Диссертация (1090422), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

2.8. Результаты натурных испытаний соединения"кольцо" – "диск":1 – Clearceram без отжига детали; 2 – Clearceram с отжигом одной детали (450°С);3 – СО-115М с отжигом одной детали (450°С).Из графиков на рис. 2.8 видно, что прочность ОК для ситалла Clearceramприблизительно на 35% больше, чем для ситалла СО-115М, и составляет для деталей из обеих групп (1,16  0,10) МПа. Для ситалла СО-115М наблюдаемаяпрочность составила (0,86  0,04) МПа.Помимо этого, аналогично пункту 2.2 были проведены визуальные наблюдения растекания капли воды по поверхности. Как и в случае с ситаллом СО-115М,для ситалла Clearceram наблюдалось растекание капли воды по поверхности в ме-83сте, где происходил ОК.

Для остальной поверхности колец (как отожженных, таки неотожженных) растекание капли не наблюдалось. Исходя из этого можноутверждать, что в случае образования ОК при сборке деталей, изготовленных изситалла Clearceram, соединение происходит посредством водородных связей аналогично случаю ситалла СО-115М. Установлено, что прочность ОК при использовании Clearceram выше, чем при использовании СО-115М, при этом не наблюдается ухудшения качества поверхности после отрыва, следовательно, подобныйматериал может быть использован для осуществления прочного ОК.2.6. Проблема разности ТКЛР материалов, соединяемых ОКИсследование соединения деталей методом оптического контакта являетсямногофакторной задачей. На качество сборки влияют чистота поверхностей контактирующих деталей, величина их отклонения от плоскостности, шероховатость,степень гидрофильности и др. Кроме того, при изготовлении лазерных гироскопов соединение на одной из технологических операций (ТВО) подвергаетсянагреву (∆T ≈ 160C).

При этом возможно нарушение ОК, что приводит к разгерметизации внутреннего объема прибора. Такое нарушение может возникать из-заразности ТКЛР соединяемых деталей, даже если они были изготовлены из материала одной марки. В литературе присутствует достаточно мало публикаций, посвященных данной проблеме.Одной из немногих подобных работ является работа [71], написанная Буиным в 1959 году.

В ней автором описаны деформации оптических деталей, возникающие при изменении температуры вследствие различия ТКЛР контактирующихстекол.Буиным были проведены опыты по измерению деформации различных пластин (7 штук) при нагревании их на 24,3С. Плоскопараллельные пластины диаметром 80 мм и толщиной 8 мм устанавливались на пиритовую пластину диаметром 250 мм и толщиной 23 мм.84Исследователь объясняет различие деформаций пластин недостаточной чистотой контактируемых поверхностей.

При загрязнении поверхности уменьшается сила поверхностного сцепления, в результате чего происходит линейное перемещение, которое и компенсирует изгиб. Непосредственно прочность соединенияв работе измерена не была (как известно, подобный эффект может вызвать увеличение слоя воды между контактными поверхностями [37], неравномерность ТКЛРпо пиритовой пластине либо между исследуемыми образцами).Эта работа является одним из первых исследований, в котором показано, чторазличие в α соединяемых деталей может негативно влиять на бесклеевое контактное соединение.В справочнике технолога-оптика приведены требования к допустимой разнице в ТКЛР при соединении методом ГОКа [4]. Она составляет 1520∙10-7 1/°С принагревании соединения до 250°С.

Но, как уже говорилось, технология ОК и ГОКразличны, т.к. при применении технологии ГОК на поверхность наносится пористая пленка SiO2 и, кроме того, соединение может происходить при приложениидавления.В работе [25] также показано негативное влияние ТКЛР на качество сборкиметодом ОК. В данной статье рассмотрено соединение кремния и кварца при создании структур КНИ.

Оба материала покрыты силанольными группами, на поверхности которых адсорбируются молекулы воды. При комнатной температуресоединение осуществляется посредством водородных связей между молекулами.Однако, в данном случае при проведении температурной обработки с целью создания сильной ковалентной связи Si-O-Si между поверхностями соединение может быть нарушено вследствие различных ТКЛР сопрягаемых материалов. Решение этой проблемы авторы видят в использовании очень тонкой пластинки кварца(50 мкм).

При этом толщина кремниевой пластинки может достигать 500 мкм, итакое соединение может быть безопасно нагрето до 450°С. При использованиикварцевой пластинки толщиной 170 мкм соединение можно отжигать (без нарушения контакта) только при температуре 200°С.85Существует несколько исследований, посвященных соединению плавленыйкварц-кремний. В таком случае различие в ТКЛР соединяемых материалов можеттакже привести к разрушению соединения в результате нагрева. Для упрочнениясоединения предлагается его выдержка в течение 100 часов или отжиг при температуре ниже 150°С.В случае соединения кремния и сапфира также наблюдается возможность егонарушения при нагреве в результате различия в ТКЛР соединяемых деталей.

Изза этого такую сборку нельзя нагревать до температур выше 200-270°С.Кроме того, хорошо известен также способ "снятия" деталей с контакта с помощью нагрева одной из деталей [27], [72].Исследований, проводимых для определения допустимой разницы в ТКЛРматериалов сопрягаемых деталей для условий, удовлетворяющих технологиипроизводства лазерных гироскопов, обнаружено не было. Поэтому далее методомконечных элементов (в среде ANSYS) были рассчитаны напряжения, которые могут возникнуть в соединении оптических элементов ЛГ при разнице α соединяемых деталей.2.7. Напряжения в ОК, возникающие из-за разницы ТКЛРВ ходе проведения операции ТВО возможно не только увеличение прочности, но и нарушение контактного соединения, обусловленное различием температурных коэффициентов линейного расширения соединяемых деталей.Эта проблема весьма актуальна для лазерной гироскопии, поскольку основным конструкционным материалом для датчиков лазерных гироскопов служитоптический ситалл СО-115М – материал с неоднородными свойствами.

Его среднее значение ТКЛР отличается весьма заметно от партии к партии и лежит в интервале от 0,02·10-7 до 5,08·10-7 1/°С для интересующего нас диапазона температур от 20°С до 180°С (см. главу 3).Различие в ТКЛР соединяемых деталей приводит к тому, что при проведении ТВО происходит "сход" оптических элементов с корпуса резонатора ЛГ, в ре-86зультате чего многие технологические процессы приходится повторять заново,зачастую начиная с переполировки контактных поверхностей.

Это, в свою очередь, приводит к увеличению времени изготовления ЛГ, использованию дополнительных сборочных единиц и, соответственно, к удорожанию прибора.На рис. 2.9 схематично показаны направления и знаки нормальных Z и касательных XZ напряжений, возникающих при нагревании, в зависимости от соотношения ТКЛР сопрягаемых деталей в одном из узлов лазерного гироскопа [70].На рисунке обозначено: αД – ТКЛР диска (верхняя деталь), αК – ТКЛР корпуса.Направление свободного температурного расширения корпуса показано стрелками ∆dT.а)б)Рис. 2.9. Нормальные и касательные напряжения на поверхности дискасистемы "корпус – диск»: а) αД > αК;б) αД < αК.Для оценки допустимой разницы ТКЛР соединяемых деталей, например,сферических и плоских зеркал, по условию прочности отрыва построена упрощенная модель, схема которой показана на рис.

2.10.87Рис. 2.10. Упрощенная модель соединения "зеркало - корпус" методом ОК.Соединение состоит из массивного цилиндрического корпуса с центральным отверстием и закрепленным на его верхней поверхности диском. Обе деталивыполнены из ситалла СО-115М. Методом конечных элементов решена термоупругая задача определения напряженно-деформированного состояния модели,причем был принят ТКЛР корпуса К = 0, а ТКЛР диска Д = 3,5·10-7 1/°С.В результате статического и теплового расчетов найдено распределениенормальных напряжений Z в области ОК при нагреве на T = 160°С (при h1 = 10мм, d1 = 30 мм, d2 = 18 мм, d3 = 50 мм). График зависимости этих напряжений(эпюра) от радиуса соединения r приведен на рис. 2.11.Рис.

2.11. Радиальное распределение нормальных температурных напряжений.88Следует заметить, что эпюра нормальных напряжений является самоуравновешенной, как видно на рис. 9, при этом выполняется интегральное равенство(2.1):15Z(r )dr  0 .(2.1)9Отрывающие напряжения Z > 0 расположены на отрезке r  [9; 14,25]. Поэпюре напряжений интегрированием выражения 2RZ(r)dr в указанных пределахнайдена средняя величина положительных (отрывающих) напряжений Z = 0,42МПа.В рамках упругого поведения соединяемых материалов напряжения пропорциональны разности ТКЛР и изменению температуры T.

Численные эксперименты и теоретические данные показывают, что прочность соединения не зависит от того, какой элемент обладает большим ТКЛР, а какой – меньшим, но определяется лишь абсолютным значением разности ТКЛР материалов деталей.С целью оптимизации толщины зеркала для посадки на ОК далее была рассчитана средняя величина нормальных отрывающих напряжений при переменнойтолщине соединяемого диска (при h1 = 2 - 10 мм, d1 = 30 мм, d2 = 18 мм, d3 = 50мм).

Величины отрывающих напряжений при разности ТКЛР между соединяемыми деталями 3,5·10-7 1/°С в зависимости от толщины зеркала представлены нарис 2.12. Вышеуказанная разность в ТКЛР соединяемых деталей выбрана потому,что при дальнейших исследованиях было установлено, что с вероятностью 95%ТКЛР используемого в производстве ситалла не превышают этого значения.89Рис. 2.12. Зависимость величины отрывающих напряжений от толщины зеркала Ø 30 мм(при разности ТКЛР между соединяемыми деталями 3,5·10-7 1/°С).Из графика видно, что представленная зависимость имеет точку экстремума, приходящуюся на толщину диска, равную приблизительно 4 - 5 мм.

При этомнаблюдаются максимальные возникающие напряжения. Необходимо отметить,что некоторые из соединяемых методом ОК деталей (плоское и сферическое зеркала) имеют близкие толщины. На них, в основном, и наблюдаются нарушениясоединения при проведении ТВО.В работе [4] приведены результаты, подтверждающие наши исследования, аименно, что при уменьшении толщин сопрягаемых деталей уменьшаются требования к допустимой разнице ТКЛР.С другой стороны, при увеличении толщины диска также уменьшаютсятребования к допустимой разнице ТКЛР. Этот факт был подтвержден экспериментально в 2006 - 2010 гг., когда для предотвращения нарушений ОК на плоскиезеркала методом ОК закреплялись кольца из ситалла СО-115М толщиной 4 мм.Это приводило к увеличению толщины до 8 мм устанавливаемой на контактсборки "плоское зеркало + заглушка", что, согласно рис.

Характеристики

Список файлов диссертации