на безусадочной фототехнической пленке в масштабе 1:1 или на особо контрастных фотопластинках, органическом стекле, винипрозе и подобных материалах. Изображение печатного монтажа на фотошаблоне должно быть черно-белым и контрастным. Контрольный экземпляр фотошаблона, предназначенный для размножения фотошаблонов, должен изготавливаться только на силикатных фотопластинах. Подготовка поверхности фольгированного диэлектрика к монтажу. Выполняется механическим или химическим способом. Механический способ: - декапирование (снятие окисной пленки соляной кислотой); - промывка; - зачистка поверхности на станках с металлическими щетками; - повторная промывка; - повторное декапирование; - промывка, сушка; - контроль качества зачистки поверхности. Химический способ: - обезжиривание; - промывка; - декапирование; - подтравливание в слабом растворе хлорного железа; - промывка, сушка; - контроль качества зачистки поверхности. Монтаж навесных электрорадиоэлементов. Навесные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) перед установкой и закреплением на ПП должны быть соответствующим образом подготовлены – выводы выпрямлены, подрезаны, загнуты и облужены. Обычно эти трудоемкие процессы выполняются на специальных автоматических или полуавтоматических установках, к которых параллельно также осуществляется контроль ЭРЭ по электрическим параметрам с разбраковкой «годен», «негоден» и укладка в технологические кассеты. Последние предназначены для транспортировки элементов и лужения их выводов. Установка ЭРЭ на печатной плате производится ручным или автоматизированным способом. Автоматизированный процесс монтажа ПП состоит в следующем: ЭРЭ сначала «заряжают» в магазин агрегата подготовки, а затем устанавливают на ПП с помощью автоматической сборочной головки, которая выполняет операции формовки выводов, установки ЭРЭ, подгибки и подрезки выводов. В настоящее время широкое применение находят сборочно-монтажные линии отечественного и импортного производства, где все операции по подготовке, установке, пайке, отмывке и влагозащите узлов на ПП выполняются автоматически. 3.4. МНОГОСЛОЙНЫЕ ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ Применение многослойных печатных плат (МПП) позволяет повысить плотность монтажа и уменьшить габариты печатных плат и изделий в целом. Кроме того, появление больших интегральных микросхем и микропроцессоров с большими функциональными возможностями и большим количеством выводов не позволяют осуществить разводку схемы на двух сторонах ПП. Однако применение МПП приводит к значительному усложнению технологического процесса и повышению трудоемкости изготовления изделий по сравнению с изделиями, выполненными на двусторонних печатных платах. Применение МПП значительно снижает контролепригодность и ремонтопригодность узлов на ПП. Тем не менее, МПП находят достаточно широкое применение. Конструкторско-технологические методы изготовления МПП могут быть подразделены на две группы: с применением операций химико-гальванической металлизации (МПП с межслойными соединениями); без применения химико-гальванической металлизации (МПП без межслойных соединений). Метод изготовления МПП металлизацией сквозных отверстий. Этот метод наиболее перспективный, обеспечивающий изготовление печатных плат с большим (теоретически неограниченным) числом слоев. Технологический процесс изготовления МПП по этому методу заключается в том, что прессование (склеивание) всех печатных слоев платы ведется одновременно с помощью прокладочной стеклоткани, пропитанной смолой. Изготовление внутренних слоев МПП производится на одностороннем фольгированном диэлектрике химическим методом. Изготовление наружных слоев производится комбинированным позитивным методом. Межслойные соединения выполняются в виде металлизированных отверстий, обеспечивающих соединение внутренних слоев через торцы контактных площадок, образующихся в отверстиях при сверлении. Наряду с односторонним фольгированном диэлектриком может применяться и двусторонний, в этом случае на заготовках внутренних слоев могут быть выполнены соединения в виде металлизированных отверстий. При изготовлении МПП на нетравящемся диэлектрике для повышения надежности межслойных соединений производится гальваническое осаждение меди на торцы контактных площадок. С этой целью все проводники внутренних слоев печатной платы соединяются технологическими проводниками. Технологический процесс изготовления МПП металлизацией сквозных отверстий может быть выполнен в трех вариантах: - на травящемся диэлектрике с получением рисунка схемы наружных слоев сеткографией; - на травящемся диэлектрике с получением рисунка схемы наружных слоев фотоспособом; - с применением гальванического наращивания торцов контактных площадок в отверстиях. Метод изготовления МПП попарным прессованием. Сущность метода заключается в том, что внутренние слои МПП изготавливаются на одной стороне заготовки двустороннего фольгированного диэлектрика. Между рисунком схемы внутреннего слоя и сплошным слоем фольги наружного слоя выполняются межслойные соединения в виде металлизированных отверстий комбинированным негативным методом. Полученные заготовки спрессовываются (склеиваются) при помощи прокладочной стеклоткани. Наружные слои МПП и межслойные соединения между ними в виде металлизированных отверстий выполняются комбинированным позитивным методом. Технологический процесс обеспечивает изготовление МПП с надежными межслойными соединениями, но с малым количеством слоев (не более четырех). Процесс обеспечивает изготовление плат, предназначенных для установки электрорадиоэлементов со штырьковыми и планарными выводами. Метод изготовления МПП послойным наращиванием. Сущность метода заключается в последовательном напрессовывании (наклеивании) диэлектрика и выполнении схем на каждом слое МПП. Вначале на заготовку из фольги напрессовывается слой тонкого диэлектрика, перфорированного в местах межслойных соединений. На поверхность фольги в перфорированные отверстия гальванически осаждается медь, заполняющая их на толщину диэлектрика. Затем на поверхность диэлектрика осаждается слой меди, на котором выполняется рисунок схемы внутреннего слоя. Напрессование диэлектрика, выполнение межслойных соединений и рисунка схемы повторяются по количеству слоев. На последний слой МПП напрессовывается сплошной слой диэлектрика. На стороне платы, покрытой фольгой, используемой для контактирования всех слоев в процессе гальванического наращивания, выполняется наружный слой МПП. Схема технологического процесса изготовления МПП методом послойного наращивания приведена на рис. 3.4. Рис. 3.4. Схема технологического процесса изготовления МПП методом послойного наращивания В соответствии со схемой основными этапами процесса являются: а) изготовление заготовок стеклоткани и фольги; б) изготовление диэлектрика прессованием стеклоткани, нанесение клея на поверхность диэлектрика, перфорирование диэлектрика; в) напрессование 1-го слоя перфорированного диэлектрика на фольгу; г) выполнение контактных переходов, химическое и гальваническое меднение поверхности диэлектрика; д) получение рисунка схемы 2-го слоя МПП, травление меди с пробельных мест, удаление защитного слоя рисунка схемы (раздубливание); е) напрессование 2-го слоя перфорированного диэлектрика; ж) выполнение контактных переходов, химическое и гальваническое меднение поверхности; з) получение рисунка 3-го слоя МПП, травление меди с пробельных мест, удаление защитного слоя рисунка схемы (раздубливание); и) напрессовывание 3-го слоя перфорированного диэлектрика; к) выполнение контактных переходов, химическое и гальваническое меднение поверхности диэлектрика; л) получение рисунка 4-го слоя МПП, травление меди с пробельных мест, удаление защитного слоя рисунка схемы (раздубливание); м) напрессование 4-го слоя перфорированного диэлектрика; н) выполнение контактных переходов, химическое и гальваническое меднение поверхности диэлектрика; о) получение рисунка 5-го слоя МПП, травления меди с пробельных мест, удаление защитного слоя рисунка схемы (раздубливание); п) напрессование последнего слоя диэлектрика, сборка пакета; р) получение рисунка схемы наружного слоя, нанесение защитного слоя рисунка схемы (раздубливание), травление меди с пробельных мест, осветление защитного металлического покрытия, механическая обработка МПП, маркировка, контроль, нанесение технологического защитного покрытия, упаковка. Метод изготовления МПП с выступающими выводами. Сущность метода заключается в одновременном прессовании перфорированных заготовок печатных слоев с введенными между ними изоляционными прокладками. Межслойные соединения отсутствуют. Выступающие выводы, выполненные в виде полосок медной фольги, выходят из внутренних слоев в перфорированные окна на наружную поверхность платы и образуют контактные площадки или подпаиваются к контактным площадкам наружного слоя. Для изготовления МПП применяется диэлектрик, пропитанный неполностью полимеризованным составом. Диэлектрик перфорируется, к нему приклеивается медная фольга и заготовка доводится до полной поляризации. Окна в диэлектрике используются для установки в них ЭРЭ. Полученная заготовка покрывается со стороны диэлектрика химически стойким лаком, который защищает фольгу во время травления. Лак удаляется после окончания процесса получения схемы. Собирается МПП из нескольких слоев в пресс-форме. Схема технологического процесса изготовления МПП методом выступающих выводов приведена на рис. 3.5. Рис.3.5 Схема технологического процесса изготовления МПП методом выступающих выводов В соответствии со схемой основными этапами процесса являются: а) изготовление заготовок стеклоткани и фольги; б) перфорирование стеклоткани в штампе; в) прессование перфорированной стеклоткани с фольгой; г) получение рисунка схемы слоев МПП на спрессованных заготовках, термическое дубление под инфракрасными лампами при температуре 70 – 900С; д) травление меди с пробельных мест, удаление защитного слоя рисунка (раздубливание), удаление слоя лака; е) прессование МПП; ж) отгибка выступающих выводов на планки, приклеивание накладок к МПП, облуживание поверхности выводов, удаление флюса с поверхности платы, механическая обработка МПП, маркировка, контроль, упаковка. Метод изготовления МПП с открытыми контактными площадками. Сущность метода заключается в одновременном прессовании печатных слоев с пробитыми отверстиями. Отверстия располагаются над контактными площадками нижних слоев МПП, что обеспечивает свободный доступ к ним. Межслойные соединения отсутствуют и выводы ЭРЭ подпаиваются непосредственно к контактным площадкам. Для обеспечения большей жесткости МПП спрессованные слои напрессовываются на жесткую подложку. Напрессовывание слоев производится как на одну, так и на обе стороны подложки. Схема технологического процесса изготовления МПП методом открытых контактных площадок приведена на рис. 3.6. Рис.3.6 . Схема технологического процесса изготовления МПП методом открытых контактных площадок В соответствии со схемой основными этапами процесса являются: а) изготовление заготовок фольгированного диэлектрика; б) подготовка поверхности заготовок, получение рисунка схемы МПП; в) травление меди с пробельных мест, удаление защитного слоя рисунка схемы (раздубливание), нанесение слоя клея на заготовки со стороны диэлектрика; г) пробивка отверстий в слоях; д) прессование слоев МПП; е) напрессовывание заготовок МПП на диэлектрик, облуживание поверхности контактных площадок, удаление флюса с поверхности платы, механическая обработка МПП, маркировка, контроль, нанесение защитного технологического покрытия, упаковка. 3.5. ГРУППОВЫЕ МЕТОДЫ ПАЙКИ Пайкой называется образование соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации. К технологическим материалам при пайке относятся припои, контактные покрытия, а также материалы, компоненты которых непосредственно не входят в состав образующегося паяного соединения, но участвуют в его образовании. К ним относятся паяльные флюсы, активные и инертные газовые среды, вещества ограничивающие растекание припоя (стоп-материалы), и др. Припои подразделяются на две группы – готовые и образующиеся при работе. Готовые припои. Наиболее широкое применение при пайке находят готовые припои. Они подразделяются по следующим признакам: по величине их температурного интервала плавления; степени расплавления при пайке; основному или наиболее дефицитному компоненту; способности к самофлюсованию; способу изготовления и виду полуфабрикатов. Температурный интервал плавления припоя – важнейший признак. Такой интервал ограничен температурой начала (солидус) и конца (ликвидус) плавления припоя. По температуре конца расплавления припои разделяют на пять классов: особолегкоплавкие (tпл ≤ 145оС); легкоплавкие (145оС ≤ tпл ≤ 450оС); среднеплавкие (450оС ≤ tпл ≤ 1100оС); высокоплавкие (1100оС ≤ tпл ≤ 1850оС); тугоплавкие (tпл ≥ 1850оС). Число различных припоев, разработанных к настоящему времени, весьма велико и продолжает непрерывно увеличиваться, но в аэрокосмическом приборостроении в основном применяются особолегкоплавкие и легкоплавкие припои. Восемь легкоплавких металлов – ртуть (tпл = 38,87оС), галлий (tпл = 29,78оС), индий (tпл = 156,4оС), олово (tпл = 231,9оС), висмут (tпл = 27139оС), свинец (tпл = 327оС), кадмий (tпл = 321оС), цинк (tпл = 419оС) – дают возможность получать большое количество различных припоев с температурой плавления в пределах 39 – 145оС и 145 – 450оС. Такие припои нашли широкое применение в электронике, электротехнике, приборостроении. Наибольшее применение находят оловянно-свинцовые припои (ПОС). Введение в эти припои меди, никеля, магния и цинка повышают их прочность, висмута и цинка – увеличивает их смачивающую способность и легкоплавкость. Наиболее распространены припои с температурой плавления 183оС. В современном приборостроении существует множество различных способов пайки. Рассмотрим некоторые из них. Пайка погружением. Способ заключается в том, что все выводы ЭРЭ одновременно припаиваются к контактным площадкам при погружении платы в расплавленный припой. Этот способ пайки предъявляет определенные технические требования к монтажу ЭРЭ и конструкции платы. Во всех случаях монтажа концы выводов ЭРЭ должны быть плотно прижаты к контактным площадкам или к зенковке металлизированных отверстий. Между поверхностями выводов ЭРЭ и отверстий в плате необходимо выдерживать оптимальные зазоры для обеспечения хорошего затекания припоя. Процесс пайки погружением состоит из следующих основных операций: обезжиривания; наклейки маски; покрытия подготовленной поверхности флюсом; пайки; удаления маски; отмывки флюса; сушки и контроля. Для обезжиривания плату погружают в специальные растворители. После выдержки (7 – 10 сек) плату извлекают из растворителя и обдувают сжатым воздухом до полного высыхания. Защитные маски штампуют из бумажной ленты, покрытой костным клеем. При штамповке в маске образуются отверстия для крепления платы в процессе пайки. Сторону маски, покрытую клеем, смачивают водой, накладывают на нее плату и плотно прижимают на 2 – 4 мин. Затем плату укрепляют в зажимном приспособлении и в горизонтальном положении погружают в ванну с флюсом на глубину 0,8 – 0,9 толщины платы. Включают вибратор, амплитуду вибрации выбирают в зависимости от типоразмера платы, чтобы избежать разбрызгивания флюса. Затем плату извлекают из ванны и выдерживают для стекания припоя. После этой операции плату погружают в ванну с расплавленным припоем и включают вибратор. Плату выдерживают до тех пор, пока не появится припой в верхней части всех отверстий, после чего ее извлекают и выдерживают 5 – 7 сек над ванной, не выключая вибратор. Это необходимо для формирования припоя в виде полусферических головок. При пайке погружением применяют припой ПОС-61, так как он обладает лучшей текучестью и более низкой температурой плавления, чем ПОС-40. Пайка волной припоя. Схема пайки волной представлена на рис. 3.7. Метод заключается в том, что в ванне с расплавленным припоем с помощью специального устройства, работающего от сжатого воздуха, создается плоская волна припоя в виде выступа. По гребню волны проходит печатная плата с установленными на ней ЭРЭ. Плата закрепляется на транспортере, который двигается под определенным углом к поверхности расплавленного припоя. Контакт платы с постоянным притоком припоя обеспечивает быструю передачу тепла, что сокращает время пайки. При пайке волной также необходимо провести операции защиты и флюсования, как и при методе пайки погружением. - Рис. 3.7. Пайка волной припоя Качество пайки зависит от: - параметров волны припоя (скорость, амплитуда, ширина); - скорости движения транспортера; - угла наклона транспортера; - стабильности температуры припоя. По мере возрастания плотности монтажа и, соответственно, уменьшения расстояния между токопроводящими дорожками возрастает вероятность возникновения перемычек, мостиков сосулек и др. Это приводит к ухудшению качества паяных соединений. Поэтому преобладающей становится пайка двойной волной припоя. Пайка двойной волной припоя. Схема пайки двойной волной припоя представлена на рис. 3.8. Рис. 3.8. Пайка двойной волной припоя При этом методе в ванне с расплавленным припоем создаются две волны припоя с регулируемыми скоростью, амплитудой и шириной волны. Параметры волн подбираются таким образом, чтобы первая волна скоростная и турбулентная обеспечивала полную смачиваемость и оплавление всех контактных точек на плате, а вторая – финишная с меньшей скоростью истечения удаляла излишки припоя, унося их в общий поток, для предотвращения наплывов и затекания припоя. Однако при применении корпусов ЭРЭ с матричными и другими скрытыми выводами этот метод становится малоэффективным. Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой среде. Схема пайки представлена на рис. 3.9. Этот метод, называемый также конденсационной пайкой, обеспечивает равномерные нагрев и оплавления всех мест пайки одновременно, независимо от геометрии контактных площадок и проводников. Метод высокопроизводителен, хотя и дорогой. Пайка осуществляется в парах фторсодержащей жидкости нагретой до температуры кипения. На дно установки (рис. 4.8.) заливают специальную жидкость с низкой температурой испарения, которая быстро испаряется. Жидкость химически инертна по отношению к материалам, контактирующим с ней, и химически стабильна при пайке. Количество тепла, выделяемого при конденсации паров жидкости на поверхности ПП, достаточно для расплавления припоя, но недостаточно для ухудшения свойств паяемых изделий. Рис. 3.9. Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой среде Размер зоны пайки по высоте фиксируется расположением охлаждающего змеевика, конденсирующего пар на заданном уровне. При парофазном (конденсационном) нагреве припой и флюс при монтаже размещают на контактных площадках в пастообразном состоянии. При погружении ПП в паровую подушку над кипящей жидкостью пар конденсируется на поверхности ПП, благодаря чему припой быстро и равномерно нагревается до температуры пайки. К преимуществам конденсационной пайки относится та ее особенность, что независимо от размеров и формы любая поверхность, покрытая конденсатом паров, нагревается одновременно, что обеспечивает высокое качество пайки. В настоящее время существуют полностью автоматизированные установки. Разновидностью процесса является оплавление дозированного припоя в среде нагретого воздуха. Это дешевле, но качество пайки хуже из-за процессов окисления. Пайка расплавлением дозированного припоя при его нагреве излучением. Существует несколько способов передачи тепла излучением. Пайка световым лучом. Нагрев, сфокусированным световым лучом обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими видами пайки, а именно: - бесконтактный подвод энергии к паяемым изделиям; - источник энергии и нагреваемое изделие могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга; - возможность нагрева материалов независимо от их электрических и магнитных свойств; - возможность проведения процесса пайки через прозрачные контейнеры в контролируемой атмосфере и в вакууме; - относительная простота процесса управления и регулирования. В качестве источников лучистой энергии используют мощные дуговые ксеноновые лампы и менее мощные кварцевые лампы. Оптическая система состоит из эллиптического зеркала и отражателя. Применяют точечные или щелевые излучатели. Диаметр пятна нагрева 1 – 5 мм. При флюсовой пайке с нагревом сфокусированным световым лучом необходимо удалять нагреваемый объект от отражателя нагревателя примерно на 200 - 250 мм, так как пары припоя могут повредить оптическую систему установки. Пайка инфракрасными лучами. Пайка инфракрасными лучами успешно используется в промышленности. В качестве источника излучения нашли применение галогенокварцевые лампы. Тепловое или инфракрасное излучение с длиной электромагнитных волн 0,8∙10-3 – 0,8 м используют или для локального нагрева места пайки, или для общего нагрева изделия. Применяют йодные лампы накаливания, наполненные под давлением аргоном и парами иода. Для концентрированного нагрева небольших участков используют малогабаритные лампы, работающие в любом пространственном положении. Эти лампы наполнены ксеноном с йодным наполнителем. При этом необходимо учитывать неблагоприятные воздействия паров легкоиспаряющихся компонентов припоев и флюсов, вследствие чего ресурс ламп может сокращаться из-за помутнения зеркала рефлекторов и кварцевых колб. Пайка электронным лучом. Процесс нагрева электронным лучом основан на использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. Сжатый в магнитных и электростатических фокусирующих линзах поток электронов перемещается с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. Кинетическая энергия соударения электронов с поверхностью детали анода превращается в тепловую, что приводит к ее нагреву. Нагрев под пайку электронным лучом осуществляется в специальных вакуумных камерах. Электронный пучок образуется в результате эмиссии электронов с нагретого катода. Для пайки обычно применяют сканирующий или расфокусированный пучок электронов. Отсутствие тепловой инерционности при этом способе пайки обеспечивает возможность точно управлять процессом нагрева в автоматическом режиме. Существенные недостатки метода: сложность оборудования из-за наличия вакуума и управляющих устройств высокой точности, их высокая стоимость, а также низкая производительность процесса пайки. Пайка лазером. Световой поток оптического квантового генератора (ОКГ) – электромагнитное излучение высокой интенсивности. В лазерах, применяемых в технологических целях, диапазон длины волн составляет обычно 0,4 – 10,6 мкм. Нагрев лазером особенно эффективен при пайке изделий (микросхемы, транзисторы, диоды и др.), обладающих высокой чувствительностью к перегреву. Важнейшее его преимущество – локальный концентрированный нагрев и точное дозирование тепловой энергии. При лазерной пайке происходит локальный равномерный нагрев припоя без перегрева. Скорость нагрева достигает 1010 оС/сек, скорость охлаждения после пайки – 106 оС/сек, что обеспечивает минимальное нарушение состояния основного материала и способствует повышению механических свойств паяного соединения. При пайке формируется кольцевая зона с высокой концентрацией энергии, что позволяет интенсивно нагревать паяемый участок, сохраняя изделие холодным. При пайке конструкционно сложных изделий (микросхемы с большим количеством выводов) используют устройства, в которых луч лазера после выхода из генератора с помощью составной линзы разделяется на несколько лучей, каждый из которых по стекловолокну подается на свою фокусирующую линзу и фокусируется на месте пайки. Преимущество лазерного излучения состоит в возможности легкой его фокусировки простыми оптическими методами. Лазерное излучение проникает сквозь прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть непосредственно направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например стеклянном, контейнере. Другие преимущества пайки лазером проявляются при пайки малых деталей (ЭРЭ), когда необходим кратковременный нагрев, точное позиционирование, локальный подвод тепла, или в случае труднодоступности места пайки. Для управления интенсивностью лазерного излучения изменяют длительность воздействия, площадь пятна нагрева (фокального пятна), выходную энергию. К недостаткам этого метода следует отнести нестабильность выходных энергетических характеристик лазера, обусловленная пространственной и временной неоднородностью лазерного излучения. Конвекционная пайка. Конвекция – это процесс переноса теплоты путем перемещения в пространстве отдельных объемов жидкости или газа, нагретых до различной температуры. В самой движущейся среде перенос теплоты осуществляется за счет теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи характеризует теплопроводность окружающей жидкости или газообразной среды и численно определяет интенсивность теплоотдачи поверхности тела. Коэффициент теплоотдачи при пайке зависит от конструкции паяемого изделия, его габаритов, массы, температуры и скорости движения окружающей среды, ее физических свойств. Наибольший коэффициент теплоотдачи имеют жидкие расплавы солей и металлов. Поэтому скорость нагрева деталей в них, особенно при низкотемпературной пайке, в 3 – 6 раз выше, чем при нагреве в печах с газовой атмосферой. Нагрев горячим газом находит широкое применение при низкотемпературной пайке печатных плат. В качестве газа при этом способе используют воздух, аргон, сухой водяной пар и др. При пайке печатных плат от магистрали повышенного давления газ через нагревательное устройство и сопла рабочих головок попадает к местам пайки на плате, где предварительно нанесены припой и флюс. Термический цикл (температурный профиль) пайки регулируется по температуре теплоносителя и скорости перемещения платы и рабочей головки. К современным печам для конвекционной пайки предъявляются очень жесткие требования, особенно при применении бессвинцовых технологий. При этом необходимы новые параметры температурных профилей: повышение максимальной температуры, уменьшение скорости изменения температуры, увеличения времени предварительного нагрева, оплавления и охлаждения. Поэтому требуется новое или модернизированное технологическое оборудование для пайки с большим количеством зон нагрева и охлаждения, удовлетворяющее всем требованиям, которые появляются в связи с изменением параметров температурных профилей. Температура, необходимая для образования паяного соединения при использовании бессвинцовых припоев, увеличивается до 230 – 240оС. По существу, это означает общее повышение температуры в печи конвекционного оплавления на 30 – 40оС по сравнению со стандартной технологией с использованием свинцовосодержащих припоев. Принимая во внимание тот факт, что для большинства поверхностно монтируемых ЭРЭ максимально допустимые температуры при нагреве лежат в пределах от 250 до 260оС, печи оплавления будут иметь очень узкое технологическое окно процесса, и будут работать очень близко к предельным для ЭРЭ и печатных плат температурам. Требуется максимально высокая точность поддержания температуры по площади каждой зоны нагрева. Для решения этих задач несколько иностранных фирм выпускают различные печи оплавления, которые отличаются длиной рабочих зон (от 2,5 до 6,0 м), количеством зон нагрева (от 6 до 12), количеством зон охлаждения (от 2 до 4), применением технологии направленной или контролируемой принудительной конвекции. Схема печи оплавления для конвекционной пайки представлена на рис. 3.10, а температурный профиль процесса пайки на рис. 3.11. Бессвинцовая пайка. В соответствии с решением Европейского Союза с 1 июля 2006 года вся поставляемая на европейский рынок электроника (за исключением изделий для военной и медицинской техники) должна будет производиться по бессвинцовой технологии. Российские предприятия не намерены переходить полностью на бессвинцовую технологию, но при этом вынуждены использовать ЭРЭ с покрытиями для бессвинцовой пайки. Таким образом, возникает проблема использования смешанных технологий: пайка ЭРЭ с покрытиями для бессвинцовой пайки свинецсодержащими припоями (ПОС-61). Рис. 3.10. Схема печи для конвекционной пайки Бессвинцовые технологии отличаются значительным повышением температуры пайки с 230оС для ПОС-61 (температура плавления 183оС) до 265-270оС для самого легкоплавкого, общепризнанного бессвинцового припоя Sn3Ag0,7Cu (температура плавления 217оС). Такая температурная нагрузка требует не только смены припоев, но и смены флюсов, базовых материалов печатных плат, обновления технологического оборудования, пересмотра удельных энергозатрат. Это приводит к использованию более дорогих термоустойчивых материалов, перестройке технологий, увеличению затрат (рис.3.12). Рис. 3.11. Температурный профиль конвекционной печи Вопрос обеспечения надежности паяных соединений является важнейшим. Исследования показали, что основным фактором, определяющим надежность паяных соединений, является усталостная прочность, которая зависит от температуры эксплуатации изделий и величины механических нагрузок. Бессвинцовые припои более надежны при высокой температуре эксплуатации, а оловянно-свинцовые при более низкой (например, комнатной). Рис. 3.12. Температурный профиль конвекционной печи для бессвинцовой пайки При переходе на бессвинцовую и смешанную технологии актуальным становится выбор метода пайки. Особую эффективность показала конденсационная пайка (расплавление в парогазовой среде). Главное преимущество конденсационного метода пайки заключается в более эффективном переносе тепла, в десятки раз превышающем этот параметр при конвекционной пайке. Другим преимуществом этого метода является то, что процесс оплавления происходит в парогазовой среде, которая одновременно является защитной атмосферой для предотвращения окисления. Таким образом, при переходе на бессвинцовую и смешанную технологии необходимо решить следующие основные проблемы: - в связи с более высокой температурой пайки все ЭРЭ, печатные платы, флюсы должны выдерживать температуру до 260оС; - необходимость применения новых материалов для пайки; - необходимость новых параметров температурных профилей для пайки в конвекционных печах: повышение максимальной температуры, уменьшение максимальной скорости изменения температуры, увеличение времени предварительного нагрева, оплавления и охлаждения; - оборудование должно быть более совершенным и обеспечивать монтаж при повышенной температуре; - металлические покрытия выводов ЭРЭ и контактных площадок печатных плат не должны содержать свинца; - необходимость решения проблемы смешанной комплектации (перелуживание выводов, применение специальных паяльных паст и др.); - изменение критериев и методов визуального контроля качества пайки. 3.6. ОЧИСТКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ПОСЛЕ СБОРКИ И МОНТАЖА Развитие современной микроэлектроники привело к резкой интеграции ЭРЭ на поверхности печатных плат, что, в свою очередь, привело к уменьшению ширины токопроводящих дорожек и пробелов между ними до величины 0,1 мм. Надежность и качество узлов на ПП во многом зависит от обеспечения высокой степени их очистки от остатков флюса и других загрязнений после пайки. В случае недостаточной очистки снижается электрическая прочность элементов, установленных на ПП, появляются токи утечки, нарушается стабильность сопротивления между проводниками, возникают дополнительные паразитные связи, что ухудшает работу изделий, особенно, на высоких частотах. Широко применяемые до настоящего времени методы ручной и механизированной очистки щетками, химическое и электрохимическое обезжиривание, струйная промывка не обеспечивают для современных узлов на ПП необходимой эффективности. Особенно это касается микросхем и ЭРЭ с матричными и другими жесткими скрытыми выводами. Для современных электронных узлов на ПП задачи очистки решают новые методы. Ультразвуковой метод. При применении этого метода происходит механическое разрушение пленки загрязнений и одновременно ускоряется химическое взаимодействие моющей среды с загрязнениями за счет акустических течений, образующихся в жидкости. В качестве технологических жидкостей используются водные растворы поверхностно-активных веществ и органические растворители, а также спирто-бензиновую смесь. Работа с ними требует осторожности, так как одни из них токсичны, а другие взрыво-пожароопасны. Главное, чтобы они проникали в труднодоступные места и растворяли имеющиеся там загрязнения. Метод достаточно эффективен, но имеются и недостатки: - сложность оборудования, высокая его стоимость; - возможны случаи повреждения ЭРЭ ультразвуком из-за явления кавитации (микроудары, микровзрывы). Вибрационный метод. В установку, состоящую из нескольких последовательно установленных ванн, помещены электромагнитные или электромеханические вибраторы, работающие с частотой 25 – 50 Гц. Вибрация ускоряет процессы очистки и ее эффективность зависит от частоты колебаний, температуры, давления жидкости, положения очищаемой поверхности в ванне, времени очистки. При вибрационном методе предъявляются повышенные требования к вибропрочности узлов на ПП. Процессы ультразвуковой и вибрационной очистки механизированы и автоматизированы и имеется достаточно большое количество отечественных и зарубежных установок. 3.7. ВЛАГОЗАЩИТА УЗЛОВ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ Для создания высококачественной и надежной аппаратуры к влагозащите узлов на ПП предъявляются повышенные требования. Это вызвано следующими обстоятельствами: - развитие микроминиатюризации электронных узлов аэрокосмического приборостроения привело к резкому уменьшению расстояний между проводниками. Часто соседние проводники имеют большую разность потенциалов. При повышенной влажности начинаются электрохимические процессы на поверхности ПП. Для исключения этих процессов необходима влагозащита; - усложнение условий эксплуатации, появление изделий, работающих в солевом тумане и других экстремальных условиях, связанных с неблагополучной экологической обстановкой во многих регионах; - появление новых кострукторско-технологических решений (использование на одной ПП различных корпусов микросхем, монтаж мощных микросхем на радиаторах, использование многоконтактных миниатюрных соединителей и др.). То есть ПП имеет сложный и разнообразный по высоте рельеф, ЭРЭ устанавливаются вплотную к плате и с зазором – все это усложняет получение сплошного влагозащитного покрытия. С одной стороны, для обеспечения надежной влагозащиты покрытие должно быть определенной толщины и механической прочности, с другой – для обеспечения ремонта, покрытие должно легко смываться. Таким образом, повышение требований к защитным технологическим свойствам покрытий выдвигает этот технологический процесс на уровень одного из основных, обеспечивающих работоспособность аппаратуры в различных условиях эксплуатации. Основным способом влагозащиты является нанесение специальных лаков (УР – 231, ЭП – 730, ЭП – 9114 и др.). Как правило, это раствор эпоксидной смолы в растворителях (ксилол, бутилацетат и др.) с добавками отвердителей. Они обеспечивают высокие защитные свойства, но токсичны и пожароопасны. Основные способы нанесения лаков: - окунание; - пневматическое распыление; - полив; - окунание с последующим центрифугированием. Определяющими требованиями при выборе метода являются: - получение равномерного покрытия по всей поверхности ПП, включая участки под корпусами микросхем и других ЭРЭ; - минимальное число контактов, участков и других элементов, подлежащих защите от лакового покрытия; - возможность автоматизации и механизации процесса влагозащиты. В настоящее время наиболее эффективным методом является окунание с последующим центрифугированием. Изменяя пространственное положение ПП в центрифуге, число оборотов центрифуги, вязкость лака, добиваются равномерного затекания лака по поверхности ПП и высокой эффективности влагозащиты. Технологический процесс нанесения влагозащитных покрытий включает следующие основные операции: - обезжиривание; - защита мест, не подлежащих покрытию лаком; - сушка; - нанесение первого слоя лака; - сушка; - нанесение второго слоя лака; - сушка; - удаление защитных материалов; - контроль качества защитного покрытия. Число слоев лака определяется его маркой, методом нанесения, конструктивными особенностями узла на ПП, условиями его эксплуатации. 3.8. КОНТРОЛЬ УЗЛОВ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ Контроль качества продукции – это контроль количественных и качественных характеристик свойств продукции – контролируемых признаков. Контроль качества должен быть организован так, чтобы обеспечивать активное вмешательство в производственный процесс для управления качеством. Контроль в процессе производства занимает важное место. В зависимости от характера производства контрольные операции составляют 15 – 30 % от общей трудоемкости производства и на этих операциях занято 20 – 40 % от общего числа производственных рабочих. Необходимо при этом помнить, что контрольные операции, оказывая решающее влияние на формирование качества продукции, не участвуют непосредственно в создании последней, то есть являются непроизводительными. Поэтому все затраты на контроль необходимо сводить к минимуму, но при этом обеспечивать заданный уровень качества и постоянно повышать его. Для рассмотрения задач и видов контроля на различных стадиях производственного процесса, обратимся к обобщенной структурной схеме, представленной на рис. 3.13. Рис. 3.13. Структурная схема контроля узлов на печатных платах На вход производственного процесса поступают материалы, комплектующие изделия, полуфабрикаты, сырье и энергия. Материалы, комплектующие, полуфабрикаты проходят через технологические операции комплектации, сортирования, группирования. Чтобы не допустить обработки дефектных материалов и включения в изделие комплектующих и полуфабрикатов, не удовлетворяющих техническим требованиям, проходят входной контроль. Входной контроль может быть сплошным, выборочным или летучим. В настоящее время в аэрокосмическом приборостроении применяется 100% входной контроль. Он выполняется различными методами, в том числе, и методами неразрушающего контроля. Качество выполнения технологических операций получения заготовок, изготовления деталей, сборочных единиц, сборки, монтажа аппаратуры проверяется во время или после завершения операций методами операционного контроля. Операционный контроль также имеет различный вид. Он может выполняться с помощью сплошного или выборочного контроля, технического контроля, контроля по контрольному образцу (сравнения признаков изделия с признаками контрольного образца), измерительным контролем (с применением измерительных средств). Ход выполнения технологических процессов (операций) находится под контролем технологического процесса. В его задачи входит контроль режимов, характеристик, параметров технологического процесса, что позволяет сделать технологический процесс (операцию) управляемым. Контроль, при котором информация о контролируемых признаках процесса (операции) происходит непрерывно, называют непрерывным контролем. В противоположность ему периодический контроль происходит через установленные промежутки времени. Информацию при контроле технологического процесса получают методами измерительного или регистрационного контроля. Регистрационный - это контроль, осуществляемый на основании результатов подсчета или регистрации определенных изделий, событий или качественных признаков продукции. На операциях регулировки или настройки изделий применяется измерительный контроль. Информация, получаемая с помощью средств измерения, позволяет проводить регулировку параметров, настройку характеристик изделия. Контроль качества готовой продукции выполняется методами приемочного контроля, по результатам которого принимается решение о пригодности изделий к поставке. Все результаты рассмотренных видов контроля составляют основу производственного контроля, который представляет собой контроль производственного процесса и его результатов на стадии изготовления продукции. Входной контроль. Цель входного контроля – проверка на соответствие ТУ поставляемых материалов, комплектующих, полуфабрикатов, отбраковка изделий с явными дефектами и выявление скрытых дефектов или потенциально ненадежных элементов. Причинами несоответствия ТУ поставляемых изделий могут быть: - ненадежность приемочного контроля на заводе-поставщике; - физико-химические, механические и другие процессы, происходящие в период контроля; - старение, связанное с длительностью хранения; - воздействие различных факторов при транспортировке. Дефекты, обнаруженные при входном контроле, можно классифицировать следующим образом: - дефекты комплектации (перепутывание типов или номиналов поставляемых ЭРЭ); - дефекты, связанные с низким качеством упаковки; - дефекты по внешнему виду (плохая окраска, царапины, вмятины, трещины, сколы изоляции и др.); - дефекты материалов (например, листовых: трещины, раковины, коробление, неоднородность структуры и др.); - дефекты маркировки; - несоответствие размеров, электрических и механических параметров элементов указанным в документации на них; - отказы при проверке на работоспособность при климатических условиях, отличных от нормальных (но предусмотренных ТУ); - отказы при проверке на воздействие механических факторов. Входной контроль качества материалов и комплектующих изделий проводят с помощью карт входного контроля, которые заводятся на каждый вид поставляемых изделий. Следует отметить, что задачи входного контроля все время усложняются. Объясняется это необходимостью управления качеством продукции на всех стадиях производства. Операционный контроль. Необходимость операционного контроля вызывается тем, что дефект, возникший на какой либо операции, выявляется лишь при приемочном контроле и его трудно, а порой и невозможно, обнаружить и устранить. Иногда требуется серьезная разборка для устранения дефекта, в других случаях готовое изделие может пойти в брак из-за невозможности ремонта. Можно контролировать ход выполнения каждой операции и проводить контроль изделия после завершения каждой операции. Однако выполнения такого контроля невозможно осуществить, так как необходимы огромные затраты, большое количество различной аппаратуры, дополнительные производственные площади и значительный штат ОТК. Следовательно, как и в большинстве случаев, при поиске решения производственных задач, требуется найти компромисс, то есть минимизировать число постов операционного контроля при заданном уровне качества. Выбор решения зависит от следующих факторов: - числа операций, на которых могут возникнуть дефекты, не выявляемые на последующих операциях или при приемочном контроле; - числа операций, на которых могут возникнуть дефекты, приводящие к полному забраковыванию изделия или к сложной разборке и ремонту; - отработанности технологического процесса; - численности и квалификации контролирующего персонала; - оснащенности автоматизированными средствами контроля; - квалификации рабочих и др. Безусловно, что наилучшим выходом является такое построение технологического процесса, при котором результат выполнения каждой производственной операции контролируется автоматически с выработкой управляющего воздействия на технологический процесс. Приемочный контроль. Приемочный контроль – завершающий этап производственного процесса. Он проводится в соответствии с ТУ на основные параметры, характеризующие работоспособность изделия – объекта контроля. Цель приемочного контроля – убедиться с заданной достоверностью в способности изделия выполнять требуемые функции в зависимости от ее целевого назначения или обнаружить неработоспособное состояние и определить, какая из частей изделия неисправна и нуждается в ремонте или замене. Если значения всех параметров соответствует установленным на них допустимым значениям, то изделие считается исправным и может быть принято заказчиком. Приемочный контроль – наиболее сложный и трудоемкий вид контроля, делящийся на отдельные этапы с решением самостоятельных задач. К основным таким задачам относятся: - установление механической целостности ЭРЭ, деталей и узлов изделия, качества защитных и декоративных покрытий и др.(проверка общего вида); - установление работоспособности изделия (проверка на функционирование); - установление соответствия параметров изделия заданным нормативными документами; - оценка точностных характеристик изделия; - поиск неисправности, диагностика изделия (определение места, характера и причин появления неисправностей); - комплексная оценка запасов устойчивости характеристик изделия (оценка качества изделия); - прогнозирование исправной работы изделия на заданный период времени. Повышение требований к качеству и надежности изделий аэрокосмического приборостроения, усложнение изделий и выполняемых ими функций создают дополнительные трудности в проведении приемочного контроля, увеличивают трудозатраты. Без средств автоматизации уже невозможно построить высокопроизводительный процесс контроля, обеспечивающий требуемую достоверность оценок параметров, глубину контроля, поиск неисправностей и др. 4. МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ В АЭРОКОСМИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ Микроминиатюризация позволяет значительно улучшить показатели качества изделий. Для электронных узлов такими показателями являются масса, объем, энергопотребление, быстродействие, чувствительность, точность, надежность, вибропрочность, безопасность, себестоимость и др. Развитие микроэлектроники привело к комплексной интеграции электронных узлов, которая состоит из: - структурной или схемной интеграции (то есть интеграция схемных функций в пределах одной структурной единицы); - широкого использования групповых методов обработки (то есть интеграция значительного числа технологических операций в рабочем объеме одной единицы технологического оборудования); - интеграция методов автоматизированного проектирования интегральных схем и оснастки для их изготовления (фотошаблоны, трафареты и др.). В настоящее время активно развиваются два основных направления: - полупроводниковая технология, то есть создание больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), реализующих в одном полупроводниковом кристалле целые устройства и даже системы; - гибридно-интегральная технология – сочетание активных полупроводниковых приборов (ку > 1) с пассивными пленочными элементами (R, C, L) и пленочной коммутацией. 4.1. ГИБРИДНО-ИНТЕГРАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В зависимости от толщины используемых пленок и вида технологических процессов гибридно-интегральная технология подразделяется на два вида: тонкопленочную (толщина пленок до 1 мкм) и толстопленочную (толщина пленок ≈ 10 – 50 мкм). Ввиду принципиального различия физических явлений, лежащих в основе технологических процессов нанесения пленок, каждому из двух видов пленок соответствует своя базовая технология. Пленочная технология открывает новые возможности, которые позволили создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей, которые разрабатываются как устройства частного применения для единичного и мелкосерийного производства, характерного для аэрокосмического приборостроения. Гибридно-интегральные микросхемы (ГИМС) имеют по сравнению с полупроводниковыми микросхемами ряд преимуществ: - обеспечивают широкий диапазон номиналов за счет выбора материалов и конфигурации элементов; - обеспечивает меньшую погрешность изготовления во всем диапазоне номиналов; - обеспечивает лучшие электрические характеристики пассивных элементов (добротность, температурная и временная стабильность, минимум паразитных связей и др.); - имеется возможность использования навесных электрорадиоэлементов (ЭРЭ); - возможность изготовление ГИМС достаточно большой мощности; - широкое применение в пленочной технологии групповых методов производства. Главный недостаток – меньшая, чем в полупроводниковой технологии надежность за счет большого количества контактных узлов и сварных соединений. Гибридная интегральная микросхема (ГИМС) – это микросхема, содержащая, кроме пассивных пленочных элементов, простые и сложные компоненты (например, кристаллы полупроводниковых интегральных микросхем). Такая микросхема выполняется на диэлектрической подложке, а все пленочные элементы связаны между собой пленочными проводниками и изготовлены в виде однослойных и многослойных пленочных структур, а компоненты (транзисторы, кристаллы полупроводниковых интегральных микросхем, навесные ЭРЭ и др.) вмонтированы пайкой или микросваркой на специальные контактные площадки. Рассмотрим основные элементы ГИМС. Подложка. Она является диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов, а также служит теплоотводом. К подложке предъявляются требования, вытекающие из необходимости обеспечения заданных электрических параметров схемы и технологии изготовления пассивных элементов. Подложки пленочных микросхем должны иметь следующие свойства: значительную механическую прочность при небольшой толщине, высокое удельное электрическое сопротивление и малые потери, температурный коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту осаждаемых пленок, химическую инертность к осаждаемым материалам, физическую и химическую стойкость при нагревании до нескольких сот градусов, обладать хорошей полируемостью поверхности, высокой теплопроводностью, не иметь газовыделений в вакууме. Для маломощных ГИМС бесщелочные боросиликатные стекла и ситаллы (композиционные материалы на основе кремния). Для ГИМС большой мощности применяют бериллиевую керамику, имеющую очень хорошую теплопроводность. При изготовлении пленочных микросхем большое значение имеет состояние поверхности подложки. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как микронеровности уменьшают толщину и однородность пленок. Подложки для тонких пленок обрабатываются до 14 класса чистоты поверхности. Подложки для толстых пленок обрабатываются до 8 – 10 класса чистоты поверхности. Пленки микросхемы должны иметь прочную связь с подложкой. Эта связь не должна ухудшаться со временем или под влиянием электрического поля. Адгезия пленки к подложке различна для разных подложек и напыляемых материалов, она определяется окисным слоем, образующимся между пленкой и подложкой. Хорошо сформировавшийся окисный слой обычно обеспечивает отличную химическую связь. Загрязнения на подложке, имеющие толщину всего лишь в несколько атомных слоев, могут воспрепятствовать образованию хорошего окисного слоя и сильно ослабить адгезию. Для обеспечения высокого качества поверхности подложки применяют различные способы очистки: - эмульгирование – отделение жировой пленки от подложки с образованием эмульсии (бывает химическим и ультразвуковым); - растворение в органических растворителях; - ионная очистка приводит к расщеплению органических молекул загрязнений и образованию летучих соединений; - вакуумная очистка от молекул влаги. Для обеспечения хорошей теплопроводности и высоких механических характеристик применяют металлические подложки: - алюминиевые, покрытые слоем анодного оксида; - эмалированные стальные. Габариты подложек стандартизированы. Для изготовления ГИМС стандарт 96 х 120 мм, для получения других размеров стороны делят на части кратные 2 и 3. Допуски на размеры подложек только минусовые в пределах 0,1 – 0,3 мм. Пленочные элементы ГИМС. Пленочный резистор конструктивно состоит из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок (рис. 4.1). Рис. 4.1. Конструкция пленочных резисторов Сопротивление пленочных резисторов ℓ R = ρv------ , b∙δ где ρv – удельное объемное сопротивление резистивного материала; ℓ - длина пленочного резистора; b – ширина пленочного резистора; δ – толщина пленки. Минимальные значения b ограничены возможностями технологии, а максимальные значения ℓ возможностями технологии и габаритными размерами (так, например, не рекомендуется ℓ/ b > 10, так как длинные щели в трафарете снижают его прочность). В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, а также специальные композиционные материалы, состоящие из частиц металла и диэлектрика – керлиты. Из металлов применяют хром, тантал, из сплавов – нихром. Для высокоомных резисторов применяют конфигурацию сложной формы. Точность пленочных элементов, полученных с применением групповых технологических процессов, составляет 5 – 10%. Для получения более высокой точности применяют подгоняемые резисторы. Применяют плавную и ступенчатую подгонку: - плавная позволяет получить точность до сотых долей процента; - ступенчатая позволяет получить точность до единиц процента. Плавную подгонку осуществляют, изменяя удельное поверхностное сопротивление или форму резистивной пленки. Удельное поверхностное сопротивление материала можно изменить путем термического, химического или механического воздействия, но на практике эти методы применяют редко. Форму резистивной пленки изменяют путем удаления части резистивного материала. Это можно делать ступенчато, если применяются специальные конструкции подгоняемых резисторов или плавно, когда удаляется часть резистивной пленки лазерным, механическим или пескоструйным методами (рис. 4.2). При ступенчатой и плавной подгонке при конструировании предусматривают меньшее сопротивление резисторов относительно их номинальных значений, так как подгонка увеличивает сопротивление резисторов. Рис. 4.2. Конструкция подгоняемых пленочных резисторов Пленочный конденсатор. Конструктивно пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл и состоит из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала. К пленочным конденсаторам предъявляются следующие конструкторско-технологические требования: - минимальные габариты; - стабильность воспроизведения характеристик в процессе производства; - совместимость ТП изготовления пленочных конденсаторов с ТП изготовления других элементов ГИМС. Емкость пленочного конденсатора (рис. 5.3): С = 0,0885εгS/d (пФ), где εг – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d - толщина диэлектрика (см); S = B∙L – площадь взаимного перекрытия обкладок (см2). Пленочный конденсатор большой емкости может иметь сложную конфигурацию. Это позволяет конструктору при разработке топологии электронного узла полностью использовать свободные участки подложки. Рис. 4.3. Конструкция пленочного конденсатора Характеристики пленочных конденсаторов во многом определяются свойствами применяемых материалов. К обкладкам пленочных конденсаторов предъявляются следующие требования: - высокая проводимость (низкое сопротивление) материала; - тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) обкладок должен быть близким к ТКЛР подложки и пленки диэлектрика; - высокая коррозийная стойкость. Наиболее применяемый материал – алюминий А 99 с подслоем титана или ванадия. К диэлектрической пленке конденсатора также предъявляются определенные требования: - высокая диэлектрическая проницаемость; - высокая электрическая прочность и сопротивление изоляции; - малый температурный коэффициент диэлектрической проницаемости; - хорошая адгезия (сцепление) пленки. Для изготовления диэлектрической пленки применяют различные окислы: монооксиды кремния и германия SiO и GeO, оксиды алюминия Al2O3, тантала Та2О5, титана ТiО2 и других металлов. При изготовлении пленочных конденсаторов также применяется подгонка. Подгоняемые конденсаторы делаются специальной конструкции, составные, то есть имеющие неизменную часть и участки, емкость которых можно изменить. Подгонка осуществляется за счет секционирования верхних обкладок – перерезание перемычек для уменьшения емкости и припайка перемычек для увеличения емкости (рис. 5.4). Рис. 4.4. Конструкция подгоняемых пленочных конденсаторов Элементы коммутации. Тонкопленочные проводники и контактные площадки для электрического соединения компонентов и элементов ГИМС, а также для присоединения элементов схемы к выводам корпуса. К материалу элементов коммутации предъявляются следующие требования: - высокая электропроводность; - хорошая адгезия к подложке; - высокая коррозионная стойкость; - возможность пайки или микросварки; - совместимость ТП изготовления с ТП других элементов пленочной технологии. Самым распространенным материалом является золото с подслоем хрома или титана. Подслой обеспечивает хорошую адгезию, а золото высокую проводимость. Толщина проводников 0,5 – 1,0 мкм. Также для проводников и контактных площадок широко используют медь. 4.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИМС Совокупность технологических операций, составляющих ТП изготовления тонкопленочных ГИМС, включает в себя: - подготовку поверхности подложки; - нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций пленочных элементов; - монтаж и сборку навесных компонентов; - защиту и герметизацию; - контроль, подгонку и испытания. Важнейшей задачей технологической подготовки производства является изготовление комплекта масок и фотошаблонов. Для формирования рисунка тонкопленочных интегральных микросхем применяют два основных метода: масочный и фотолитографический, а также электронно-лучевой, лазерный и их сочетание. При масочном методе элементы схемы выполняются из нескольких слоев проводящих и изолирующих пленок, напыляемых в вакууме через соответствующие маски. Рекомендуемая последовательность: напыление резисторов; напыление проводников и контактных площадок; межслойная изоляция; второй слой проводников (пересечения); нижние обкладки конденсаторов; диэлектрик конденсаторов; верхние обкладки конденсаторов; защитный слой. Метод находит широкое применение в мелкосерийном и серийном производстве. Точность изготовления резисторов и конденсаторов ± 10%. При фотолитографическом методе большая часть внутрисхемных соединений вытравливается на предварительно осажденной пленке, а осаждение пленок через соответствующие трафареты применяется только для выполнения перекрестных соединений и изоляции между ними. Метод позволяет получить конфигурацию элементов любой сложности, имеют большую точность, но более сложный, так как включает ряд прецизионных операций. Особенность метода: процессы нанесения пленок и формирования пленочных элементов разделены во времени. Существует несколько разновидностей метода. Метод прямой фотолитографии: - нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента (резистивный слой); - формирование на поверхности пленки фоторезистивной контактной маски; - экспонирование фоторезиста; - травление материала, не защищенного фоторезистом; - нанесение следующего слоя материала пленки (например, меди для проводников и контактных площадок); - повторение процесса фотолитографии; - нанесение защитного слоя. Метод обратной фотолитографии отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется контактная маска, затем формируется пленочный элемент, после чего удаляют контактную маску. Фотолитография широко применяется в серийном производстве, точность изготовления резисторов ± 1%. Комбинированный метод – он совмещает масочный и фотолитографию. Например, напыляют резисторы через маску, а проводники и контактные площадки изготавливают методом фотолитографии. Метод позволяет получать высокую точность изготовления пленочных элементов, обладает большой гибкостью. Точность изготовления резисторов ± 1%, конденсаторов ± 5%. Для изготовления масок применяют методы фототравления стекла, электроискровой обработки металлов и обычной механической обработки. При фототравлении стеклянных масок соответствующее фотоизображение вытравливается на стекле специальной камеры с высокой точностью с помощью специального оборудования. Маски, полученные методом электроискровой обработки, наиболее пригодны для получения сложного многократно повторяющегося изображения (например, матрицы сопротивлений). При этом методе металлическая заготовка маски погружается в электролит и зрозирующая электрическая дуга, сканируя от головки шаблона к изделию, воспроизводит форму шаблона. Минимальный износ инструмента и общая точность всего устройства допускают точное и многократное воспроизведение изображения. Применение металлических масок, изготовленных обычной механообработкой, ограничивается вследствие меньшей точности изготовления. Трафареты должны удовлетворять следующим требованиям: - иметь тонкие прорези (щели) шириной до 10-4 м с точностью изготовления 5∙10-5 м, прорези должны иметь четкие контуры без шероховатостей, видимые при 50 кратном увеличении; - обладать достаточной жесткостью и упругостью, но быть при этом достаточно тонкими, чтобы не было при напылении теней и полутеней; - иметь минимальные неровности в плоскости трафарета для плотного прилегания к подложке; - выдерживать высокую температуру при высоком разряжении; - материал трафаретов должен иметь низкое давление собственных паров и обладать минимальной газоотдачей. Основными материалами для изготовления трафаретов являются медь, латунь, пермаллой, нержавеющая сталь, тантал, молибден, инвар, бериллиевая бронза, покрытая тонким слоем никеля. 4.3. МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК Нанесение тонких пленок на подложку осуществляется следующими способами: - термическое испарение материалов в вакууме с конденсацией паров этих материалов на поверхности подложки; - ионным распылением мишеней из наносимых материалов с переносом атомов мишеней на поверхность подложки; - химическим осаждением пленок в результате протекания химических реакций. Термическое вакуумное напыление тонких пленок. Схема установки приведена на рис. 4.5. Рабочая камера вакуумной установки представляет собой цилиндрический металлический или стеклянный колпак 1, который устанавливается на опорной плите 6. Между колпаком и плитой находится упругая прокладка 5, обеспечивающая вакуумно-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены подложка 3, которая закрепляется на держателе, не показанном на рисунке, нагреватель подложки 2 и испаритель 4 для нагрева испаряемого вещества электрическим током. Между испарителем и подложкой устанавливается заслонка 8, позволяющая в нужный момент прекращать попадание испаряемого вещества на подложку 3. Воздух из рабочей камеры откачивается вакуумным насосом. При нагревании вещества кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторвались от поверхности и распространились в окружающем пространстве. С повышением температуры, энергия увеличивается и количество молекул, оторвавшихся от поверхности, и долетевших до подложки также увеличивается. На распространение паров испаряемого вещества в первую очередь влияет глубина вакуума в рабочей камере (≈ 10-5 мм рт. столба). Конденсацией называется процесс перехода материала из газообразного состояния в твердое. При конденсации на подложке образуется пленка испаряемого вещества. Рис. 4.5. Схема установки для термического вакуумного напыления тонких пленок Достоинства метода: - высокие скорости осаждения различных материалов в глубоком вакууме; - относительная простота метода; - возможность автоматизации и наличие автоматизированного оборудования. К недостаткам метода следует отнести: - трудность испарения тугоплавких материалов; - возможность появления брызг расплавленного металла; - неравномерность толщины пленки по поверхности подложки (равномерность повышают за счет увеличения расстояния между испарителем и подложкой, обычно 15 – 30 см); - трудность обеспечения высокой воспроизводимости свойств пленки. Катодное вакуумное распыление. Схема установки представлена на рис. 4.6. В рабочей камере 1 установлена двухэлектродная система, состоящая из катода 2, который изготовлен из материалов, подвергаемых распылению в технологической последовательности. На аноде 4 располагается подложка 3. Между катодом и анодом расположена заслонка 8. С помощью прокладки 5 обеспечивается вакуумное соединение колпака 1 и основания 6. Из рабочей камеры с помощью вакуумного насоса через отверстие 7 откачивается воздух. После этого в рабочую камеру закачивают рабочий газ (чаще всего очень чистый аргон). Затем между анодом и катодом подается высокое напряжение порядка нескольких киловольт, которое вызывает пробой газового промежутка и возникает тлеющий разряд. Почти все напряжение падает на участке вблизи катода и здесь электроны, и ионы достигают наивысших скоростей. Ионы, доходящие вследствие диффузии до этого участка (он называется темным катодным пространством), быстро ускоряются и ударяются о катод. Бомбардировка катода вызывает катодное распыление и эмиссию электронов, при этом выбитые атомы осаждаются на подложку. Электроны ускоряются в темном катодном пространстве и поддерживают ионизацию. Рис. 4.6 . Схема установки катодного распыления Ионно-плазменное распыление. Ионно-плазменное распыление представляет собой разновидность катодного распыления, но в отличие от последнего распыление осуществляется ионами плазмы газового разряда низкого давления специальной мишени. Схема установки ионно-плазменного распыления изображена на рис. 4.7 . Рис. 4.7. Схема установки ионно-плазменного распыления Источником электронов в системе служит накальный катод 8 (термокатод), третьим электродом является мишень 7, которая используется в качестве источника распыляемого материала. Распыляемые с поверхности мишени частицы материала конденсируются на подложке 2. Воздух из камеры откачивается через отверстие 6, а в камеру закачивается очень чистый аргон. Включается ток накала катода, между анодом 3 и катодом 8 прикладывается напряжение и при достаточно большом термоэлектронном токе возникает дуговой газовый разряд. Электроны, испускаемые раскаленным катодом, вызывают ионизацию инертного газа. Если теперь подать на мишень отрицательный потенциал, то положительные ионы будут «вытягиваться» из плазмы разряда и бомбардировать поверхность мишени. Под действием бомбардировки положительными ионами атомы материала мишени начнут распыляться и конденсироваться на подложке, расположенной напротив мишени 7. Для достижения максимальной плотности ионов в разряде по оси разряда прикладывается продольное магнитное поле, заставляющее электроны и ионы двигаться по спирали. Преимущества ионно-плазменного распыления: - возможность распыления практически всех материалов современной микроэлектроники; - высокая адгезия получаемых пленок к подложке; - сохранение структуры пленок при распылении многокомпонентного вещества, то есть структура пленки соответствует структуре вещества; - возможность ионной очистки подложек перед распылением. 4.4. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОК В процессе формирования тонкопленочных структур вакуумными методами особо важен контроль следующих параметров технологического процесса: - глубина вакуума и парциальное давление остаточных газов; - температуры подложек и испарителей; - изменение сопротивления резистивной пленки, толщины и скорости напыления. Последняя группа параметров (сопротивление, толщина и скорость) непосредственно несут информацию о технических характеристиках получаемого пленочного элемента. Скорость осаждения вещества определяет структуру пленки, величину и ориентацию кристаллов вещества, а следовательно, электрофизические параметры тонкопленочных элементов. Различный химический состав осаждаемых материалов и различные способы, применяемые для их нагрева и испарения, а также широкий диапазон требуемой скорости осаждения и толщины тонкопленочных слоев вызывают необходимость использования методов измерения параметров пленок, основанных на различных физических принципах. Наибольшее распространение находят методы, позволяющие производить контроль параметров пленок в процессе их нанесения (то есть активный контроль). Существующие методы и устройства измерения скорости осаждения и толщины тонких пленок можно разделить на две основные группы: первые дают информацию о скорости осаждения, вторые – о массе наносимой пленки или ее толщине. В первом случае значение толщины пленки можно найти путем интегрирования сигнала, пропорционального скорости осаждения. Во втором случае значение скорости осаждения можно найти путем интегрирования сигнала, пропорционального измерению толщины осаждаемой пленки. На практике наибольшее распространение получили приборы, основанные на использовании ионизационного, частотного и резистивного методов. Ионизационный метод основан на частичной ионизации потока пара испаряемого вещества электронами, эмитируемыми накаленным катодом, и последующем измерении ионного тока, пропорционального плотности пара вещества, проходящего через рабочий объем датчика, а следовательно, и скорости осаждения пленки. Для определения толщины пленки производится интегрирование по времени величины переменной составляющей ионного тока. Ионизационный метод является универсальным, имеет широкие пределы измерения с погрешностью не хуже 1 % и может быть использован для стабилизации процесса напыления. Частотный метод основан на измерении изменения частоты колебаний кварцевого кристалла при осаждении на нем пленки испаряемого вещества, так как при изменении массы кварцевого кристалла частота его колебаний меняется пропорционально изменению массы. Выбор рабочей частоты зависит от диапазона толщин измеряемых пленок. Если требуется измерить очень малую толщину пленки, и необходим прибор с большой чувствительностью, то выбирают высокую рабочую частоту. Если же требуется прибор с достаточно большим диапазоном измеряемых толщин, обладающий большой областью линейной зависимости изменения частоты от толщины напыляемой пленки, то выбирают относительно низкую рабочую частоту. Отечественная промышленность выпускает два типа кварцевых измерителей толщины с рабочими частотами датчиков 3,3 Мгц и 9,99 Мгц. К достоинствам частотного метода относится высокая чувствительность, позволяющая контролировать тонкие пленки вплоть до мономолекулярных слоев. Метод обеспечивает непрерывный контроль и управление процессом нанесения пленок практически для всех веществ, используемых в производстве ГИМС. Резистивный метод основан на зависимости между толщиной пленки металла или сплава и величиной ее электрического сопротивления постоянному току. Для измерения электрического сопротивления пленки в процессе осаждения в непосредственной близости от подложки обычно устанавливают «свидетель» (контрольный образец) из изоляционного материала (стекла, ситалла и др.) в виде прямоугольной пластины, на краях которой имеются широкие плоские контакты из серебра или другого проводящего материала, соединенные с измерительным мостом. При этом расстояние между контактами обычно делают равными ширине пластины. Этот метод применим только к проводящим пленкам. Он непригоден для измерения пленок с малым сопротивлением, так как переходные сопротивления соизмеримы с сопротивлением пленки. В качестве измерительного прибора, регистрирующего сопротивление «свидетеля», может быть использован любой омметр, подходящий по точности и диапазону измеряемых величин. Процесс осаждения прекращается в тот момент, когда сопротивление пленки достигает заданной величины. 4.5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИМС В основе технологии толстых пленок лежит трафаретная печать и вжигание в керамическую подложку элементов и проводников (толщина пленки 10 – 70 мкм). Для изготовления пассивных толстопленочных компонентов используется композиция «металл – окисел – стекло». Закрепление элементов схемы на подложке достигается за счет химической связи (реакции) их материалов с подложкой в результате термической обработки при высоких температурах. Толстопленочные ГИМС нашли широкое применение благодаря: - простоте технологии при сравнительно низких затратах на оборудование и материалы; - возможности получения широкого диапазона номиналов компонентов; - малым паразитным связям, что особенно важно на больших частотах; - высокой надежности; - возможности получения мощных схем. Рассмотрим материалы для толстопленочных ГИМС. Подложки для толстых пленок. Наиболее важные функции подложек: - несущая конструкция для схем и монтажа; - защита элементов схемы от механических воздействий и воздействий окружающей среды; - обеспечение теплового режима; - обеспечение электрической изоляции. Основным материалом для подложек является поликристаллическая керамика. Для подложек применяют керамику трех типов: - на основе окиси бериллия (обладает высокой теплопроводностью и применяется для мощных схем); - на основе титаната бария (обладает высокой диэлектрической проницаемостью и применяется для высокочастотных схем); - на основе окиси алюминия (обладает хорошими характеристиками при достаточно низкой стоимости, из этой керамики изготавливают 95 % толстопленочных схем). Эта керамика содержит 94 – 96 % окиси алюминия и 4 – 6 % смеси окиси кальция, окиси магния и двуокиси кремния, которые делают химическую активность керамики достаточной для хорошей адгезии толстых пленок к подложке. К поверхности подложек предъявляются очень высокие требования: по шероховатости (9 – 11 класс шероховатости), по качеству очистки поверхности. При очистке не применяют сильные кислоты и щелочи, так как можно вытравить материал подложки. Используется ультразвуковая очистка в водной среде, промывка в деионизированной воде, отжиг в печах. Качество очистки сильно влияет на адгезию пленок к подложке. Пасты для толстых пленок. В толстопленочной технологии элементы схемы наносятся в виде композиции на основе функционального материала (металл, окисел и др.), стекла и органических материалов, которая называется пастой. Стекло является связующим материалом, а органические добавки делают смесь пригодной для трафаретной печати. Стекло в мелкодисперсном состоянии (размер частичек 1 – 3 мкм) в процессе вжигания расплавляется, а при последующем затвердевании формируют монолитную конструкцию толстопленочного компонента с равномерно распределенными в ней частицами функционального материала и одновременно создает прочное соединение компонента с подложкой. На границе раздела пленка – подложка образуется переходной слой толщиной 6 – 8 мкм, обеспечивающий прочную связь пленки с подложкой. Этот слой также компенсирует несоответствие тепловых коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов пленки и подложки. Наибольшее применение находят легкоплавкие стекла, содержащие окислы бора, кремния, свинца, висмута. Стекла размельчаются на шаровых мельницах до размеров, не препятствующих прохождению пасты через трафарет. Пасты бывают: проводниковые, резистивные, диэлектрические для конденсаторов, диэлектрические для пересечений, защитные. Проводниковые пасты должны обладать следующими характеристиками: - высокая удельная проводимость; - высокая адгезия пленок с подложкой; - возможность пайки (микросварки) навесных элементов; - композиция (смесь) должна быть устойчива к воздействиям, связанным с выполнением ТП и условиями эксплуатации. Функциональными материалами проводящих паст являются порошки благородных металлов и их смеси: золото, серебро, палладий и др. Типичный состав проводящей пасты содержит около 12 % палладия, 75 % золота и 13 % стекловидного связывающего материала. Резистивные пасты во многом сходны с проводниковыми. Главное отличие – функциональный материал. Его важнейшее качество – высокое удельное сопротивление. Наибольшее применение находят пасты на основе соединений палладия, серебра, рутения. При этом характеристики пленочного резистора во многом определяются оксидом палладия, образующегося во время процесса вжигания. Пасты на основе соединений рутения являются более стабильными, менее чувствительными к колебаниям температуры во время процесса вжигания. Они находят все большее применение в толстопленочной технологии. Диэлектрики для конденсаторов должны обладать высокой диэлектрической постоянной. Наибольшее применение находят материалы на основе ВаТiО3, у которых можно получить ε ≈ 1000. Обязательным условием является полное удаление органических добавок при низкотемпературном нагреве. В противном случае в слое диэлектрика появляются вкрапления углерода, и резко возрастает проводимость. Диэлектрики для пересечений. В сложных схемах с повышенной плотностью компонентов часто приходиться прибегать к взаимному пересечению проводников. Для изоляции пересекающихся проводников также используются диэлектрические материалы. Главное свойство такого материала – электрическая прочность и высокое сопротивление изоляции. В качестве функционального материала используют стекло, кристаллизирующееся при охлаждении. Защитные покрытия. Основным материалом является легкоплавкое стекло. Трафаретная печать. Основная цель этой операции – перенести рисунок схемы на подложку, имеющую прямоугольную или квадратную форму. Для изготовления ГИМС требуется комплект трафаретов для нанесения определенного пленочного слоя. Каждому трафарету соответствует определенный фотошаблон, выполненный на основе топологического чертежа ГИМС. Основным элементом трафарета является сетка из нейлона или нержавеющей стали с размерами ячейки 80 – 240 мкм. Выбор размера ячейки определяется требованиями толщины и ширины пленочного компонента. Трафарет является многофазовым инструментом, который не только обеспечивает конфигурацию рисунка в плоскости, но и дозирует количество поступающей пасты на подложку. Дозирование обеспечивается тем, что паста поступает в отверстие трафарета с помощью соскабливающей лопаточки – ракеля. Очищенная подложка устанавливается в держатель установки трафаретной печати (пастопечатающий автомат), сверху помещается держатель трафарета с необходимым трафаретом. На него подают пасту и с помощью ракеля наносят ее на подложку. Ракель заполняет пастой отверстия в трафарете, прогибает его до соприкосновения с подложкой и продавливает пасту в отверстия в трафарете. Рабочая часть ракеля изготавливается из уретана или полиуретана. Оснастка, то есть трафареты, используемые при нанесении паст, должна обеспечить точное совмещение отдельных пленочных слоев схемы. Резистивный слой наносится, как правило, последним, так как повторный нагрев влияет на точность изготовления резисторов. Вжигание. После нанесения пасты следующие операции ТП это сушка и вжигание. Вжигание толстых пленок состоит из трех этапов: сушки, удаления связывающего вещества и высокотемпературного обжига. Сушку производят при температуре не выше 1250С на горячих пластинах или в печах с инфракрасным источником тепла в течение 5 – 12 минут. Инфракрасные печи используются потому, что при таком способе сушки не образуется корки, которая препятствует удалению связывающих веществ, входящих в пасту. При обжиге органическая связка пасты выгорает, стеклянный порошок плавится, смачивает частицы металла, а при охлаждении обеспечивает сцепление их между собой и с керамической подложкой. Вжигание паст производится в конвейерных печах. Режимы вжигания определяются характеристиками материалов паст и подложек. Вжигание производится при температурах 700 – 10000С. Температурный график процесса вжигания представлен на рис. 4.8. На участке I в зоне предварительного нагрева происходит окончательное удаление органических составляющих пасты. Наиболее ответственной является зона II, зона максимального нагрева, особенно для резистивных паст. Ее протяженность во времени, и точность поддержания температуры определяет разброс сопротивлений резисторов. В идеальном случае зона II должна быть плоской (как пунктир), но в реальных печах этого достигнуть не удается. Зона III – зона охлаждения. В ней должна обеспечиваться оптимальная скорость охлаждения подложек, чтобы не возникали трещины в пленке. На поверхности пленочных элементов после их термообработки не должно быть трещин, пузырей, царапин, отслоений. Структурная схема типового технологического процесса изготовления толстопленочных ГИМС представлена на рис. 5. . 4.6. ПОДГОНКА ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ Основные причины появления погрешностей толстопленочных компонентов: - отклонение температурного режима печи при термообработке; - не выдерживается толщина пленочного компонента; - неточность совмещения трафаретов. Подгонка толстопленочных компонентов может осуществляться двумя способами: 1. Изменением структуры и свойств материалов (удельное сопротивление или диэлектрическая постоянная). 2. Изменением геометрии компонентов. Этот способ получил наибольшее распространение. Геометрию толстопленочных резисторов можно изменять путем изменения толщины резистивной пленки или ширины резистора. Толстопленочные резисторы при хорошо отработанной технологии имеют разброс сопротивлений ± 10 – 15 %. Конденсаторы подгоняются посредством удаления части верхней обкладки, в результате чего изменяется эффективная площадь конденсатора. Необходимо заметить, что подгонка конденсаторов в толстопленочной технологии очень трудоемка, следовательно, малопроизводительна, требует очень высокой квалификации оператора. При подгонке не должна повреждаться диэлектрическая пленка. Все это привело к тому, что в толстопленочной технологии подгонка конденсаторов осуществляется редко, и чаще используют навесные конденсаторы. Методы подгонки толстопленочных резисторов. В настоящее время применяются следующие основные методы подгонки резисторов: - механический; - пескоструйный; - высокочастотный; - лазерный; - химический и электрохимический. При механическом методе подгонка осуществляется при помощи алмазного бора, вращающегося со скоростью 100 тысяч об/мин, путем фрезерования резистивной пленки. Метод при достаточно высокой производительности и простоте оборудования имеет ряд недостатков: - влагоустойчивость резистора уменьшается, так как зона обработки после подгонки не защищена пленкой и проникающая в резистор влага изменяет его сопротивление; - возможно образование микротрещин, что ведет к браку и увеличению паразитных шумов резистора; - применение алмазного бора ограничивает возможность подгонки резисторов небольших номиналов (как правило, небольших размеров), так как бор небольшого диаметра имеет недостаточную механическую прочность. При пескоструйном методе подгонка осуществляется путем вырезания части резистора струей воздуха, несущего абразив. В качестве абразива обычно применяется окись алюминия, состоящая из частиц диаметром от 10 до 500 мкм. Точность подгонки зависит от скорости передвижения резистора под форсункой. Метод находит широкое применение на практике. Лазерный метод подгонки является наиболее перспективным. Он обладает следующими преимуществами: - позволяет осуществлять подгонку резисторов размером менее 1 мм; - высокая скорость испарения материала резистора обеспечивают высокую производительность; - место обработки резистора лазерным лучом оплавляется стеклом, препятствующим проникновению в резистор влаги; - инерционность системы очень мала, что увеличивает точность подгонки. На практике при лазерной подгонке используют несколько способов воздействия на материал пленки: - изменение геометрии резистора с помощью различных резов; - облучение материала резистора лазерным лучом (без разрушения), в результате которого меняется структура пленки и ее сопротивление; - нагревание материала пленки лазерным лучом (без разрушения) до некоторой температуры, при которой происходит рекристаллизация, приводящая к уменьшению электрического сопротивления за счет уплотнения ее структуры. Этот способ особенно эффективен при подгонке сопротивления металлических резисторов, не прошедших термическую обработку в вакууме и металлокерамических резисторов, представляющих собой двухфазные системы, такие как Cr – SiO2, Au – Cr2O3. Импульсное тепловое воздействие луча лазера может быть локализовано в весьма малой зоне, что позволяет подгонять каждый резистор отдельно в схемах большой плотности и сложной конфигурации. Применение лазера позволяет в 10 – 20 раз увеличить производительность труда по сравнению с механическими методами. Существуют промышленные установки с электронным управлением и производительностью подгонки до 5 тысяч резисторов в час. Для подгонки толстопленочных резисторов используют лазеры на СО2. 5. ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ 5.1. ЦЕЛИ ИСПЫТАНИЙ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПОГРЕШНОСТИ И ПАРАМЕТРЫ. Процесс изготовления любых изделий аэрокосмической техники заканчивается циклом контрольно-поверочных испытаний. Испытания – экспериментальное определение количественных и качественных характеристик параметров изделия путем воздействия на него или его модель спланированного комплекса внешних возмущающих факторов (ВВФ). Основными целями испытаний изделий аэрокосмической техники являются: 1. Экспериментальное подтверждение теоретических расчетов, принятых допущений и гипотез, заданных показателей качества, в условиях, близких к эксплуатационным, а также получение оценок позволяющих определить резервы повышения качества конструкторско-технологических решений и резервы надежности разработанных изделий. 2. Контроль качества технологии и организации производства, соблюдения в производстве и эксплуатации требований технической и технологической документации. 3. Устранение дефектов взаимодействия изделий в составе комплексов (систем) бортового аэрокосмического оборудования. Выделяют три группы задач, решаемых в ходе проведения испытаний: - получение эмпирических данных, необходимых для проектирования изделий; - установление соответствия изделий тактико-техническим требованиям; - определение предельного состояния изделий в процессе эксплуатации. Таким образом, проведение испытаний направлено на выявление: - недостатков конструкции и технологии изготовления изделий, которые не позволяют изделию качественно и надежно выполнять целевые функции в условиях эксплуатации; - отклонений от конструкции или технологии, допущенные в производстве; - скрытых случайных дефектов материалов, комплектующих изделий, не поддающихся обнаружению при существующих методах технического контроля; - резервов повышения качества и надежности конструктивно-технологических решений. 5.2. ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ После изготовления изделия АРКТ подвергаются испытаниям, при которых экспериментальным путем определяются фактические значения параметров и показателей качества изделий. Виды испытаний, их объем и содержание зависят от типа производства, вида изделия, его назначения и регламентируются ГОСТами. Испытания могут проводиться с целью контроля качества продукции (испытания) и с целью изучения ее параметров и показателей качества (исследовательские испытания). По срокам проведения различают испытания ускоренные и неускоренные. Ускоренные испытания проводятся при форсированных режимах и экстремальных условиях (повышенная температура и нагрузка, учащенный цикл нагрузки и т.п.). При этом не должно наблюдаться деформации закона распределения контролируемых параметров. По методу проведения различают испытания разрушающие и неразрушающие. После проведения разрушающих испытаний изделие становится непригодным к дальнейшему использованию. Испытания могут проводиться на этапах производства и в условиях эксплуатации. Испытания опытных образцов изделий существенно отличаются от испытаний изделий, изготавливаемых серийно. Испытания опытных образцов разделяются на предварительные, основной задачей которых является предварительная проверка соответствия опытного образца заданным ТУ, и государственные, проводимые с целью полной проверки соответствия опытного образца заданным ТУ и выяснения возможности запуска таких изделий в серийное производство. Испытания изделий могут быть стендовыми и летными и производятся в соответствии с программами испытаний, разработанными для данного опытного образца. Летные испытания не проводятся, если по результатам стендовых испытаний можно полностью проверить тактико-технические характеристики опытного образца. В серийном производстве изготовленные изделия подвергаются испытаниям, которые можно разделить на приемные, приемо-сдаточные, периодические (типовые контрольные) и проверочные. Эти испытания распространяются на изделия, изготовленные как в установившемся серийном производстве, так и опытными или установочными партиями (сериями). Приемные испытания изделий имеют целью проверку соответствия изготовленных изделий требованиям технической документации или эталона (образца). Приемные испытания могут быть сплошными (стопроцентными), когда испытанию подвергается каждое из изготовленных изделий, и выборочными, когда подвергаются дополнительным испытаниям отдельные, произвольно выбранные изделия, из числа прошедших стопроцентные испытания. Количество изделий, подвергаемых выборочным испытаниям, определяется техническими условиями (ТУ). При сплошных испытаниях изделия, не удовлетворяющие установленным требованиям, возвращаются без прекращения дальнейших испытаний всех остальных изделий. Если хотя бы одно из изделий, отобранных для выборочных испытаний, не выдержало какой-либо проверки, вся партия возвращается для повторной проверки и исправления. В случаях, когда это целесообразно (например, при необходимости использования сложного контрольно-поверочного оборудования), с приемными испытаниями совмещают приемо-сдаточные, которые могут производиться при участии представителя заказчика. При приемных и приемо-сдаточных испытаниях обычно проверяют: комплектность и соответствие изделий технической документации; соответствие ТУ отдельных приборов, блоков и комплекта в целом; надежность блокировки, защиту обслуживающего персонала от высоких напряжений и других вредных воздействий; электрические, радиотехнические и прочие параметры в нормальных климатических условиях, после замены отдельных сменных элементов и блоков (например, электрорадиоэлементов и др.) и при изменении частоты и напряжения питания; электрическую прочность и сопротивление изоляции, а также качество соединения на корпус (заземления); наличие смазки в местах, предусмотренных конструкцией и доступных для осмотра; наличие и правильность маркировки и клеймения; качество стопорящих и фиксирующих устройств; качество защитных и декоративных покрытий (визуально); работу индикаторных и сигнальных устройств, а также органов регулировки и управления; качество сочленения разъемных и контактных узлов; качество светящихся составов временного действия; герметичность и качество уплотнений. В программу испытаний могут быть включены также и другие поверочные операции. Периодические (контрольные) испытания изделий АРКТ производятся с целью проверки соответствия изделий всем требованиям технических условий. Периодические испытания проводятся не реже одного раза в год, причем испытаниям подвергаются 2-5 изделий (или другое количество в соответствии с ТУ или ведомственными нормалями), отобранных выборочно из числа прошедших приемо-сдаточные испытания. В программе периодических испытаний в зависимости от назначения изделия проверяют: вес, комплектность и соответствие изделий спецификациям, сборочным чертежам и общим схемам; взаимозаменяемость сменных приборов, узлов и деталей; электрические, радиотехнические и другие параметры в нормальных климатических условиях, после замены сменных элементов (например, электрорадиоэлементов) и при изменении частоты и напряжения питания; плавность работы механизмов управления и отсчетных устройств; защиту изделий от перегрузок и коротких замыканий, помехозащищенность, электрическую прочность и сопротивление изоляции; отсутствие резонанса конструктивных элементов; устойчивость к механическим и климатическим воздействиям; вибрации, повторяющимся ударам, линейным (центробежным) нагрузкам, одиночным ударам с большим ускорением, акустическим шумам, ветрам, циклическим изменениям температуры, влажности, низким и высоким температурам, быстрым изменениям давлений, солнечной радиации, морскому туману, пыли и грибкам; прочность при транспортировании, падении, ударах и вибрациях в заданном диапазоне частот; количественные показатели надежности; защитные свойства корпусов и уплотнений (герметичность, водопроницаемость, водозащищенность, брызгозащищенность, пылезащищенность). При освоении изделий новым производством периодические контрольные испытания могут повторяться ежемесячно в течение трех месяцев. Типовые (проверочные испытания) проводятся с целью определения соответствия изделий требованиям ТУ в случае изменений принципиальной схемы, конструкции или технологии изготовления изделий. Количество изделий для проведения проверочных испытаний устанавливается в каждом случае отдельно. Программа проверочных испытаний должна предусматривать проверку тех характеристик и параметров, на которые могли повлиять изменения схемы, конструкции или технологии. Параметрические испытания проводятся для проверки соответствия выходных параметров изделия требованиям ТУ, установленному образцу и конструкторской документации. Эти испытания входят в состав всех видов испытаний: предварительных, государственных, приемо-сдаточных, периодических и типовых. Все испытания разделяются на механические, электрические и климатические. После проведения всех видов испытаний изделие должно сохранять выходные параметры на требуемом уровне. Механические испытания проводятся для проверки устойчивости изделий к воздействию вибрации, ударов, линейных перегрузок, транспортной тряски. Механические испытания входят в состав предварительных, государственных и периодических испытаний и частично в состав приемо-сдаточных и типовых. Электрические испытания проводятся с целью проверки параметров электрической изоляции. Они входят в состав всех видов испытаний. Климатические испытания проводятся с целью определения устойчивости параметров изделия к воздействию метеорологических факторов: температуры, влажности, давления, росы и т.п. Они также входят в состав всех видов испытаний. Климатические испытания проводят после механических испытаний. Специальные испытания – проводят с целью определения устойчивости параметров изделий в специальных условиях: воздействие вакуума, глубокого холода, радиации, взрывной волны, интенсивного инфракрасного или ультрафиолетового излучения и т.п. 5.3. ВЫБОР ВИДА И СОСТАВЛЕНИЕ ПРОГРАММЫ ИСПЫТАНИЙ Вид испытаний, которым подвергается изделие, определяется стадией разработки изделия, типом производства, назначением изделия и условиями его эксплуатации. Содержание, последовательность и характер испытаний регламентируется и определяется ГОСТами на изделие или ТУ. ГОСТы и ТУ содержат все проверочные комплексы, соответствующие условиям эксплуатации, транспортировки и хранения изделий, а также программу и методику испытаний. Исходными данными для проектирования технологических процессов испытаний являются: технические параметры изделия, тип производства, ГОСТы и ТУ на изделие, характеристики и перечень имеющегося в наличии испытательного оборудования и измерительных приборов. Программа и методика испытаний разрабатываются на стадии конструкторской подготовки производства, а затем уточняются после каждого этапа проведения испытаний. В программе должны быть указаны вид, место и условия проведения испытаний, применяемое испытательное оборудование, контрольно-измерительная аппаратура и схемы ее подключения, указывается последовательность задания режимов испытаний и методика измерения входных и выходных параметров, методы оценки результатов испытаний. Указывается также методика отбора изделий на испытания. Программа и методика испытаний утверждается руководителем предприятия и согласовывается с заказчиком. Технология проведения испытания зависят от вида этих испытаний и типа производства. В качестве примера рассмотрим кратко технологию приемо-сдаточных испытаний. Приемо-сдаточным испытаниям подвергают серийно выпускаемые изделия для проверки их соответствия требованиям ГОСТ, нормалей и ТУ. Нормативными документами на конкретное изделие устанавливаются правила приемки, в которых указывается количество изделий из партии, предъявленной к сдаче. Указывается также, какие изделия должны предъявляться на приемо-сдаточные испытания, определяется правило браковки партии. Приемка изделий проводится представителем ОТК, а сдача – работниками цеха. Вначале проводится проверка комплектности, затем проверяется внешний вид изделия, качество сборки, покраски, соответствия чертежам. После этого изделие проходит полный цикл испытания в соответствии с ТУ. В заключение заполняется протокол приемо-сдаточных испытаний (его форма устанавливается ТУ), изделие упаковывается и направляется на склад готовой продукции. Составление программы испытаний представляет собой отдельный важный этап работы. Программа должна быть настолько подробной, чтобы проведение испытаний можно было поручить другому, ранее не знакомому с этой работой, менее квалифицированному сотруднику, а также в любой момент повторить испытания. Программа испытаний должна состоять из следующих разделов. Первый раздел. Цель проведения испытаний. В этом разделе следует четко указать и причину проведения испытаний и конкретные результаты, которые должны быть получены. Второй раздел. Исследуемые параметры. В этом разделе следует возможно подробнее и точнее с помощью общепринятых и однозначных терминов сформулировать, что подразумевается под исследуемым параметром, указанном в первом разделе, и указать точность его измерения. Третий раздел. Применяемые приборы и приспособления. В этом разделе указываются конкретные приборы, используемые для измерения исследуемого параметра с указанной точностью. Четвертый раздел. Условия проведения испытаний. В этом разделе указывается, при каких климатических условиях и при каких видах механического воздействия осуществляется проверка исследуемых параметров, а также начальные условия, т.е. пределы изменения напряжения питания и входного воздействия. Пятый раздел. Методика проведения испытаний. В этом разделе следует подробно во временной последовательности указать все операции, производимые над исследуемым изделием. Составление столь подробной программы испытаний необходимо, потому что любая ошибка, допущенная во время испытаний, может быть незаметна настолько, что потребуется длительное время на ее поиски. Чем тщательнее будет продумана и расписана программа испытаний, тем больше гарантия получения правильных результатов. После составления программы испытаний, подготовки приборов и оборудования приступают непосредственно к этапу проведения испытаний. Проведение испытаний. Испытания проводятся строго в соответствии с программой испытаний. Результаты испытаний заносятся в протокол. Испытания делятся на два этапа. Первый этап – регистрация всех наблюдаемых явлений, даже на первый взгляд малозначительных и не влияющих на работу изделия. На этом этапе необходима строгая регистрация наблюдаемых очевидных фактов и не должно быть места домыслам, догадкам и гипотезам. Это объективные факты, не вызывающие сомнений. Необходимо следить за тем, чтобы измерения проводились в строго одинаковых условиях, иначе можно получить неверные результаты. Следует избегать косвенных методов измерений, а стремиться к прямому определению величины исследуемого параметра. Если при проведении испытаний необходимо установить какие-то начальные условия испытаний, то в протоколе следует указать окончательные значения начальных условий, как вытекающие из зарегистрированных фактов, и произвести данные измерения и расчеты. При записи показаний приборов необходимо записывать не окончательное значение измеряемого параметра с учетом масштаба, а показание на шкале прибора и масштаб измерения, а уж потом записать окончательное значение параметра. Эти простые правила необходимо выполнять, чтобы избежать ошибок, на поиски которых обычно уходит много времени. Второй этап – субъективная часть испытаний. На втором этапе делаются выводы на основе зарегистрированных на первом этапе объективных фактов. Выводы не должны быть предположительными, а должны быть построены на объективной причинной зависимости явлений и опираться на зарегистрированные факты. В задачу каждого измерения входит оценка точности полученных результатов. Часто стараются произвести измерения с наибольшей достижимой точностью. Не следует увлекаться получением излишней точности, когда она не нужна, но необходимо прилагать максимум усилий для достижения максимальной точности, когда это требуется. Надо иметь в виду, что очень часто именно повышение точности измерений позволяет вскрыть новые, ранее неизвестные закономерности. 5.4 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Применяемые в настоящее время методы испытаний можно разделить на две группы: 1. Физические испытания реальной аппаратуры или ее макетов. 2. Испытания, осуществляемые моделированием. Физические (натурные) испытания могут осуществляться в эксплуатационных и лабораторных условиях. Лабораторные испытания отличаются от условий реальной эксплуатации тем, что при их проведении еще не удается создать внешние воздействия (полная нагрузка) одновременно. Обычно в лабораторных испытаниях изделия подвергаются воздействию одного – двух определенных воздействий, что приводит к результатам, несколько отличающимся от полученных при реальной эксплуатации. Физические испытания могут проводиться, как при воздействии внешних факторов, создаваемых искусственным путем с применением специальных испытательных стендов и специального испытательного оборудования, так и при воздействии естественных факторов. В зависимости от указанных условий и организации испытаний они классифицируются на: - лабораторные испытания; - стендовые испытания; - полигонные испытания; - натурные испытания; - эксплуатационные испытания. Лабораторные и стендовые испытания отличаются от испытаний в реальных условиях эксплуатации тем, что при их проведении пока еще представляется возможным моделировать все внешние воздействия одновременно в той же совокупности, которая имеет место при реальной эксплуатации. Обычно при лабораторных и стендовых испытаниях изделия подвергаются воздействию одного или нескольких определенных климатических, механических или других факторов. Полигонные испытания проводят на специально оборудованных полигонах. Широко распространены полигонные испытания изделий, предназначенных для эксплуатации и хранения только в определенных климатических условиях – их проводят на полигонах, расположенных в пунктах, имеющих характерные климатические параметры внешней среды. Натурные испытания – испытания изделий в условиях, соответствующих условиям их использованию по прямому назначению с непосредственной оценкой или контролем определенных тактико-технических характеристик изделий. Объективность натурных испытаний может быть обеспечена при выполнении трех основных условий: - испытаниям подвергаются серийно изготовленные образцы изделий; - испытания проводятся при воздействии на изделия факторов, действующих в реальных условиях эксплуатации; - определяемые тактико-технические характеристики изделий измеряются только непосредственно, без применения специальных дополнительных экспериментальных или аналитических зависимостей. Цель полигонных и натурных испытаний – исследование комплексного влияния реальных, естественных, воздействующих климатических, механических и других факторов на изменение параметров изделия и вызывающих их обратимые и необратимые отказы при эксплуатации, длительной консервации и хранении. Эти испытания обеспечивают получение полной и достоверной информации о комплексном влиянии факторов окружающей среды на параметры изделий аэрокосмической техники. По результатам полигонных и натурных испытаний разрабатываются рекомендации по способам защиты изделий от воздействия внешних факторов. Эксплуатационные испытания – испытания объекта, проводимые непосредственно в условиях эксплуатации. Одним из основных видов эксплуатационных испытаний является опытная эксплуатация изделий. Иногда проводится подконтрольная эксплуатация, которая условно может быть отнесена к эксплуатационным испытаниям. Испытания с использованием моделей осуществляются методами физического и математического моделирования. Применение этих методов позволяет отказаться от ряда сложных физических испытаний образцов реальных изделий или их макетов. Все испытания можно разделить на механические, климатические и электрические. 5.5 МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Большинство изделий аэрокосмической техники в процессе эксплуатации и при транспортировке подвергаются различным механическим воздействиям. Результатом такого воздействия является возникновение вредного колебательного процесса, получившего название вибрации. Вибрацией принято также называть колебательное движение, воспроизводимое с испытательной целью специальными устройствами - вибрационными стендами и вибраторами. Частным случаем импульсной вибрации является одиночный механический импульс, называемый ударом. В зависимости от целей испытаний на воздействие вибрационных и ударных нагрузок различают проверку на прочность и на устойчивость. Цель проверки на прочность – установление способности изделия противостоять разрушающему влиянию механических воздействий и продолжать после их прекращения нормально выполнять свои функции. Цель проверки на устойчивость – установление способности изделия выполнять свои функции и сохранять электрические параметры при механических воздействиях в пределах норм, указанных в ТУ. К механическим испытаниям относится проверка работы изделия в условиях воздействия на него механических факторов, создаваемых в реальной обстановке или с помощью специальных испытательных устройств. Механические испытания включают проверку вибропрочности, виброустойчивости, ударной прочности, устойчивости к воздействию центробежного ускорения и ускорений, возникающих при транспортировке. Механические испытания проводятся в нормальных климатических условиях, кроме особо оговоренных случаев. Как правило, проверяемые изделия закрепляют на испытательных стендах так же, как это делается при эксплуатации. Испытания вибропрочности проводят на одной частоте вибрации с целью выявления грубых технологических дефектов и в заданном диапазоне частот с целью проверки способности изделия противостоять разрушающему действию вибрации и выполнять свои функции во время и после действия вибрации. Вибрация создается методом качающейся частоты или методом фиксированных частот. Осмотр внешнего вида и проверку параметров изделия производят до и после испытания. Испытания на виброустойчивость проводят с целью проверки способности изделий выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм в условиях вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений. Проверка виброустойчивости изделий проводится обычно при плавном изменении в течение 3-5 мин частоты от нижнего предела до верхнего и обратно. В ряде случаев изделия подвергаются также испытаниям для обнаружения резонанса конструктивных элементов. Также следует упомянуть об испытаниях изделий на акустическую устойчивость, когда проверяется способность изделия выполнять свои функции и сохранять установленные параметры в заданных пределах при воздействии акустических шумов, предусмотренных ТУ. Испытания на ударную прочность проводятся с целью проверки способности изделия противостоять разрушающему действию ударов и выполнять свои функции после их воздействия. В отличие от этого испытания на ударную устойчивость преследуют цель проверки способности изделия выполнять свои функции при воздействии ударных нагрузок. Испытания ударной прочности и устойчивости выполняются на ударных стендах, сообщающих проверяемому изделию, находящемуся во включенном состоянии, определенное количество ударных ускорений, величину которых, как и продолжительность импульса, устанавливают в зависимости от веса прибора. В ряде случаев производятся также испытания на устойчивость изделия к воздействию одиночных ударов с большим ускорением для проверки его способности противостоять действию таких ударов и выполнять свои функции в процессе и после их воздействия. Испытания на прочность при падении выполняются с целью проверки отсутствия разрушений в конструкции и целостности креплений элементов при возможных падениях. Устойчивость изделий к воздействию центробежных ускорений проверяют на центрифугах, обычно включив изделие и выдерживая заданную величину ускорения примерно в центре тяжести испытуемого изделия. Время разгона и остановки центрифуги в продолжительность испытаний не включают. Испытания на наличие и отсутствие резонансных частот проводят с целью проверки механических свойств изделия и получения исходной информации для выбора методов испытаний на виброустойчивость, вибропрочность, на воздействие акустического шума, а также для выбора длительности действия ударного ускорения при испытаниях на воздействие механических ударов одиночного и многократного действия. Значения резонансных частот конструкции, выявленные в процессе испытаний, должны быть указаны в стандартах и ТУ на изделие. Испытания проводят на отдельной выборке изделий, равной 3 – 5 шт. Вибрационная установка должна обеспечивать получение синусоидальных колебаний во всем диапазоне частот, установленном в стандартах и ТУ на изделие. Испытания проводят в диапазоне частот 0,2 fр – 1,5 fр , но не выше 20000 Гц, где fр – резонансная частота, определяемая методом расчета или на основании испытаний аналогичной конструкции. Если не известно ориентировочное значение резонансной частоты, то испытания проводят в диапазоне частот 40 – 20000 Гц или до частоты, установленной в стандартах и ТУ на изделие. Поиск резонансных частот проводят путем плавного изменения частот при поддержании постоянной амплитуды ускорений. Амплитуда ускорения должна быть минимально возможной, но достаточной для выявления резонанса и не превышать амплитуду ускорения, установленную для испытания на вибропрочность. Испытания на воздействие акустического шума проводят с целью определения способности изделия выполнять свои функции и сохранять свои параметры в пределах норм, указанных в стандартах и ТУ на изделие, в условиях воздействия повышенного акустического шума. Испытания проводят одним из следующих методов: - испытания путем воздействия на изделие случайного акустического шума; - испытания путем воздействия на изделия акустического шума меняющейся частоты. При первом методе испытательная установка должна обеспечивать получение случайного акустического шума в диапазоне частот 10000 Гц при уровне звукового давления, соответствующем требуемой степени жесткости. Испытания проводят в реверберационной акустической камере. Предпочтительна камера в форме неправильного пятиугольника, причем размер стороны пятиугольника должен не менее чем в два раза превышать наибольший габаритный размер изделия. Крепление изделий или приспособлений с изделиями производят в рабочей зоне камеры на эластичных растяжках (резиновые шнуры, полосы и т.п.). Резонансная частота приспособления, если оно применяется, должна быть не ниже 15 КГц. Испытания проводят под электрической нагрузкой путем воздействия акустического шума в диапазоне частот 125 – 10000 Гц, при общем уровне шума в пределах 130 – 170 дБ. В процессе испытания проводят контроль параметров изделий. Рекомендуется выбирать такие параметры, по изменению которых можно судить об устойчивости изделия к воздействию акустического шума (например, уровень виброшумов, искажение выходного сигнала или изменение его значения, целостность электрической цепи, изменение контактного сопротивления и т.д.). При втором методе испытательная установка должна обеспечивать получение акустического шума меняющейся частоты в диапазоне 125 – 10000 Гц при уровне звукового давления, соответствующем требуемой степени жесткости. Испытания проводят под электрической нагрузкой путем воздействия тона меняющейся частоты в диапазоне частот 200 – 1000 Гц. Уровень звукового давления должен лежать в пределах 120 – 160 дБ. Испытания проводят при плавном изменении частоты по всему диапазону от низшей к высшей и обратно (один цикл) в течение 30 мин, если большее время не требуется для контроля параметров изделия. В процессе испытаний проводят контроль параметров изделий. Испытания изделия на прочность при транспортировании выполняются с целью проверки их способности противостоять разрушающему действию механических нагрузок, возникающих при их перевозке любым транспортом на любое расстояние. Испытания устойчивости изделия к воздействию ускорений, возникающих при перевозке, производят либо с помощью вибрационных и ударных установок, позволяющих имитировать соответствующие ускорения, либо непосредственным транспортированием изделий, упакованных в принятую для транспортировки тару, на грузовых автомобилях. Грузовые автомобили передвигаются по булыжным или грунтовым (проселочным) дорогам с установленной скоростью (например,20-30 км/час) на определенное расстояние (не менее 200 км). После испытания изделия осматривают и производят измерение параметров, указанных в ТУ. Иногда осмотр испытуемых изделий рекомендуется производить через каждые 100 км пробега. 5.6 КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ К климатическим относятся испытания изделий в условиях воздействия на них климатических факторов, создаваемых специальными установками. В зависимости от характера воздействия на изделие окружающей среды различают испытания влагоустойчивости, холодо- и теплоустойчивости, высотности, герметичности, брызго - и пылезащищенности и др. Климатические испытания рекомендуется проводить после выполнения механических и электрических испытаний. Условия климатических испытаний могут быть как нормальными (температура +25±10°С, относительная влажность 65±15%, атмосферное давление 760±30 мм рт. ст.), так и особыми, отличающимися от указанных выше. Режимы и условия испытаний устанавливаются в зависимости от жесткости, которая, в свою очередь, определяется условиями дальнейшей эксплуатации изделий. Различают 14 степеней жесткости испытаний изделий. Испытания на влагоустойчивость. Возможны две основные формы взаимодействия воды с материалами: при первой форме вода проникает во все трещины, зазоры, капилляры или находится на поверхности вещества, удерживаясь на его частицах. При второй форме вода оказывается химически связанной с элементами вещества. Различают два вида испытаний на влагоустойчивость: при длительном и кратковременном воздействии. Испытания при длительном воздействии повышенной влажности проводят с целью определения устойчивости параметров изделия и выявления различных дефектов (коррозия, повреждение покрытий). Испытания при кратковременных воздействиях производят для выявления дефектов, которые могут возникнуть из-за нарушения технологии производства изделий и качества применяемых в производстве материалов. В зависимости от условий эксплуатации, в которых должны работать испытуемые изделия, их подвергают циклическим или непрерывным испытаниям с выпадением или без выпадения росы. Любому виду испытаний предшествует внешний осмотр изделия и измерение параметров. Далее изделие помещают в камеру влажности и при необходимости закрепляют, а иногда механически нагружают. Температуру в камере повышают до 40 - 500С и выдерживают в течение времени, предусмотренного в ТУ, но не более двух часов. Затем в зависимости от заданного режима испытаний устанавливают требуемую температуру и относительную влажность. Несмотря на то, что испытания, на длительное воздействие не предусматривают выпадения росы, ее кратковременное появление считают допустимым. При испытаниях на кратковременное непрерывное воздействие изделия в нерабочем состоянии выдерживают в камере в течение 2-15 суток. С целью ускорения процесса испытаний и приближения его к реальным условиям эксплуатации для некоторых видов изделий проводят циклические испытания. Ускорение процесса воздействия влаги на испытуемые изделия достигается повышением температуры и созданием условий выпадения росы. В зависимости от степени жесткости испытаний изделия могут подвергаться воздействию нескольких (от 2 до 6) циклов. После выключения источников тепла и влаги испытуемое изделие не извлекают из камеры, а подвергают выдержке. Время выдержки оговаривается в ТУ и зависит от вида испытаний и характера изделий. По окончании времени выдержки изделие извлекают из камеры и выдерживают еще определенное время в нормальных климатических условиях. При испытаниях на длительное воздействие время выдержки должно быть не менее 24 часов, а при испытаниях на кратковременное воздействие – 1-2 часа. После выдержки проводится внешний осмотр и измерение параметров. Соответствие параметров установленным требованиям позволяет считать, что изделие испытания выдержало. Перед измерением параметров изделие прогревают (выдерживают во включенном состоянии) в течение времени, указанного в ТУ, но не более 15 мин. Длительность измерений не должна превышать 10-15 мин. Испытания на холодо- и теплоустойчивость. Как показывает анализ, температура воздуха может колебаться от -700 до +680С. При эксплуатации авиационной аппаратуры перепады температуры могут достигать 800 С при скорости изменения температуры до 500 С в мин. Повышение температуры изделий может вызвать как постепенные, так и внезапные отказы, изменение физико-химических и механических свойств материалов и ЭРЭ, изменение сопротивления, угла диэлектрических потерь, электрической прочности, может привести к изменениям параметров элементов. Цель испытаний на теплоустойчивость – определение способности изделий сохранять свои параметры в условиях воздействия повышенной температуры. Возможны два варианта проведения испытаний: - питание и электрическая нагрузка включены на все время проведения испытаний, и периодически проводятся измерение параметров; - изделия находятся в выключенном состоянии и включаются только на время измерения параметров. Измерение параметров рекомендуется проводить не ранее чем через 10-15 мин.после включения. Их продолжительность не должна превышать 15мин. Если измерение параметров изделия внутри камеры оказывается невозможным, допускается изъятие изделия из камеры, но не более чем на 3 мин. Продолжительность испытаний определяется ТУ. Испытания на воздействие атмосферного давления. Условия эксплуатации различных изделий аэрокосмической техники приводят к необходимости их испытания на высотность, т.е. при пониженном атмосферном давлении. Взаимосвязь изменения давления и температуры с высотой вызывает необходимость рассмотрения испытаний на высотность при нормальной, повышенной и пониженной температуре. После внешнего осмотра и контроля основных параметров в нормальных условиях изделие помещают в барокамеру, позволяющую установить давление воздуха до 3 атм. и поддерживать его с погрешностью, не превышающей 0,2 атм. Время выдержки оговаривается ТУ. Следует иметь в виду, что после окончания испытаний на воздействие атмосферного давления необходимо с помощью вентиля впустить в камеру воздух и только после выравнивания давлений открывать крышку барокамеры. Испытания на пылеустойчивость. Аэрозоли (пыль) представляют собой мельчайшие частицы различного происхождения и различных физико-механических свойств. Пыль, оседая на поверхность различных элементов конструкции, создает условия для лучшего увлажнения, а это приводит к возникновению коррозии металлов. Увлажненная пыль на лакокрасочных покрытиях вызывает химические реакции, приводящие к их разрушению. Наличие пыли на ЭРЭ вызывает изменение их электрических параметров. Действие пыли может вызвать заедание движущихся частей, ускоряет износ контактов. Если изделие предназначено для работы в среде с повышенной концентрацией пыли, его подвергают испытанию на пылезащищенность, цель которого – выявление способности изделия не допустить попадания пыли внутрь корпуса (кожуха). Если изделие специально не защищено от проникновения пыли, но вынуждено работать в среде с повышенной концентрацией пыли, то для установления способности материалов и покрытий противостоять разрушающему (абразивному) воздействию пыли его испытывают на пылеустойчивость. Изделие помещают в камеру и размещают таким образом, чтобы воздействие пыли максимально соответствовало эксплуатационным условиям. Испытания проводят обдуванием изделия пылевой смесью определенного состава. При испытании на пылеустойчивость применяют просушенную пылевую смесь - 60-70% песка, 15-20% мела, 15-20% коалита. Величина частиц не должна быть более 50 мкм. Скорость циркуляции воздушно-пылевого потока 0,5-1,0 мс. Продолжительность обдува – 2 часа с последующей выдержкой для оседания пыли. При испытании пылезащищенность в состав пылевой смеси вводят флуоресцирующий порошок (сульфид цинка), позволяющий выявить проникновение пыли внутрь испытуемого изделия. При испытании изделие переносят в затемненное помещение и облучают ультрафиолетовым светом, под действием которого флуоресцирующий порошок начинает светиться. По окончании заданной продолжительности воздействия пыли производят измерение параметров на соответствие ТУ. Испытания на брызго - и водозащищенность. Аппаратура, предназначенная для работы на открытом воздухе в наземных условиях или на кораблях, под навесами, а также в условиях непосредственного погружения в воду, должна подвергаться испытаниям на брызгозащищенность (дождевание), водозащищенность и водонепроницаемость. Все эти испытания проводятся с целью выявления устойчивости работы изделия во время и после пребывания под указанными видами воздействия воды. При испытаниях на брызгозащищенность изделия подвергаются равномерному обрызгиванию водой со всех сторон под углом 45 с определенной интенсивностью. Для приближения к эксплуатационным условиям изделие устанавливают на вращающийся стол. Частота вращения 1-2 об. в мин. Годными считаются те изделия, у которых вода не попадает внутрь кожуха, а параметры соответствуют установленным нормам. Испытания на водопроницаемость осуществляют погружением испытуемого изделия в пресную или морскую воду на определенную глубину. Иногда при испытаниях на водопроницаемость их подвергают импульсному гидростатическому давлению. При этом к действующему в течение длительного времени постоянному давлению воды добавляется импульсное гидравлическое давление. Длительность импульса от 1 до 25 мс. Испытания на водозащищенность осуществляют воздействием струй пресной или морской воды с давлением 2 ат. в месте встречи с поверхностью испытуемого изделия. Для проведения испытаний используются камеры дождевания. После испытаний проверяют параметры изделия на соответствие ТУ. Радиационные испытания. Воздействующую на изделия АРКТ радиацию по ее происхождению можно разделить на естественную и искусственную. К естественной радиации относятся космические излучения, корпускулярное и рентгеновское излучение Солнца. Искусственная радиация возникает в результате ядерных реакций в реакторе или ядерных взрывов. Воздействие радиации на материалы, применяемые в АРКТ, приводит к нарушению: кристаллической структуры; образованию атомов примесей других элементов; ионизации; изменению структуры, распаду молекул, возникновению химических реакций; возникновению люминесценции; повышению температуры; уменьшению сопротивления резисторов; увеличению утечки конденсаторов; сдвигу обратных характеристик; увеличению сопротивления насыщения в прямом направлении у диодов; возрастанию рабочего тока, уменьшению коэффициента усиления, увеличению температуры утечки у триодов. Такие же изменения происходят и в интегральных микросхемах, но выражены они в большой степени. Радиационные испытания проводятся для определения устойчивости изделий к воздействию радиации, а также для проверки их способности выполнять свои функции и сохранять неизменными параметры в процессе и после пребывания в среде с повышенной радиоактивностью. При испытаниях целесообразно применять самопишущую измерительную аппаратуру со специальным экранированием, исключающим наводки. Для проведения испытаний изделия монтируются на длинные шасси, которые помещаются на специальные стеллажи для транспортировки. Далее при помощи эскалатора шасси устанавливают в непосредственной близости от реактора. Связь с измерительной аппаратурой и источниками питания осуществляется при помощи кабелей, припускаемых через заполненный водой кабельный канал. Для испытаний используются специальные импульсные реакторы. После испытаний изделия проверяются на соответствие ТУ. Электрические испытания. К электрическим испытаниям изоляции токоведущих частей относятся проверка электрической прочности изоляции и измерение ее электрического сопротивления. Испытания по определению количественных показателей надежности могут проводиться как в лабораторных, так и непосредственно в эксплуатационных условиях. При оценке результатов этих испытаний учитываются все отказы, возникшие во время испытаний (в том числе и при проведении профилактических работ и проверок) за исключением отказов, возникших вследствие грубого нарушения инструкции по эксплуатации изделия. С целью определения пригодности изделий к выполнению своих функций после установленных сроков длительного хранения проводят испытания на хранение.