RU2507306C1 - Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments - Google Patents
Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments Download PDFInfo
- Publication number
- RU2507306C1 RU2507306C1 RU2012138783/02A RU2012138783A RU2507306C1 RU 2507306 C1 RU2507306 C1 RU 2507306C1 RU 2012138783/02 A RU2012138783/02 A RU 2012138783/02A RU 2012138783 A RU2012138783 A RU 2012138783A RU 2507306 C1 RU2507306 C1 RU 2507306C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- axis
- parts
- rods
- flow
- sprayed
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000429 assembly Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 230000000712 assembly Effects 0.000 title claims abstract description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 title description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 29
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 16
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 14
- 239000011364 vaporized material Substances 0.000 claims description 5
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии формообразования тонкопленочных покрытий способом магнетронного распыления и может быть использовано в точном приборостроении при разработке и изготовлении прецизионных газодинамических подшипников поплавковых гироскопов.The invention relates to the technology of forming thin-film coatings by the method of magnetron sputtering and can be used in precision instrumentation in the development and manufacture of precision gas-dynamic bearings of float gyroscopes.
В двухстепенном поплавковом гироскопе, разработанном в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», основными узлами являются выполняющий функцию кинетического момента ротор, жестко связанный с фланцами двух обращенных газодинамических подшипников, которые ориентируют ротор и задают входную ось чувствительности гироскопа. Технология изготовления деталей газодинамического подшипника включает формирование на окончательно выполненных с точностью в десятые доли микрометра рабочих полусферических поверхностях износостойкого покрытия нитрида титана TiN толщиной единицы микрометра. Наиболее эффективным методом получения покрытия является магнетронное напыление.In a two-stage float gyroscope developed by the Concern TsNII Elektribribor OJSC, the main nodes are the rotor that performs the function of kinetic momentum, rigidly connected to the flanges of two inverted gas-dynamic bearings, which orient the rotor and set the input axis of the gyro sensitivity. The manufacturing technology of parts of a gas-dynamic bearing involves forming hemispherical wear-resistant coatings of titanium nitride TiN with a thickness of one micrometer on the finished hemispherical surfaces finally made with precision in tenths of a micrometer. The most effective coating method is magnetron sputtering.
Точность гироскопа и стабильность его технических характеристик напрямую зависят от геометрии и качества рабочих поверхностей деталей газодинамических подшипников, и к покрытию TiN предъявляются жесткие требования по трибологическим свойствам, структурной однородности, а также по геометрии - по толщине слоя и допустимым отклонениям от ее номинального значения - на уровне десятых и сотых долей микрометра. Очевидно, что возможность получения указанного уровня точности во многом связана с конструктивным оформлением используемого оборудования и средств оснащения процесса магнетронного напыления. Важной характеристикой износостойкого покрытия TiN является идентичность его размерных параметров и свойств на рабочих поверхностях всего комплекта опор и фланцев подшипников, используемых в одном изделии. Это достигается созданием максимально равнозначных условий напыления для всех деталей комплекта, что осуществляется напылением этого комплекта за один технологический цикл, т.е. конструкция установки должна предусматривать многопозиционное напыление. Кроме того, одинаковые условия в значительной мере обеспечиваются строго симметричным расположением деталей относительно потока напыляемого материала, а также за счет вращения как обоймы (или блока редукции), на которой размещены штоки с деталями, так и самих штоков. Вращение усредняет возможное различие условий напыления, поскольку все детали равное время находятся во всех зонах напыления.The accuracy of the gyroscope and the stability of its technical characteristics directly depend on the geometry and quality of the working surfaces of the parts of gas-dynamic bearings, and strict requirements are imposed on the TiN coating in terms of tribological properties, structural uniformity, and also in geometry - in layer thickness and permissible deviations from its nominal value - the level of tenths and hundredths of a micrometer. Obviously, the possibility of obtaining the indicated level of accuracy is largely related to the design of the equipment used and the means of equipping the magnetron sputtering process. An important characteristic of the wear-resistant TiN coating is the identity of its dimensional parameters and properties on the working surfaces of the entire set of bearings and bearing flanges used in one product. This is achieved by creating the most equivalent spraying conditions for all parts of the kit, which is carried out by spraying this kit in one technological cycle, i.e. the design of the installation should include multi-position spraying. In addition, the same conditions are largely ensured by the strictly symmetrical arrangement of the parts relative to the flow of the sprayed material, as well as due to the rotation of both the cage (or reduction unit) on which the rods with parts are located, and the rods themselves. Rotation averages the possible difference in spraying conditions, since all parts are in equal time for all spraying zones.
Известна установка для напыления покрытий [заявка Японии №63-65071], включающая вакуумную камеру, магнетронные распылители-мишени, устройства подачи газа, привод вращения держателей подложек в одну сторону и привод вращения приспособления, на котором крепятся подложки, в другую сторону. Недостатком в данном случае является невозможность получения покрытий с точностью десятые доли микрометра на полусферических и криволинейных поверхностях, поскольку различные участки напыляемой поверхности ориентированы к потоку испаряемого с мишеней материала под разными углами, что определяет неоднородность покрытия по толщине и по свойствам.A known installation for spraying coatings [Japanese application No. 63-65071], comprising a vacuum chamber, magnetron sputter targets, gas supply devices, a rotation drive of the substrate holders in one direction and a rotation drive of the device on which the substrates are mounted in the other direction. The disadvantage in this case is the impossibility of obtaining coatings with an accuracy of a tenth of a micrometer on hemispherical and curved surfaces, since different parts of the sprayed surface are oriented to the flow of material evaporated from the targets at different angles, which determines the heterogeneity of the coating in thickness and properties.
Известна установка для напыления покрытий [патент РФ №2214477], включающая вакуумную камеру, распылители мишеней-катодов с анодными блоками, устройства регулирования подачи газа, держатели для подложек, вращающиеся в одном направлении, приспособление, на котором крепят указанные держатели, вращающееся в другом направлении, и устройство для вращения приспособления. Распылители-мишени числом не менее двух расположены таким образом, что их осевые линии образуют угол не более 90° и смещены по высоте друг относительно друга. Это позволяет улучшить условия напыления на поверхности сложной формы, в том числе и сферические. Однако обеспечить указанную выше, требуемую для газодинамических подшипников поплавкового гироскопа, точность и однородность покрытия представленная установка не позволяет. Кроме того, недостатком в данном случае является и сложность процесса многопозиционного напыления, что важно для комплекта деталей подшипника, куда входят два фланца и две опоры, которые в условиях одновременного напыления дают возможность получать покрытие, одинаковое по основным характеристикам. В установке приведенной конструкции сложность внутрикамерной конфигурации (два магнетрона) приводит к взаимному экранированию напыляемых деталей, и эффективность одновременного напыления не реализуется.A known installation for spraying coatings [RF patent No. 2214477], including a vacuum chamber, target cathode sprays with anode blocks, gas supply control devices, substrate holders rotating in one direction, a device on which these holders are mounted rotating in another direction , and a device for rotating the device. At least two target sprays are positioned so that their centerlines form an angle of not more than 90 ° and are offset in height relative to each other. This allows you to improve the deposition conditions on the surface of complex shape, including spherical. However, to ensure the above, required for gas-dynamic bearings of the float gyroscope, the accuracy and uniformity of the coating presented by the installation does not allow. In addition, the disadvantage in this case is the complexity of the multi-position spraying process, which is important for a set of bearing parts, which includes two flanges and two bearings, which under simultaneous spraying conditions make it possible to obtain a coating that is identical in basic characteristics. In the installation of the above design, the complexity of the intracameral configuration (two magnetrons) leads to mutual screening of the sprayed parts, and the efficiency of simultaneous spraying is not realized.
В качестве близких технических решений можно привести патенты РФ №2098511 и №2411304, где для повышения однородности напыляемых покрытий используется взаимное перемещение испарителя и подложек, а также патент Японии №6099803, в котором также применено вращение держателя подложек. Однако приведенные технические решения не решают задачи обеспечения однородности и качества получаемых покрытий на уровне, необходимом в гироскопических приборах.As close technical solutions, we can cite RF patents No. 2098511 and No. 2411304, where the mutual movement of the evaporator and the substrates is used to increase the uniformity of the sprayed coatings, as well as Japanese patent No. 6099803, which also uses the rotation of the substrate holder. However, the above technical solutions do not solve the problem of ensuring uniformity and quality of the resulting coatings at the level required in gyroscopic devices.
По наибольшему числу общих существенных признаков в качестве прототипа принята установка магнетронного напыления [С.Н.Беляев, Щербак А.Г. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющие форму тел вращения // Навигация и управление движением: Материалы Юбилейной X конференции молодых ученых. - ГНЦ РФ - ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, стр.68-73, ISBN 978-5-900780-88-7], содержащая вакуумную камеру, устройство подачи газа, распылитель-мишень, ионный источник и систему магнитов, создающие кольцевую зону потока испаряемого материала средним диаметром Dм, ориентированные в этой кольцевой зоне держатели с узлами крепления напыляемых деталей, вращающиеся с угловой скоростью w1 в одном направлении штоки количеством n с зафиксированными на их концах держателями, блок редукции, вращающийся с угловой скоростью w2 в другом направлении, на котором указанные штоки размещены с равным угловым шагом и на одинаковом расстоянии 1/2·Dш от его оси вращения. Для улучшения условий напыления покрытий на детали, имеющие форму тела вращения, в частности полусферические, плоскость, в которой лежат центры узлов крепления деталей и, соответственно, самих деталей наклонена к оси симметрии потока испаряемого материала под углом α с пересечением оси вращения указанного блока редукции и оси симметрии потока материала в точке, лежащей в этой плоскости. При этом образуется эллиптическая траектория перемещения узлов крепления деталей относительно плоскости, перпендикулярной оси симметрии потока испаряемого материала. Очевидно, что указанная траектория должна находиться в пределах кольцевой зоны потока испаряемого с мишени материала.According to the largest number of common essential features, the installation of magnetron sputtering was adopted as a prototype [S.N. Belyaev, A. Scherbak Means of equipping the processes of spraying coatings on gyrodevice assemblies having the form of bodies of revolution // Navigation and Motion Control: Materials of the 10th Anniversary Conference of Young Scientists. - State Research Center of the Russian Federation - FSUE TsNII Elektropribor, 2009, p. 68-73, ISBN 978-5-900780-88-7], containing a vacuum chamber, a gas supply device, a target atomizer, an ion source and a system of magnets that create annular flow zone of vaporized material with an average diameter of D m , holders oriented in this annular zone with attachment points of sprayed parts, n-rods rotating at an angular speed w 1 in one direction with n-holders fixed at their ends, reduction unit rotating with an angular velocity w 2 in the other direction on which the decree These rods are placed with equal angular pitch and at the same distance 1/2 · D w from its axis of rotation. To improve the spraying conditions of coatings on parts having the shape of a body of revolution, in particular hemispherical, the plane in which the centers of the attachment points of the parts and, accordingly, the parts themselves are inclined to the axis of symmetry of the flow of vaporized material at an angle α with the intersection of the axis of rotation of the specified reduction unit and axis of symmetry of the material flow at a point lying in this plane. In this case, an elliptical trajectory of the movement of the attachment points of the parts relative to the plane perpendicular to the axis of symmetry of the flow of evaporated material is formed. Obviously, this trajectory should be within the annular zone of the flow of material evaporated from the target.
Однако установка-прототип имеет такие недостатки, как ограниченные технические возможности и сложности получения покрытий, отвечающих требованиям точного приборостроения, что определяется следующими факторами:However, the prototype installation has such disadvantages as limited technical capabilities and the difficulty of obtaining coatings that meet the requirements of precision instrumentation, which is determined by the following factors:
1. Невысокое качество покрытий, поскольку наклон плоскости, в которой лежат центры напыляемых деталей, под углом α к оси симметрии потока испаряемого с мишени материала приводит к тому, что образующаяся эллиптическая траектория перемещения деталей относительно кольцевой зоны этого потока располагается в лучшем случае по всей ширине этой зоны. А в пределах этой зоны - от ее внутренней части до наружной - может иметь место нестабильность потока материала. Т.е. повысить эффективность процесса напыления за счет ориентации деталей не позволяет сопутствующая этому неравнозначность условий напыления в различных участках кольцевой зоны.1. The low quality of the coatings, since the inclination of the plane in which the centers of the sprayed parts lie at an angle α to the axis of symmetry of the flow of material evaporated from the target leads to the fact that the formed elliptical trajectory of the movement of parts relative to the annular zone of this flow is located, at best, over the entire width this zone. And within this zone - from its inner part to the outer - there may be instability in the flow of material. Those. to increase the efficiency of the spraying process due to the orientation of the parts does not allow the concomitant uneven spraying conditions in different parts of the annular zone.
2. Ограниченные возможности установки и процесса напыления, т.к. угол наклона - угол α - ограничен шириной кольцевой зоны потока испаряемого с мишени материала исходя из того, что выход траектории перемещения деталей за пределы этой зоны крайне нежелателен, т.к. вносит неопределенность в процесс напыления покрытия в части его качества и повторяемости результатов. Это особенно важно для таких прецизионных деталей, как опоры и фланцы газодинамического подшипника поплавкового гироскопа, к которым, включая полученные методом магнетронного напыления покрытия, предъявляются требования по точности на уровне десятых и сотых долей микрометра.2. Limited installation and spraying capabilities, as the angle of inclination - angle α - is limited by the width of the annular zone of the flow of material evaporated from the target, on the basis that the exit of the trajectory of movement of parts outside this zone is extremely undesirable, introduces uncertainty into the coating spraying process in terms of its quality and repeatability of results. This is especially important for precision parts such as bearings and flanges of a gas-dynamic bearing of a float gyroscope, to which, including magnetron sputtering coatings, accuracy requirements are set at tenths and hundredths of a micrometer.
3. Возможная неоднородность функциональных характеристик покрытия, что недопустимо для износостойкого покрытия нитрида титана на рабочих полусферических поверхностях опор и фланцев газодинамического подшипника. Это определяется тем, что при магнетронном напылении идентичность условий напыления связана, помимо прочего, с протеканием химической реакции между азотом и испаряемым с мишени титаном с образования нитрида титана. А изменение концентрации или плотности потока испаряемого материала может приводить к отклонениям от стехиометрии получаемого покрытия и ухудшать его свойства и, как следствие, характеристики газодинамического подшипника.3. Possible heterogeneity of the functional characteristics of the coating, which is unacceptable for a wear-resistant coating of titanium nitride on the working hemispherical surfaces of the bearings and flanges of the gas-dynamic bearing. This is determined by the fact that during magnetron sputtering, the identity of the sputtering conditions is associated, inter alia, with the chemical reaction between nitrogen and titanium evaporated from the target with the formation of titanium nitride. A change in the concentration or flux density of the vaporized material can lead to deviations from the stoichiometry of the resulting coating and impair its properties and, as a result, the characteristics of the gas-dynamic bearing.
Задачей настоящего изобретения является расширение технических возможностей установки, а также повышение качества и функциональных характеристик напыляемых покрытий.The objective of the present invention is to expand the technical capabilities of the installation, as well as improving the quality and functional characteristics of sprayed coatings.
Согласно изобретению указанная задача решается тем, что держатели, в которых устанавливают напыляемые детали, выполнены в виде консольных элементов со смещением центров узлов крепления деталей относительно оси штока на величину L, связанную с диаметром Dш соотношением Dш/L=2(1+sinα)/(1-sinα), диаметр Dш, на котором размещены штоки, задан из выражения Dш·sinα<Dм<Ош, количество штоков n выбрано кратным четырем при условии n<180°/arcsin(L/2Dш), а соотношение угловых скоростей w1 и w2 определено из равенства w1=1/2·w2. При этом для каждых четырех штоков, расположенных по окружности диаметром Dш с угловым шагом 90°, для одной пары противолежащих штоков, расположенных на большой оси эллиптической траектории их перемещения, направление смещения L ориентировано к центру эллипса, а для второй пары противолежащих штоков, расположенных на малой оси этой траектории, направление смещения L ориентировано в сторону, противоположную центру указанного эллипса.According to the invention, this problem is solved in that the holders in which the sprayed parts are installed are made in the form of cantilever elements with a shift of the centers of the attachment points of the parts relative to the axis of the rod by the value L associated with the diameter D w by the ratio D w / L = 2 (1 + sinα ) / (1-sinα), the diameter D w , on which the rods are placed, is given from the expression D w · sinα <D m <O w , the number of rods n is selected as a multiple of four under the condition n <180 ° / arcsin (L / 2D w ), and the ratio of the angular velocities w 1 and w 2 is determined from the equality w 1 = 1/2 · w 2 . Moreover, for every four rods arranged in a circle with a diameter D W with an angular pitch of 90 °, for one pair of opposing rods located on the major axis of the elliptical trajectory of their movement, the direction of displacement L is oriented to the center of the ellipse, and for the second pair of opposing rods located on the minor axis of this trajectory, the direction of displacement L is oriented in the direction opposite to the center of the specified ellipse.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены основные конструктивные внутрикамерные элементы установки для напыления и показана их компоновка и взаимная ориентация, на фиг.2 - кинематика перемещений позиций напыляемых деталей в кольцевой зоне распыляемого с мишени материала в плоскости, перпендикулярной оси потока распыляемого материала, и на фиг.3 - схема функционирования установки.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the main structural intracameral elements of the installation for spraying and shows their layout and relative orientation, Fig. 2 shows the kinematics of movements of the positions of the sprayed parts in the annular zone of the material being sprayed from the target in a plane perpendicular to the axis of the flow of the sprayed material, and figure 3 is a diagram of the operation of the installation.
На фиг.1,2 и 3 обозначены:In Fig.1,2 and 3 are indicated:
1 - блок редукции, вращающийся с угловой скоростью w2 вокруг своей оси 0,02;1 - reduction unit rotating with an angular velocity w 2 around its axis 0.02;
2 - штоки количеством n, вращающиеся с угловой скоростью w1 в направлении, противоположном вращению блока редукции 1, и размещенные на этом блоке с равным угловым шагом на одинаковом расстоянии от его оси вращения O1O2;2 - rods of quantity n, rotating with an angular speed w 1 in the direction opposite to the rotation of the reduction unit 1, and placed on this block with equal angular pitch at the same distance from its axis of rotation O 1 O 2 ;
3 - держатели с узлами крепления напыляемых деталей, установленные на штоках 2 и выполненные в виде консольных элементов со смещением центра каждого узла крепления деталей относительно оси штока на величину L;3 - holders with attachment points for sprayed parts mounted on
4 - напыляемые детали, жестко зафиксированные в узлах крепления держателей 3;4 - sprayed parts, rigidly fixed in the attachment points of the
5 - мишень-распылитель;5 - target spray;
6 - поток испаряемого (напыляемого) с мишени-распылителя 5 материала, образующий кольцевую зону средним диаметром Dм;6 - flow of material evaporated (sprayed) from the target atomizer 5, forming an annular zone with an average diameter of D m ;
7 - плоскость, в которой лежат центры узлов крепления деталей 4 на консольных элементах держателей 3;7 - the plane in which the centers of the attachment points of the parts 4 on the cantilever elements of the
8 - эллиптическая траектория перемещения позиций штоков 2 в месте крепления держателей 3 относительно плоскости, перпендикулярной оси симметрии O3O4 потока испаряемого материала 6 при вращении блока редукции 1 относительно своей оси O1O2;8 is an elliptical trajectory of the movement of the positions of the
9 - кольцевая траектория перемещения напыляемых деталей 4 относительно плоскости, перпендикулярной оси симметрии O3O4 потока напыляемого материала 6 при вращении блока редукции 1 относительно своей оси со скоростью w2 и вращении штоков 2 в противоположном направлении со скоростью w1 при соотношении указанных скоростей, определяемым выражением w1=1/2·w2;9 - circular path of movement of the sprayed parts 4 relative to the plane perpendicular to the axis of symmetry O 3 O 4 the flow of sprayed
Dш - диаметр, на котором располагаются штоки 2 на блоке редукции 1;D W - the diameter on which the
α - угол наклона плоскости 7, в которой лежат центры узлов крепления деталей 4, к оси симметрии O3O4 потока напыляемого материала 6;α is the angle of inclination of the plane 7, in which the centers of the attachment points of the parts 4 lie to the axis of symmetry O 3 O 4 of the flow of the sprayed
Dм - средний диаметр кольцевой зоны 6 потока распыляемого материала;D m - the average diameter of the
O - точка пересечения оси вращения O1O2 блока редукции 1 и оси симметрии O3O4 потока напыляемого материала 6, лежащая в плоскости 7;O is the point of intersection of the axis of rotation O 1 O 2 of the reduction unit 1 and the axis of symmetry O 3 O 4 of the flow of the sprayed
α - угол наклона плоскости 7, в которой лежат центры узлов крепления деталей 4, к оси симметрии O3O4 потока напыляемого материала 6;α is the angle of inclination of the plane 7, in which the centers of the attachment points of the parts 4 lie to the axis of symmetry O 3 O 4 of the flow of the sprayed
Кб и Км - позиции расположения штоков 2 на большой и малой оси эллиптической траектории 8;To b and K m - the position of the
Дб и Дм - позиции расположения деталей 4 на кольцевой траектории 9 в точках, соответствующих расположению штоков 2 в позициях Кб и Км;D b and D m - the position of the parts 4 on the annular path 9 at points corresponding to the location of the
К и Д - позиции расположения штока и детали при повороте блока редукции 1, вращающегося со скоростью w2, на угол ψ и вращении, при этом, штока в противоположном направлении со скоростью w1;K and D are the positions of the rod and the part when the reduction unit 1 rotates at a speed of w 2 by an angle ψ and rotates, while the rod is in the opposite direction with a speed of w 1 ;
2ψ- угол поворота консольного элемента относительно радиуса ОК траектории 9 при повороте блока редукции 1 на угол ψ;2ψ is the angle of rotation of the cantilever element relative to the radius OK of the trajectory 9 when the reduction unit 1 is rotated by an angle ψ;
Процесс напыления покрытий на установке представленной конструкции осуществляется следующим образом.The process of spraying coatings on the installation of the presented design is as follows.
Напыляемые детали 4 (полусферические опоры и фланцы газодинамического подшипника поплавкового гироскопа) жестко фиксируются в узлах крепления держателей 3, установленных на концах штоков 2, которые размещены с равным угловым шагом и на одинаковом расстоянии 1/2·Dш от оси вращения блока редукции 1, т.е. на окружности диаметром Dш, центр которой лежит на оси вращения этого блока. Блок редукции содержит элементы, задающие синхронное вращение штоков 2 с одинаковой скоростью w1. Все штоки 3 выполнены равной длины, а держатели 3 - одинаковой (для однотипных деталей) конфигурации, что определяет равноправность использования терминов «центр узлов крепления деталей» и «геометрический центр детали».The sprayed parts 4 (hemispherical bearings and flanges of the gas-dynamic bearing of the float gyroscope) are rigidly fixed in the attachment points of the
Указанные центры лежат в одной плоскости 7 и, как указано, равноудалены от оси вращения O1O2 блока редукции 1. С помощью поворотных узлов (на фиг.1, 2 и 3 не показаны) плоскость 7 ориентируют к оси симметрии O3O4 потока распыляемого материала 6 под углом α, величина которого обусловлена конкретными требованиями к формируемому на деталях покрытию, и фиксируют в этом положении (фиг.1).These centers lie in the same plane 7 and, as indicated, are equidistant from the axis of rotation O 1 O 2 of the reduction unit 1. Using rotary nodes (not shown in FIGS. 1, 2 and 3), plane 7 is oriented to the axis of symmetry O 3 O 4 the flow of the sprayed
При повороте на угол α в проекции на плоскость, перпендикулярную оси симметрии O3O4 потока распыляемого материала 6, окружность диаметром Dш трансформируется в эллиптическую по отношению к этой плоскости траекторию 8 перемещения позиций штоков 2 в месте крепления держателей 3 (фиг.2). Параметры данного эллипса можно представить в следующем виде: большая ось 2α будет равна диаметру Dш (поскольку центр окружности диаметром Dш лежит на оси O3O4), а малая ось 2b определяться соотношениемWhen rotated through an angle α in a projection onto a plane perpendicular to the axis of symmetry O 3 O 4 of the stream of sprayed
2b=Dш·sinα.2b = D W · sinα.
Для осуществления корректировки траектории перемещения деталей 4 с тем, чтобы она в проекции на плоскость, перпендикулярную оси симметрии O3O4, представляла собой окружность диаметром Dм, необходимо выполнение исходных условий, связанных с выбором диаметров Dм и Dш исходя из очевидных соотношений Dм<Dш и Dш·sinα<Dм или в общем виде (фиг.2):To implement the adjustment of the trajectory of the movement of parts 4 so that it is a circle with a diameter of D m in the projection onto the plane perpendicular to the axis of symmetry O 3 O 4 , it is necessary to fulfill the initial conditions associated with the choice of diameters D m and D w based on obvious ratios D m <D W and D W · sinα <D m or in general form (figure 2):
Следует отметить, что на практике предпочтительнее варьировать величиной Dш, принимая заданное значение Dм.It should be noted that in practice it is preferable to vary the value of D W , taking a given value of D m
С учетом, как указывалось выше, необходимости осуществления процесса многопозиционного напыления наиболее эффективно и рационально выбирать число штоков n кратное четырем, что в полной мере обеспечивает условие одновременного напыления нескольких комплектов деталей, например газодинамического подшипника. При этом число штоков n ограничено конструктивными параметрами других элементов - значением диаметра Dш и величиной смещения L. Очевидно, что хорда, соединяющая точки, соответствующие двум соседним штокам, на окружности диаметром Dш должна быть меньше L, откуда следует выражениеTaking into account, as indicated above, the need to carry out the multi-position spraying process, it is most efficient and rational to choose the number of rods n multiple of four, which fully provides the condition for the simultaneous spraying of several sets of parts, for example, a gas-dynamic bearing. In this case, the number of rods n is limited by the design parameters of other elements — the value of the diameter D w and the offset value L. Obviously, the chord connecting the points corresponding to two adjacent rods on a circle with a diameter D w should be less than L, from which the expression
Можно выделить группы из четырех штоков, в каждой из которых штоки смещены по углу на 90°. Располагая для такой группы два противолежащих штока на большой оси 2a эллиптической траектории 8, а два других противолежащих штока - на малой оси 2b этой траектории, можно определить схему, при которой для указанных позиций штоков детали будут размещены на окружности 9, соответствующей среднему диаметру Dм потока распыляемого материала 6. Это реализуется посредством выполнения держателей 3, в которых устанавливают напыляемые детали 4, в виде консольных элементов со смещением каждого центра узла крепления детали (и самой детали 4) относительно оси штока 2 на величину L. Поворот блока редукции 1 на 90° при соотношении угловых скоростей w1 и w2 вращения штоков 2 и блока редукции 1, определяемым выражением w1=1/2·w2, вызовет перемещение штока из позиции Кб в позицию Км (фиг.2), а детали - из позиции Дб в позицию Дм. При этом, если в позиции Дб смещение на величину L ориентировано к центру O эллипса, то в позиции Дм произойдет поворот держателя 3 на 180° и направление смещения детали будет направлено в сторону, противоположную центру эллипса. Фактически, при перемещении штока 2 по эллиптической траектории, деталь 4 будет перемещаться по кольцевой траектории 9, совпадающей с окружностью диаметром Dм. Очевидно, что для этого необходимы определенные условия, связанные, помимо соотношения w1=1/2·w2, с размерными параметрами. Эти параметры определяются из следующих выражений (фиг.2):Groups of four rods can be distinguished, in each of which the rods are 90 ° offset in angle. By arranging for such a group two opposing rods on the major axis 2a of the
Dм=Dш-2L - вдоль оси 2a эллипса и Dм=Dш·sinα+2L·sinα - вдоль оси 2b эллипса,D m = D W -2L - along the axis 2a of the ellipse and D m = D W · sinα + 2L · sinα - along the axis 2b of the ellipse,
откуда следует Dш-2L=Dш·sinα+2L·sinα или Dш(1-sinα)=2L(1+sinα), или практическая реализация такой схемы должна быть выражена соотношениемwhence D w -2L = D w · sinα + 2L · sinα or D w (1-sinα) = 2L (1 + sinα), or the practical implementation of such a scheme should be expressed by the relation
Указанное соотношение отвечает условию расположения деталей 4 и штоков 2 в требуемых позициях для большой и малой осей эллипса. Формальное доказательство, что при любом угле ψ поворота штоки 2 будут находиться на эллиптической траектории 8, а детали 4 - на круговой траектории 9, достаточно наглядно (фиг.2): при повороте блока редукции 1 на произвольный угол ψ поворот держателя 3 произойдет на угол 2ψ (поскольку w1=1/2·w2). При этом координаты позиции К описываются с помощью выражений, которые по определению являются параметрическими уравнениями эллипса - The specified ratio meets the condition for the arrangement of parts 4 and
а поскольку, с учетом того, что относительно плоскости, в которой расположена траектория 9 диаметром DM, позиция Д при вращении штока К перемещается по эллипсу, параметры которого определяет угол α, проекции отрезка КД на оси х и у можно представить в виде выражений (по построению на фиг.2)and since, taking into account the fact that, relative to the plane in which the trajectory 9 with diameter DM is located, the position D moves the rod K along an ellipse whose parameters are determined by the angle α, the projections of the CD segment on the x and y axes can be represented as expressions (by the construction of figure 2)
то, определяя координаты позиции Д какthen, determining the coordinates of the position D as
и подставляя в выражение (8) формулы (4) и (6), а в выражение (9) - формулы ((5) и (7), получим конечные зависимости, которые являются уравнениями окружностиand substituting formulas (4) and (6) into expression (8), and formulas ((5) and (7) into expression (9), we obtain finite dependences, which are circle equations
Таким образом для каждых четырех штоков, расположенных по окружности диаметром Dш с угловым шагом 90°, для одной пары противолежащих штоков, расположенных на большой оси эллиптической траектории их перемещения, направление смещения L ориентировано к центру эллипса, а для второй пары противолежащих консольных элементов, лежащих на малой оси этой траектории, указанное направление ориентировано в сторону, противоположную центру указанного эллипса. Такая ориентация при конструктивном оформлении процесса напыления с учетом выражений (1-3) и соотношения w1=1/2·w2 обеспечивает заданную траекторию перемещения напыляемых деталей, соответствующую среднему диаметру потока испаряемого материала.Thus, for every four rods arranged in a circle with a diameter D W with an angular pitch of 90 °, for one pair of opposing rods located on the major axis of the elliptical trajectory of their movement, the direction of displacement L is oriented to the center of the ellipse, and for the second pair of opposing cantilever elements, lying on the minor axis of this trajectory, the indicated direction is oriented in the direction opposite to the center of the specified ellipse. This orientation during the design of the spraying process, taking into account expressions (1-3) and the ratio w 1 = 1/2 · w 2 provides a given trajectory of movement of the sprayed parts, corresponding to the average flow diameter of the evaporated material.
Далее камеру установки для напыления вакуумируют, производят нагрев деталей до необходимой температуры, обеспечивающей получение достаточной адгезии, включают приводы вращения (на чертеже не показаны) блока редукции и штоков, после чего осуществляют процесс напыления по заданной программе.Next, the chamber of the installation for spraying is evacuated, the parts are heated to the required temperature, which ensures sufficient adhesion, the rotation drives (not shown) of the reduction unit and rods are turned on, and then the spraying process is carried out according to the specified program.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет осуществлять процесс магнетронного напыления тонкопленочных покрытий на прецизионные детали за счет формирования требуемой конфигурации и компоновки элементов размещенного внутри камеры напылительного модуля последовательно:Thus, the proposed design allows the process of magnetron sputtering of thin-film coatings on precision parts due to the formation of the required configuration and layout of the elements placed inside the chamber of the spraying module in series:
- задавая угол наклона α напыляемых деталей по отношению к потоку испаряемого с мишени материала, что является первичным фактором процесса и обусловлено конфигурацией напыляемой поверхности и требованиями к напыляемому покрытию;- setting the angle of inclination α of the sprayed parts with respect to the flow of material evaporated from the target, which is the primary factor of the process and is due to the configuration of the sprayed surface and the requirements for the sprayed coating;
- определяя диапазон значений для диаметра Dш, на котором размещены штоки, используя выражение (1) Dш·sinα<Dм<Dш, с учетом того, что величина Dм является заданной;- determining the range of values for the diameter D W on which the rods are placed using the expression (1) D W · sinα <D m <D W , taking into account that the value of D m is given;
- конкретизируя значение Dш согласованным выбором величин n, Dш и L, совместно рассматривая выражения (2) и (3):- specifying the value of D W the coordinated choice of the quantities n, D W and L, together considering expressions (2) and (3):
n<180°/arcsin(L/2Dш) и Dш/L=2(1+sinα)/(1-sinα);n <180 ° / arcsin (L / 2D W ) and D W / L = 2 (1 + sinα) / (1-sinα);
- ориентируя для одной пары противолежащих штоков, расположенных на большой оси эллиптической траектории их перемещения, для каждой группы из четырех штоков, расположенных по окружности диаметром Dш с угловым шагом 90°, направление смещения L к центру эллипса, а для второй пары противолежащих штоков, расположенных на малой оси этой траектории - в сторону, противоположную центру указанного эллипса;- orienting for one pair of opposing rods located on the major axis of the elliptical trajectory of their movement, for each group of four rods located in a circle with a diameter D w with an angular pitch of 90 °, the direction of displacement L to the center of the ellipse, and for the second pair of opposing rods, located on the minor axis of this trajectory - in the direction opposite to the center of the specified ellipse;
- устанавливая соотношение скоростей вращения блока редукции, на котором размещены штоки, и самих штоков из условия w1=1/2-w2.- setting the ratio of the rotational speeds of the reduction unit on which the rods are located, and the rods themselves from the condition w 1 = 1/2-w 2 .
В конечном счете обеспечиваются требуемые условия перемещения напыляемых деталей по окружности диаметром Dм, что подтверждается выражениями (11) и (12), и что соответствует наиболее эффективной схеме процесса напыления покрытия на прецизионные детали.Ultimately, the required conditions for the movement of the sprayed parts around a circle with a diameter of D m are provided, which is confirmed by expressions (11) and (12), and which corresponds to the most effective scheme of the coating spraying process on precision parts.
Рассматриваемая конструкция установки предназначена преимущественно для напыления покрытий на прецизионные детали изделий точного приборостроения, в частности гироскопических приборов. Предлагаемая установка была опробована при изготовлении опор и фланцев газодинамического подшипника двухстепенного поплавкового гироскопа для формирования на их полусферических рабочих поверхностях тонкопленочного износостойкого покрытия нитрида титана. На четырех комплектах деталей (8 позиций напыления, т.е. число штоков n=8) было получено покрытие толщинами от 1,2 до 2,4 мкм как с допустимым отклонением по толщине на уровне 0,05 мкм, так и с заданной монотонно меняющейся толщиной в пределах изменения толщины на 0,1-0,4 мкм. При этом испытания показали полную идентичность трибологических свойств и структурных характеристик покрытия на всех напыляемых за один цикл деталях.The installation design under consideration is intended primarily for spraying coatings on precision parts of precision instrumentation products, in particular gyroscopic devices. The proposed installation was tested in the manufacture of bearings and flanges of a gas-dynamic bearing of a two-stage float gyro to form a thin-film wear-resistant coating of titanium nitride on their hemispherical working surfaces. On four sets of parts (8 spraying positions, i.e., the number of rods n = 8), a coating with a thickness of 1.2 to 2.4 μm was obtained with both a permissible thickness deviation of 0.05 μm and a given monotonously varying thickness within the thickness range of 0.1-0.4 microns. At the same time, tests showed the complete identity of the tribological properties and structural characteristics of the coating on all parts sprayed in one cycle.
Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении качества и функциональных характеристик напыляемых покрытий. Кроме того, расширяются технические возможности по комплектации деталей и сборочных узлов изделий точного приборостроения, что позволяет повысить эксплуатационные параметры этих изделий.Feasibility of the invention is to improve the quality and functional characteristics of sprayed coatings. In addition, expanding technical capabilities for the assembly of parts and assemblies of precision instrumentation products, which can improve the operational parameters of these products.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012138783/02A RU2507306C1 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012138783/02A RU2507306C1 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2507306C1 true RU2507306C1 (en) | 2014-02-20 |
Family
ID=50113301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012138783/02A RU2507306C1 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2507306C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555699C1 (en) * | 2014-06-02 | 2015-07-10 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
| RU2657671C2 (en) * | 2015-11-26 | 2018-06-14 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Device for forming multicomponent and multilayer coatings |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1307887A1 (en) * | 1985-04-16 | 1995-09-10 | М.А. Данилов | Vacuum coating apparatus |
| EP0871504B1 (en) * | 1993-11-15 | 2002-10-16 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | Composite materials using bone bioactive glass and ceramic fibers |
| US7588640B2 (en) * | 2005-08-29 | 2009-09-15 | Oerlikon Trading Ag, Trubbach | Workpiece carrier device |
| JP2010265552A (en) * | 1998-12-15 | 2010-11-25 | Oerlikon Trading Ag Truebbach | Vacuum processing planetary system workpiece carrier |
| RU2010145987A (en) * | 2008-06-11 | 2012-07-20 | Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах (Ch) | CARTRIDGE FOR PROCESSED PARTS |
-
2012
- 2012-09-04 RU RU2012138783/02A patent/RU2507306C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1307887A1 (en) * | 1985-04-16 | 1995-09-10 | М.А. Данилов | Vacuum coating apparatus |
| EP0871504B1 (en) * | 1993-11-15 | 2002-10-16 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | Composite materials using bone bioactive glass and ceramic fibers |
| JP2010265552A (en) * | 1998-12-15 | 2010-11-25 | Oerlikon Trading Ag Truebbach | Vacuum processing planetary system workpiece carrier |
| US7588640B2 (en) * | 2005-08-29 | 2009-09-15 | Oerlikon Trading Ag, Trubbach | Workpiece carrier device |
| RU2010145987A (en) * | 2008-06-11 | 2012-07-20 | Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах (Ch) | CARTRIDGE FOR PROCESSED PARTS |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Беляев С.Н., Щербак А.Г. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющие форму тел вращения // Навигация и управление движением: Материалы Юбилейной X конференции молодых ученых. ГНЦ РФ. ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, с.68-73, ISBN 978-5-900780-88-7. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555699C1 (en) * | 2014-06-02 | 2015-07-10 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
| RU2657671C2 (en) * | 2015-11-26 | 2018-06-14 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Device for forming multicomponent and multilayer coatings |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109652780B (en) | Control method for improving coating uniformity of special-shaped part | |
| TWI557252B (en) | Cathode assembly for a sputter deposition apparatus and method for depositing a film on a substrate in a sputter deposition apparatus | |
| RU2507306C1 (en) | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments | |
| US8137510B2 (en) | Coater with a large-area assembly of rotatable magnetrons | |
| RU2606363C2 (en) | Carousel-type unit for multi-layered coatings magnetron sputtering and method of equal thickness nano-coating magnetron sputtering | |
| CN106077947B (en) | A kind of constant speed elliptical orbit laser precision machining method of oblique cone round platform | |
| JP2006052461A (en) | Magnetron sputtering device, cylindrical cathode, and method of coating thin multicomponent film on substrate | |
| CN115574798A (en) | A Method of Improving the Comprehensive Performance of Hemispherical Resonant Gyroscope | |
| Tzinava et al. | A general-purpose spray coating deposition software simulator | |
| WO2018147122A1 (en) | Coating device and method for manufacturing coated article | |
| CN109093619A (en) | A kind of method for planning track of robot of the uniform thermal spraying of curved surface | |
| CN103205746A (en) | Method of laser cladding for surfaces of hemispheroidal parts | |
| US11274364B2 (en) | Sputter devices and methods | |
| CN104264110B (en) | A kind of method for preparing two-dimensional combination material chip | |
| CN117230416B (en) | Baffle design method for correction of coating film thickness distribution of magnetron sputtering components | |
| KR102695212B1 (en) | Sputtering apparatus | |
| CN106661721B (en) | For manufacturing the method and the cated optoelectronic semiconductor component of tool of coating | |
| KR100645602B1 (en) | How sputter cathodes work with targets | |
| CN203846096U (en) | Sputtering equipment and target thickness measuring system | |
| KR102101720B1 (en) | Sputtering apparatus | |
| Fuke et al. | Computational model for predicting coating thickness in electron beam physical vapor deposition | |
| US9925557B2 (en) | Method for the synthesis of a nanostructured composite material and a device for implementing said method | |
| RU2555699C1 (en) | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope | |
| JP2011007762A (en) | Thin film coating device for pretreatment of electron microscope observation sample | |
| RU2743492C1 (en) | Ball gyroscope rotor manufacturing method |