Магнитные диски
Прошло уже несколько лет с того времени, как я стал внимательно следить за событиями в компьютерном мире. За этот сравнительно короткий срок последний сделал гигантский скачек в своем развитии: от 86 и 286 процессоров с тактовой частотой 8 — 20 Мгц, до пентиумов, производительность которых выше в тысячи раз, а тактовая частота составляет больше 100 Мгц (на проходившей с24 по 28 апреля в Москве выставке Comtec был представлен компьютер с тактовой частотой процессора 120 Мгц, что не является пределом, так как фирма готовит выпуску новую модель Pi-6, которая по производительности должна превзойти Pentium).
Заметные успехи других стран в этой области еще более оттеняют почти безнадежное отставание здесь России. По существу в стране данная отрасль вообще не развита. Нет отечественных производителей вычислительной техники, автоматизированных систем управления производством, станков с программным управлением. Имеющиеся же отдельные шаги не исправляют ситуации, кроме того, отечественные образцы продукции в большинстве случаев заметно уступают зарубежным аналогам.
В связи с этим представляется особенно важными разработки и исследования в данной сфере, позволяющие если не выйти на первые места, то хотя бы обеспечить страну необходимой продукцией собственного производства.
I. Технические и технологические вопросы производства
1. Основные характеристики накопителей на магнитных дисках
Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии программных продуктов, содержащихся на жестком диске.
Наибольшее распространение получили дискеты размером 5,25 и 3,5 дюйма, то есть 133 и 89 мм в диаметре.
НГМД размером 5,25 дюйма чаще всего имеют емкость размером 1,2 Мбайта и 360 Кбайт1. Встречаются дискеты прежних лет выпуска, имеющие меньшую емкость либо рассчитанные на использование в дисководах с одной головкой (односторонние дискеты). Для записи и чтения дискет емкостью 1,2 Мбайта предназначены специальные накопители, которые устанавливаются на компьютерах моделей IBM PC AT, и PS/2. Существуют также специальные дисководы на 360 Кбайт. Техника записи на данных дискетах различна В дисководах емкостью 1,2 Мбайта используются головки для чтения / записи, обеспечивающие более узкую дорожку информации. С этой целью на 5,25 дюймовых дискетах применяется специальное магнитное покрытие, которое позволяет осуществлять более плотную запись. Это магнитное покрытие труднее
намагнитить и размагнитить, чем обычное, поэтому такие накопители не могут быть использованы в дисководах емкостью 360 Кбайт.
В компьютерах последних лет выпуска чаще стали использовать накопители для дискет размером 3,5 дюйма (89 мм) и емкостью 0,7 и 1,44 Мбайт. Переход на их использование был в первую очередь связан с бурным развитием портативных компьютеров, в которых нельзя было использовать прежние накопители из-за больших размеров последних.
НГМД размером 3,5 дюйма заключены, в отличие от 5,25 дюймовых, заключены в жесткие пластмассовый конверт, что значительно повышает их надежность и долговечность, а также создает значительные удобства при транспортировке, хранении и использовании. В связи с этим первые из вышеперечисленных дисков вытесняют последние с компьютерного рынка, хотя они и стоят несколько дороже.
Составляющими магнитного диска размером 3,5 дюйма и емкостью 1,44 Мбайта (далее рассматривается только он) являются:
1. крышка защитная металлическая;
2. пружина для крышки металлическая;
3. конверт пластмассовый (верхняя и нижнияя стороны);
4. две прокладки из мягкой бумаги;
5. задвижка защиты от записи пластмассовая;
6. стабилизатор положения диска металлический;
7. сердцевина диска металлическая;
8. круглая запоминающая поверхность диска пластмассовая, покрытая магнитным слоем.
2. Технология производства накопителей на гибких магнитных дисках
Запись и считывание информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу дисков с помощью специального следящего привода.
В качестве материала для изготовления магнитных дисков обычно применяют алюминиевый сплав Д16МП (МП — магнитная память). Этот сплав немагнитный, мягкий, достаточно прочный, хорошо обрабатывается. Для уменьшения количества металлургических дефектов на поверхности диска сплав подвергают специальной очистке. например электрофлюсовому рафинированию с продувкой инертным газом.
Торцевые поверхности магнитных дисков покрывают магнитным слоем. Гальваническое магнитное покрытие имеет толщину до 1 мкм, а ферролаковое — до 5 мкм. Только торцевые поверхности крайних дисков не используются для хранения информации. На рабочей поверхности диска размещаются 80 дорожек, 20 секторов.
Записи и считывания информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу диска с помощью специального следящего привода.
Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит качество записи (считывания). Для повышения плотности записи необходимо уменьшить зазор, однако при этом значительно повышаются требования к рабочей поверхности дисков. При малом зазоре и больших погрешностях в макрогеометрии поверхности имеют место значительные колебания амплитуды сигнала воспроизведения. Для надежной работы накопителя на гибких магнитных дисках необходимо обеспечить шероховатость поверхности не более Ra=0,22 мкм и минимальные макрогеометрические отклонения. Торцевое биение диска при вращении с чистотой 30 об/с не должно превышать 0,3 мм, а удельная неплоскостность 0,7 мкм на длине 10 мм.
Выполнение этих требований представляет значительные трудности.
Основными этапами технологического процесса изготовления магнитного диска являются получение заготовки, подготовка поверхности, терморихтование, токарная обработка, нанесения магнитного покрытия, уравновешивание, контроль.
Заготовку дисков получают из листового материала. Резку листов на карточки размером 100х100 мм осуществляют на ножницах с наклонными ножами и прижимом материала. Из карточек вырубкой на штампе или на токарном станке получают диски.
При вырубке зона металла, прилегающая к поверхности среза, упрочняется. Толщина деформированного слоя составляет примерно 0,3 толщины материала. Припуск на последующую токарную обработку должен превышать толщину деформированного слоя.
Размеры заготовки для магнитного диска имеют следующие значения: наружный диаметр составляет 85,5 мм, а внутренний — 24 мм.
Подготовка поверхности заключается в обезжиривании, промывке в горячей проточной воде (при t=60? С в течение 1 — 2 мин.) и сушке. Она осуществляется на специальных установках.
Диск, находящийся в камере станка получает вращение и подвергается действию обезжиривающего раствора, а также протирается вращающимися щетками. Раствор подается из бачка насосом и распыляется форсунками. Чистая вода для промывки поступает из крана. Обезжиривающий раствор из камеры попадает через клапан обратно в бачок для вторичного использования или сливается. Диски сушат горячим воздухом, циркуляция которого в камере осуществляется вентилятором.
Терморихтование заготовок необходимо для снятия внутренних напряжений и обеспечения требований по неплоскостности и осевому биению. Эту операцию наиболее целесообразно выполнять в электрических печах сопротивления, которые обеспечивают минимальные перепады температур по всему рабочему объему. Оптимальная температура рихтования для сплава Д16МП составляет 125-- 215 С, а выдержка при этой температуре 3 ч. Скорость подъема температуры составляет 40? С в час, а скорость охлаждения не более — 20? С в час.
В приспособлении для закрепления дисков при терморихтовании заготовки дисков помещают между алюминиевыми плитами. В каждом слое находится по 10 заготовок. Положение заготовки на плите определяется тремя штифтами, которые фиксируют заготовку по внутреннему диаметру. Они служат также для фиксации вложения следующей плиты. Основание и грузовая плита выполнены из чугуна. Грузовая плита обеспечивает требуемое давление, которое для верхней заготовки составляет 0,02-- 0,04 Мпа. Стойка имеет ушко, с помощью которого приспособление загружают в электрическую шахтную печь. Температура рабочего пространства и приспособления контролируется термопарами, установленными снаружи и внутри приспособления.
Контроль торцевых поверхностей дисков после терморихтования осуществляют с двух сторон бесконтактным (емкостным) методом. Заготовки дисков устанавливают на плоскость ступицы и закрепляют через кольцо прижимом с помощью гайки.
Осевое биение измеряют при равномерном вращении с частотой 0,2 об/c при фиксированном положении датчика на одной из концентрических окружностей. Непараллельность перемещения датчика по плоскости не должна превышать 0,001.
Токарную обработку дисков проводят на станках повышенной точности в вакуумном патроне.
Основными частями патрона являются планшайба и корпус со сменным кольцом. Через отверстия его полость соединена с канавками, находящимися на торцевой поверхности планшайбы. Разность атмосферного давления воздуха и давления внутри планшайбы прижимает заготовку диска к выступам, удерживая диск на планшайбе за счет сил трения. Для съема диска полость планшайбы соединяют с окружающей атмосферой. Величина разряжения составляет 0,05 — 0,07 Па. Обточка наружного и внутреннего диаметров, а также фасок осуществляется при частоте вращения шпинделя от 700 до 900 об/ мин и подаче до 0,1 мм/об.
Подготовка поверхности диска перед нанесением покрытия заключается в очистке ее моющим раствором при температуре 55 — 65? С. В качестве подслоя применяют медь, которую наносят гальваническим способом.
Магнитное покрытие, нанесенное по медному подслою, обеспечивает малый ток записи, высокую амплитуду считываемого сигнала и практически бездефектное покрытие. Толщина медного подслоя составляет примерно 5 мкм. Чистота поверхности после нанесения медного подслоя ухудшается, и для ее восстановлении применяется полирование, при котором толщина подслоя уменьшается на 0,5 мкм.
Подслой и магнитное покрытие наносят электролитическим способом в приспособлении, которое обеспечивает подвод тока и вращение диска в гальванической ванне. Вращение диска обеспечивает равномерность осаждения покрытия.
Приспособление состоит из текстолитовой плиты, на которой установлены двигатель и понижающие редукторы. На валу редуктора насажена оправка с диском. Ток к диску подается от провода и втулки к оправе. Диск погружают в ванну на половину диаметра. Для получения равномерного магнитного поля устанавливают латунный экран. Погружение диска в ванну, подъем и перенос его из одной ванны в другую осуществляется с помощью тяг.
Статическое уравновешивание дисков производится после покрытия медью. Диск, плотно надетый на оправку устанавливают на раму-весы, которая призмами опирается на стойку. Весы уравновешиваются с помощью грузов. Раму стопорят на стойке штифом, который после установки диска вынимают. При наличии неуравновешенности рама отклоняется от горизонтального положения , что фиксируется стрелкой на шкале. При этом все вышеперечисленные операции выполняются автоматически.
Окончательное полирование осуществляется на станке с вертикальным шпинделем. Обрабатываемый диск закрепляют в вакуумной планшайбе. При этом он прижимается к точной поверхности планшайбы. В качестве инструмента применяют полировальник, шарнирное крепление которого обеспечивает его самоустановку относительно поверхности диска.
Для предохранения магнитного носителя от механических и климатических воздействий на торцевые поверхности дисков могут наносить защитное покрытие. Раньше эту роль выполнял хром, сейчас используется тифлон. Последний позволяет сделать диск абсолютно не чувствительным ко всякого рода загрязнениям: жир, вода, пыль.
Произвольно выбранные диски подвергают испытаниям на сохраняемость записанной информации при длительной работе в режиме считывания. Контрольные измерения параметров воспроизводимых сигналов осуществляют с помощью осциллографа.
Климатические испытания проводят при повышенной (+50? С) и пониженной (— 50? С) температурах, а механические при вибрационных и ударных нагрузках.
После каждого испытания диски подвергают визуальному осмотру с проверкой параметров считываемой информации.
Взаимозаменяемость выбранных НГМД проверяют на нескольких накопителях, на которые последовательно устанавливают один и тот же диск. При этом информация, записанная на дискетах, должна без сбоев воспроизводится на всех накопителях.
Иногда после проведения всех вышеперечисленных операций по сборке и проверке дисков некоторые фирмы в качестве дополнительной услуги также форматируют накопители на гибких магнитных дисках, то есть разбивают их на дорожки и сектора, чтобы освободить от этой процедуры пользователя, однако последнее не обязательно, так как требования к форматированию у различных пользователей часто разнятся, поэтому солидные компании предпочитают предоставлять выбор способа форматирования покупателю, а не проводят его заранее.
II. Деятельность предприятия как субъекта экономики
1. Конъюнктура рынка накопителей на гибких магнитных дисках
Сегодня на международном компьютерном рынке наблюдается следующая ситуация. НГМД полностью вытеснили еще достаточно популярные несколько лет назад НМЛ (накопители на магнитных лентах), п