Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ методов маркирования металлических изделий с покрытиями 13
1.1 Методы маркирования металлических деталей 13
1.2 Анализ покрытий, применяемых в машиностроении 16
1.3 Особенности электрохимического маркирования изделий с получением стандартных знаков 25
1.3.1 Механизм электрохимического маркирования 25
1.3.2 Формирование индекса на различных материалах 29
1.3.3 Режимы маркирования 34
1.3.4 Применяемые трафареты – аналоги диэлектрических покрытий 42
1.4 Эксплуатационные характеристики изделий, содержащих электрохимическую маркировку 48
1.5 Анализ известных материалов и задачи исследований 49
ГЛАВА 2. Направления решения поставленных задач и методика проведения исследований 52
2.1 Рабочие гипотезы, обосновывающие возможность электрохимического маркирования металлических деталей с эластичным диэлектрическим покрытием 52
2.2 Научные и технические основы решения поставленных задач.. 54
2.3 Механизм формирования контура знаков на поверхности с диэлектрическим покрытием 57
2.4 Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 66
2.4.1. Объект исследований 66
2.4.2 Экспериментальная установка
2.5 Выбор режимов проведения экспериментальных исследований 72
2.6 Методика проведения экспериментов 74
Выводы 76
ГЛАВА 3. Разработка механизма и моделирование процесса маркирования деталей с эластичным диэлектрическим покрытием 77
3.1 Обоснование использования реологической жидкости при маркировании металлических деталей с эластичными диэлектрическими покрытиями 77
3.2 Нанесение информации растровым инструментом на детали с эластичным диэлектрическим покрытием 84
3.3 Проектирование инструмента для растрового маркировании 90
3.3.1 Разработка безизносного растрового электрода-инструмента.. 92
3.3.2 Конструкция элементов растрового электрода-инструмента 95
3.3.3 Нанесение знаков информации из реологической жидкости 97
3.4 Подготовка поверхности деталей под электрохимическое маркирование 100
Выводы 108
ГЛАВА 4. Разработка технологии маркирования растровым инструментом деталей с эластичным диэлектрическим покрытием 109
4.1 Разработка оборудования для нанесения информации 109
4.2. Экспериментальное исследование формирования контура знака под эластичным диэлектрическим покрытием 116
4.3 Режимы обработки 121
4.4 Исследование эксплуатационных параметров нанесенной информации 125
4.4.1 Читаемость знаков информации 125
4.4.2 Сопротивление абразивному изнашиванию 126
4.4.3 Циклическая стойкость маркированных деталей 132
4.5 Разработка гибкого автоматизированного модуля для электрохимического маркирования 135
4.6 Разработка автоматизированного проектирования технологических процессов электрохимического маркирования металлических поверхностей с эластичным диэлектрическим покрытие 139
Выводы 145
Заключение 146
Библиографический список
- Особенности электрохимического маркирования изделий с получением стандартных знаков
- Механизм формирования контура знаков на поверхности с диэлектрическим покрытием
- Разработка безизносного растрового электрода-инструмента..
- Экспериментальное исследование формирования контура знака под эластичным диэлектрическим покрытием
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с переходом промышленности на гибкоструктурное производство номенклатура изготавливаемых деталей заметно увеличивается, что требует нанесения качественной информации, содержащей сведения об объекте, порядковом номере, дате выполнения операции и исполнителе работы.
Маркирование деталей является неотъемлемой частью технологического
процесса их изготовления и может многократно повторяться в процессе
эксплуатации изделий для нанесения информации. При этом требуется
обеспечить сохраняемость информационных массивов в течение всего срока
эксплуатации продукции, особенно, если она применяется в ответственных
конструкциях, подвергающихся воздействию внешних сил, например, в
авиационной, металлургической и космической отраслях. В этих отраслях
получило широкое применение электрохимическое маркирование,
позволяющее создавать качественные информационные символы на
металлических деталях. Развитием такого метода является технология электрохимического маркирования универсальным растровым инструментом, позволяющая быстро менять информацию без изготовления дорогостоящих индивидуальных клейм.
Проблема маркирования еще более усложняется при необходимости
нанесения электрохимическим методом информации на металлические детали с
диэлектрическим покрытием. Проведенные исследования позволили
локализовать зону удаления покрытий, но исключить необходимость вскрытия защитных слоев не удалось, что потребовало их восстановления, которое трудно осуществимо в процессе эксплуатации изделий.
Большинство диэлектрических покрытий выполнено из эластичных
материалов, способных после локального вскрытия восстанавливать
сплошность за счет упругих свойств. Однако нанесение качественных информационных знаков под покрытием при использовании рекомендованных рабочих сред оказалось трудно управляемым и не всегда обеспечивало получение стандартных знаков с требуемой контрастностью. Потребовался принципиально новый подход к выбору рабочих сред, формированию информационных массивов с учетом условий эксплуатации изделий, обеспечению длительной сохраняемости знаков без снижения прочностных характеристик изделия и нарушения защитных свойств покрытия. Обеспечение таких требований отвечает запросам машиностроения и востребовано при создании высокотехнологичной продукции новых поколений.
Работа выполнялась в соответствии с запросами предприятий
авиационно-космической, металлургической отраслей и участием в
национальном проекте "Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России" (Постановление Правительства РФ № 568 от 26.07.2008).
Степень разработанности. Вклад в разработку научных основ процесса
маркирования металлических поверхностей внесли Безъязычный В.Ф.,
Газизуллин К.М., Задыков З.Б., Седыкин Ф.В., Смоленцев В.П.,
Смоленцев Г.П., Сухочев Г.А. и др.
Объект исследования.
Детали летательных аппаратов, подвергаемые внешним воздействиям (абразивным, химическим, лучевым) с эластичными покрытиями, для которых при регламентных работах и ремонте требуется нанесение информации (сроки проведения, исполнители и др.) под покрытием без его удаления.
Предмет исследования.
Способ нанесения информации электролитическим методом на токопроводящий материал через эластичное диэлектрическое покрытие без его разрушения.
Целью работы является создание способа маркирования на базе новых
рабочих сред и эффективных методов управления процессом, разработка
технологического процесса маркирования деталей с эластичным
диэлектрическим покрытием любой толщины, позволяющим без нарушения его сплошности нанести стандартную информацию на изделие и обеспечить сохранность информационных массивов в течение установленного срока эксплуатации объектов.
В работе решены задачи:
1. Выбор критериев, обоснование новых рабочих сред и методов
формирования знаков для нанесения информации растровым инструментом на
детали с эластичным диэлектрическим покрытием без утраты его сплошности.
2. Разработка механизма формирования выпуклых знаков
информационных массивов с сохранением их контрастности и соблюдением
требований стандарта.
3. Разработка путей нанесения информации под слоем покрытия любой
толщины на металлические детали с различными свойствами и внутреннюю
часть покрытий.
4. Исследование возможностей и создание технических средств для
подачи рабочих сред под покрытие с сохранением его сплошности после
маркирования в течение срока эксплуатации изделия.
5. Исследование требований к шероховатости маркируемой поверхности
детали и создание способа защиты от разрушения выпуклых знаков за счет
упругих свойств эластичных покрытий.
Научная новизна работы заключается в разработке:
- механизма формирования информационных массивов с выпуклыми
индексами из магнитных жидкостей управляемым магнитным полем,
формируемым растровым инструментом под слоем эластичного
диэлектрического покрытия, перемещаемого давлением рабочей среды с переменным трением, зависимым от периода формирования индексов и их фиксации в конце процесса;
- механизма образования информационных массивов на поверхности
магнитного металла детали или в форме отображенных знаков на внутренней
поверхности покрытия путем управления параметрами локального магнитного
поля, создаваемого растровым инструментом;
- механизма дозирования и подачи рабочих сред под эластичное покрытие
без утраты его сплошности с учетом свойств и толщины поверхностного слоя, а
также характеристик технических средств, принятых для подачи жидкости в
зону маркирования.
Практическая значимость исследований состоит в:
- создании бесконтактного способа нанесения выпуклой информации с
формированием знаков путем локального уплотнения наполнителя магнитной
жидкости растровым универсальным инструментом, дающим возможность
упростить и удешевить изготовление технологической оснастки, не разрушать
покрытие, сохранять качество наносимой информации в течение всего срока
эксплуатации изделий, исключить специальную подготовку поверхности
детали под маркирование;
разработке технологии бесконтактного нанесения информации на детали с эластичным покрытием любой толщины с сохранением его сплошности и эксплуатационных свойств;
разработке новых (на уровне изобретений) инструментов для растрового маркирования деталей с эластичным диэлектрическим покрытием и их адаптация к известным техническим средствам из смежных отраслей науки, что позволило ускорить и удешевить освоение нового процесса в производстве;
- устранении, в ряде случаев, необходимости во внешних источниках
энергии для выполнения операции маркирования, что создает условия
автономного использования нового способа для нанесения информации на
собранных изделиях, например, в случае регламентных работ в процессе
эксплуатации объектов транспортной техники или крупного оборудования
металлургического производства.
Теоретическая значимость. Приведена комплексная методика
проведения исследований по выявлению закономерностей между свойствами эластичного диэлектрического покрытия, характеристиками реологической жидкости, электрическими параметрами процесса при маркировании металлических поверхностей с покрытиями.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены на основе положений теорий: электрических и комбинированных методов обработки, упругости, математического моделирования, технологии машиностроения, математической статистики.
Экспериментальные исследования проводили в производственных условиях и сертифицированных лабораториях с использованием аттестованных приборов и оборудования.
На защиту выносится:
- создание нового, защищенного патентом, способа растрового нанесения
переменной информации на детали любых габаритов из магнитных материалов,
имеющих диэлектрические эластичные покрытия любой толщины, без нарушения сплошности поверхностного слоя после проведения операции;
- разработка критериев выбора универсальной рабочей среды на базе
магнитной жидкости и средств управления магнитным полем с формированием
под покрытием контура информационных знаков, соответствующих
требованиям стандартов;
- разработка способа нанесения качественной информации на детали из
магнитных сплавов и на покрытие при немагнитных материалах с
образованием выпуклых знаков, не нарушающих прочностных характеристик
маркируемых высоконагруженных изделий;
- описание механизма протекания процесса формирования
информационных массивов под слоем покрытий с сохранением их целостности
после проведения операции и обоснование условий сохранения
информативности знаков за счет использования физических характеристик
эластичных покрытий;
- разработка способов подачи рабочих сред под покрытия и определение
технологических режимов впрыска жидкостей или их подачи через
металлическую, не нарушающую сплошность покрытия, иглу;
выбор и обоснование возможности применения для маркирования портативных технических средств, позволяющих наносить информацию на крупногабаритные изделия, в том числе в процессе их эксплуатации;
разработка конструкции инструментов для нанесения информации растровым методом, новизна которых подтверждена охранными документами;
- проектирование, изготовление технических средств для создания новой
технологии, участие во внедрении метода в производство на ряде предприятий
авиационной, космической и металлообрабатывающей промышленности.
Степень достоверности. Обоснованность и достоверность научных
положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации,
подтверждается результатами теоретических и экспериментальных
исследований с использованием стандартных средств и методов измерений, опытно-промышленных установок, а также одобрением полученных результатов на международных научно-практических конференциях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Работа соответствует паспорту научной специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» (технические науки) в пунктах области исследований:
теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействия (п.2);
новые технологические процессы механической и физико-технической обработки и создание оборудования и инструментов для их реализации (п.6).
Материалы диссертации прошли апробацию путем публикации статей в специализированных журналах, а также при выступлениях на конференциях, где получили положительную оценку.
Реализация результатов работы. Предложенные устройство и технология нанесения информации внедрены на Воронежском механическом заводе - филиал ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева", в ООО НПП «Гидротехника» (г. Воронеж), в ОАО Липецкий опытно-экспериментальный завод «Гидромаш», результаты исследований используются в учебном процессе ЛГТУ и ВГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных и научно-технических конференциях:
«Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации
современного машиностроения и металлургии» (г. Липецк, 2012),
«Перспективные направления развития технологии машиностроения и
металлообработки» (Росвертол, г. Ростов на Дону, 2013); «Современные
направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в
машиностроении» (г. Севастополь, 2015), «Проблемы обеспечения и
повышения качества и конкурентоспособности изделий машиностроения и
авиадвигателестроения» (г. Брянск, 2015), на международном симпозиуме
«Интегрированные, виброволновые технологии в машиностроении,
металлообработке» (г. Ростов-на-Дону, 2015), на научных семинарах ВГТУ в 2012-2015 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 7 – в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем материала 6,2 листов, где доля соискателя составляет 3,85 печатных листов. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – технология маркирования; [2] – конструкция инструмента и управляющего устройства; [3] - критерии выбора универсальной рабочей среды; [4] - технологические методы повышения качества поверхностного слоя; [5] – теоретические положения; [6] – конструкция растрового инструмента; [7] – способ нанесения информации на магнитные и немагнитные материалы; [8] – способ растрового нанесения переменной информации; [9] – методика проектирования технологии маркирования; [10] – результаты исследований на циклическую стойкость, [12] – технология маркирования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 126 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 50 рисунков, 11 таблиц.
Особенности электрохимического маркирования изделий с получением стандартных знаков
В современном многономенклатурном производстве маркирование используется весьма широко и, зачастую, входит в технологический процесс как его составная часть. Маркирование, как правило, производится в конце технологического процесса и знаки наносятся на уже готовую продукцию.
Маркировка готовых изделий и отдельных комплектующих позволяет вести учет продукции на любом этапе производства – начиная со склада, затем - при транспортировке, в процессе реализации или возврате изделий. В современном производстве маркировочные символы в виде штрих-кодов и других способов кодировки могут содержать достаточно большое количество информации - о предприятии-изготовителе, самом изделии, логотипы, даты производства и т.д.
Маркировка может быть простой, т.е. содержать всего один или два знака, или сложной (многозначной, с изображением, например, товарного знака предприятия-изготовителя и др.). Согласно требованиям, наносимая символика может быть постоянной или меняться в зависимости от времени (например, раз в смену). Символы должны иметь чёткую конфигурацию, не допускать двойного толкования, быть лаконичными и долговечными. Качество выполнения маркирования влияет не только на надёжность распознавания знаков, но и на свойства поверхностного слоя самой детали, её работоспособность и долговечность [79].
В настоящее время маркирование в промышленных условиях производится различными способами: механическим, химическим, электрическим, фотохимическим, электрохимическим и др. На выбор способа маркировки влияет целый ряд факторов – типоразмеры и конфигурация изделия, его материал, твердость поверхности, программа выпуска, эстетические требования, вид наносимой информации, уровень механизации и автоматизации производства.
Наиболее простым и распространенным способом является маркировка краской, которую наносят, как правило, распылением по трафаретам, или губкой, а в некоторых случаях – просто кистью от руки.
При механическом способе маркирования информация может наноситься набором буквенно-цифровых маркеров ударом, а также штамповкой или гравированием. В единичном и мелкосерийном производствах маркировка ударом производится непосредственно рабочим - при помощи молотка. При маркировании штамповкой используются ручные и механические прессы различных конструкций – винтовые, пневматические, гидравлические. Маркер в этом случае является инструментом, на котором нанесена полная информация, которую необходимо перенести на изделие.
Довольно существенным недостатком ударного маркирования является пластическая деформация поверхностного слоя и, вследствие вытеснения металла, вспучивание по краям знака. При повышенных требованиях к качеству поверхности необходимо вводить дополнительную обработку, например, зачистку поверхности.
Всё более широкое применение в промышленности в настоящее время получает и ударно-точечная маркировка [126].
Для нанесения маркировки может использоваться как один рабочий элемент в виде иглы, так и их набор – модуль. Принцип действия такого модуля аналогичен работе печатающей головки матричного принтера: перемещаясь вдоль поверхности, игольные элементы наносят удары, формируя углубления в поверхности изделия, которые затем образуют изображения в соответствии с заданной программой. Рабочие элементы, применяемые для маркирования, различаются диаметром. В последних моделях оборудования имеется возможность замены рабочих элементов в зависимости от характеристик поверхности и изделия. Некоторые виды игл можно перетачивать в случае их износа. На срок эксплуатации в первую очередь влияет нагрузка на иглу, но обычно этот период исчисляется месяцами и даже годами.
Подвижность ударных элементов - игл - может достигаться двумя способами - пневматическим оборудованием, подающим сжатый воздух к модулям для маркировки, или электрическими магнитами. В обоих случаях силу удара можно регулировать - это дает возможность использовать иглоударную маркировку для различных поверхностей и получать углубления нужной глубины.
Механическое накатывание на поверхности символов является одним из прогрессивных способов маркирования. Это относительно малошумный процесс, для реализации которого требуются небольшие усилия. В данном случае достигается более высокая стойкость клейм и степень автоматизации процесса по сравнению с другими способами маркирования.
Когда деформация поверхности недопустима, применяют маркирование методом гравирования, которое производится на гравировальных станках с помощью пантографа. Пантограф обеспечивает требуемые размеры символов, при этом работа производится по копиру. Инструментом является специальная фреза.
При электроискровом методе маркирования, благодаря действию импульсов электрического тока между электродом-инструментом и поверхностью изделия, происходит расплавление и последующее испарение микрообъёма металла. Маркирование производится на электроискровых станках при напряжении 60 … 140 В.
Достоинством такого метода является то, что маркировать можно токопроводящие материалы любой твёрдости. Регулируя напряжение в зоне контакта, можно изменять глубину наносимых знаков. Поэтому таким способом можно маркировать и тонкостенные детали.
Механизм формирования контура знаков на поверхности с диэлектрическим покрытием
Для деталей, имеющих эластичные покрытия из резины, клеев, лаков, полиуретана и других материалов, доступ к их металлической основе ограничен и для нанесения долговременной информации до настоящего времени требовалось удалять покрытие в месте маркирования. Кроме этого, при маркировании могут вноситься напряжения в поверхностный слой основы. Как правило, такие операции выполняются на ненагруженных участках деталей, которые, однако, могут оказаться недоступными без разборки узлов.
Из литературного обзора известно, что имеется способ [3], который дает возможность выполнить в металле контур информационных знаков, но при этом могут возникать местные напряжения и нарушается защитное диэлектрическое покрытие, восстановление которого не всегда возможно и осуществимо.
В работе [97] предложен способ нанесения в магнитном поле информации на немагнитные металлические изделия путем локального наращивания магнитореологической жидкости по контуру знаков с помощью элементов, позволяющих создавать магнитное поле в месте формирования информации. Полученные таким методом знаки требовали последующей защиты от разрушения и были недолговечны. Покрытия, защищающие информацию, как правило, наносятся в процессе изготовления детали и их нарушение в период эксплуатации изделия не допускается. Как отмечалось выше, нанесение информации на магнитные сплавы возможно, если они имеют диэлектрическое покрытие, позволяющее формировать на нем знаки локальным магнитным полем. Проведенный ранее анализ показал, что значительное количество применяемых в технике покрытий выполнено из эластичных диэлектрических материалов, позволяющих пропускать струю жидкости или металлическую иглу и обеспечить смыкание краев отверстия без нарушения сплошности покрытия.
На основании изложенных предпосылок выдвинуты научные гипотезы, обосновывающие возможность нанесения информации на металлические поверхности с упругим диэлектрическим покрытием без его разрушения с использованием реологической жидкости:
1. Для эластичных материалов при больших давлениях струи электролитической жидкости можно обеспечить временное раскрытие для прохождения электролита к зоне обработки. При этом под действием упругих сил покрытия отверстие закрывается, а попавший электролит в герметичном пространстве не нарушает качества поверхности под покрытием.
2. Для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок нежелательно формировать углубления при маркировании, поскольку они могут являться концентраторами напряжений и снижать долговечность изделий. Материалы, приведенные в первой главе, дают основание предполагать, что возможно нанесение информации на внутреннюю поверхность эластичного покрытия, что полностью исключает влияние маркирования на долговечность изделия.
3. При маркировании деталей с эластичным покрытием за счет электрического поля на контуре знаков можно создать локальные поля с внутренней поверхности покрытия без его разрушения.
4. Контур знака на внутренней поверхности покрытия можно получить, используя реологические жидкости с металлическим наполнителем, которые под действием локального электрического поля формируют информационный массив. Для более удобного чтения информационного массива контур знаков следует представить в зеркальном отображении.
Наличие герметичного эластичного покрытия гарантирует сохранение информации при любых внешних воздействиях (механических, химических, магнитных)
Свой вклад в разработку научных основ и технических решений для реализации процесса маркирования металлических поверхностей внесли научные школы городов: Воронеж, Москва, Казань, С.-Петербург, Уфа, Липецк и др.
Известен способ разделения вязких материалов [76]. При этом способе на вязкий материал, подлежащий разделению и рабочую среду накладывается электрическое поле обратной полярности. В начале процесса разделения подводят напряжение, предельно допустимое для гарантированного анодного растворения обрабатываемого материала, контролируя при этом величину анодного тока до достижения им стабильной величины. Затем, изменением напряжения, величину анодного тока снижают вдвое и подают это значение до окончания процесса разделения вязкого материала.
Указанный способ позволяет повысить производительность процесса разделения вязких металлических материалов и обеспечить более стабильное качество поверхностного слоя. Однако этот способ направлен на разделение вязких материалов и при маркировании поверхностей с покрытиями может быть использован только для снятия покрытия и обеспечения доступа к поверхности изделия.
Имеется решение [1], направленное на нанесение информационных знаков на металлические поверхности с покрытием, слабо проводящими ток (кадмиевое). Здесь также использовалась обратная полярность, то есть изображение формировалось осаждением продуктов обработки на само покрытие. Однако качество таких выпуклых знаков было низким, и они быстро снимались в местах трения. Вследствие этого способ не получил практического распространения, а для диэлектрических покрытий он не приемлем.
В Воронеже был разработан способ [3] маркирования токопроводящих металлических поверхностей с покрытиями, имеющими высокое удельное сопротивление. Такие покрытия можно считать диэлектрическими.
Способ основан на том, что информационные знаки формируются в два этапа – вначале покрытие вскрывается импульсным электрическим разрядом по контуру знака, а затем проводится растворение металлической основы. К недостаткам способа относятся - явление пассивации на вскрытых участках основы и нестабильность процесса формирования знаков при последующем маркировании.
Рисунок 2.1 Принципиальная схема нанесения информации на поверхность детали с диэлектрическим покрытием
На рисунке 2.1 представлена принципиальная схема нанесения информационных знаков на поверхность детали с диэлектрическим покрытием. Как следует из схемы, исполнительным органом устройства является электромагнитная головка 1. Внутри электромагнитной головки расположен корпус 2, содержащий электромагнитную катушку 3. В катушке имеется подвижный сердечник 4 с электродом-инструментом 5. Периодическое подведение электрода-инструмента к изделию обеспечивается программным устройством, которое на схеме обозначено блоком ПУ. Под действием пружины 6 при отключенной катушке 3 производится отвод электрода-инструмента от поверхности детали 7.
Деталь присоединяют к положительным полюсам источника постоянного тока 8 и источника униполярных импульсов 9. Отрицательный полюс источника 8 через катушку 3, последовательно соединяют с электродом-инструментом 5. К электроду-инструменту подключают также и отрицательный полюс источника 9. Электрические реле 10 и 11 служат для одновременного и раздельного подключения источников 8 и 9.
Процесс маркирования производится в следующем порядке.
На деталь 7 наносят раствор электролита (смачиванием, поливом, или окунанием). Электромагнитную головку перемещают к поверхности детали до касания электродом-инструментом 5. Затем включают реле 10 и 11 и при помощи программного устройства задают перемещение головки 1 по контуру знака. В момент окончания обхода контура реле 11 отключает источник униполярных импульсов 9. Затем электромагнитная головка повторно перемещается по контуру знака, но уже в режиме электрохимического маркирования (при подключенном к межэлектродному промежутку источнике постоянного тока 8).
Разработка безизносного растрового электрода-инструмента..
В работе [59] приведен положительный опыт нанесения информации на любые (магнитные и немагнитные) металлические детали, имеющие диэлектрическое покрытие, путем формирования знаков высоковольтными электрическими разрядами. В указанной работе исследованы различные, в том числе эластичные, покрытия. Установлено, что получить стандартные шрифты этим методом удается при высоте знаков не менее 3,5 мм. Кроме того, при использовании в качестве покрытия каучука и резины, не удалось обеспечить получение углубления по контуру знаков, т.к. продукты горения покрытий экранировали прохождение тока к металлической основе детали. Поэтому контур знаков под покрытием формировался не четким и достаточную контрастность имел только при крупных шрифтах.
Кривая 1 (рис 2.6) показывает зону действия разряда на деталь под покрытием. Из таблицы 2.1 следует, что для резины и каучука относительное удлинение покрытия в местах действия импульса составляет от 6 до 16%, поэтому отверстие в покрытии (рис. 2.6) может уменьшаться до трёх раз, хотя для других эластичных покрытий, приведенных в табл. 2.1, степень изменения в них диаметра отверстия относительно контрастного пятна на металлической основе может оказаться меньшим, чем для резины.
В большинстве случаев присутствие отверстий в покрытии после маркирования нежелательно, т.к. при этом деталь лишается защиты от воздействия внешней среды (от коррозии, загрязнений и др.) Таблица 2.1. Некоторые характеристики эластичных покрытий
Материалэластичногопокрытия Толщина слоя,пригодного длямаркирования,мм Удельноесопротивление,Омсм Адгезияк стали,МПа Прочностьприрастяжении,МПа Относительноеудлинение,% Пробойное напряжение, не менее, кВ
Желатин (фотохимическое покрытие) 1,3 0,05 0,1 (технологическидостижимаятолщина) 1,2 - 1,5 6 -Ю 5 - 6 Отмеченных выше проблем с «уширением» контура знака можно избежать, если применить для маркирования реологическую жидкость. На рисунке 2.4 показано формирование фрагмента знака, где к источнику тока подключены электрод-инструмент 1. В этом случае создаётся магнитное поле. Такое же поле можно сформировать, если электрод-инструмент выполнить из постоянного магнита, поместив маркируемую поверхность между его полюсами.
Под слой диэлектрического покрытия 3 перед началом маркирования впрыскивают реологическую жидкость 4 в количестве, достаточном для формирования всей требуемой информации. Если покрытие 3 эластичное, то появляется возможность подать жидкость 4 в пространство между ним и деталью 5 без разрушения покрытия. Это может быть обеспечено, например, подачей жидкости под высоким (более 20 МПа) давлением или при помощи специально заточенной иглы [74] без нарушения сплошности материала покрытия. Особенностью растрового нанесения информации является прерывистая линия, получаемая электродом-инструментом из изолированных друг от друга элементов решетки с различной формой сечения, как показано на рисунке 2.8.
Как показали экспериментальные исследования, если глубина знаков при маркировании не превышает 30 мкм, то в качестве элементов можно использовать стержни из проволоки (рис. 2.8, а) или многогранники (рис. 2.8, б, в). Для получения качественной информации большей глубины (до 300 мкм) приходится использовать пустотелые стержни (рис. 2.8, г), в которых через центральное отверстие прокачивается жидкая рабочая среда. В одном растровом инструменте количество элементов может быть до нескольких сотен. Их наружный диаметр (размер сечения) зависит от толщины линий обводки знаков с учетом рассеивания тока по ширине штриха. Наиболее часто диаметры элементов находятся в пределах от 0,15 до 0,6 мм.
Лабораторные исследования проводились на фрагментах деталей с эластичными покрытиями, входящих в узлы летательных аппаратов, которые в процессе эксплуатации подвергаются внешним воздействиям (абразивным, химическим, лучевым). Для таких деталей при регламентных работах и ремонте весьма важным является нанесение информации (сроки проведения, исполнители и др.) под покрытием без его удаления. Фотографии конструкций, в которые входят детали, имеющие эластичные диэлектрические покрытия, представлены на рисунке 2.9. Экспериментальные исследования проводили в производственных условиях и сертифицированных лабораториях с использованием аттестованных приборов и оборудования.
Для проведения исследований в лабораторных условиях по определению величины давления, необходимого для прокалывания эластичного диэлектрического покрытия была разработано и изготовлено специальное приспособление, которое представлено на рисунке 2.10. Приспособление содержит опору, в которую устанавливается втулка.
Внутрь втулки вводится медицинский шприц (рис.2.10, вверху) с затупленной под 90о иглой (торец перпендикулярен оси). Диаметр иглы замерялся микрометром и составил 0,63 мм. На шприц давит поршень, который может нагружаться сверху различной массой (рисунок 2.10, внизу). Принимая во внимание, что плотность резины (900 … 2000 кг/м3), близка к плотности бумаги (100 … 1200 кг/м3), в качестве рабочего материала для экспериментов была выбрана бумага. Бумага имитировала диэлектрическое покрытие и устанавливалась с различным количеством листов в стопке.
В промышленных условиях эластичные покрытия позволяют пропустить через них к металлической основе струю жидкости под высоким давлением, после чего под действием упругих сил место прохождения жидкости полностью закроется. Такая задача была решена при создании инъекторов, применяемых в технике, быту, медицине, где жидкости, поступающие через сопло под давлением 20 … 22 МПа, проходили через эластичное покрытие толщиной до 0,5 … 0,6 мм, после чего отверстия полностью закрывались. Испытания инъекторов показали (рис. 2.2), что для рабочих сред на базе воды их можно использовать для маркирования деталей с покрытиями, приведенными в таблице 2.1.
Экспериментальное исследование формирования контура знака под эластичным диэлектрическим покрытием
Постоянная часть «уширения», показанная на рис. 3.6, может быть учтена при проектировании растрового электрода-инструмента путём уменьшения поперечного размера элемента растра (если это возможно с позиции сохранения прочности и жёсткости инструмента). Для шрифта № 5 рассматриваемый диапазон «уширения» укладывается в поле допуска информационного штриха на детали. Если размер шрифта менее 3,5 мм, то желательно уменьшить межэлектродный зазор (до 0,02 … 0,03 мм), за счёт чего увеличить плотность тока, снизить время обработки. Кроме того уменьшение зазора даёт возможность усилить контрастность изображения и достичь требуемой читаемости информации при использовании низкого напряжения, что также ограничит «уширение».
При проектировании растрового электрода-инструмента из пустотелых элементов, служащих для подачи рабочей среды к месту маркирования, необходимо учитывать следующие факторы: - сохранять площадь металлической части сечения элемента достаточной для подвода тока; - обеспечить жесткость элементов растра в объединяющем их корпусе (трубной решётке) без взаимного касания, вызывающего нарушение формы индекса и брак детали; - иметь интервалы между знаками информации, обеспечивающие стандартные изображения надписей, но не нарушающие прочности трубной решётки.
В последние годы решена проблема нанесения информации путём формирования индексов из реологической жидкости [73] в управляемом магнитном поле. Такие знаки выполняются в форме локальных покрытий и не изменяют геометрических размеров детали. Недостатком подобной информации является низкая стойкость знаков, особенно при эксплуатации с воздействием абразивных гранул. Однако такой вид маркирования оказывается экологически и технически обоснованным при нанесении информации на детали с диэлектрическим покрытием, которое может быть эластичным. Применение реологических жидкостей позволяет использовать защитные свойства покрытий после маркирования и сохранять полученную информацию за счёт внешних защитных слоёв диэлектрика. Ещё одним достоинством применения реологических жидкостей для маркирования является возможность нанесения информации без разборки узлов, например при техническом осмотре двигателей, в период эксплуатации с сохранением сплошности эластичных жаропрочных покрытий.
Высота знаков из реологической жидкости в период действия внешнего магнитного поля, поступающего от растрового инструмента, может достигать нескольких миллиметров. Она ограничена пространством между эластичным диэлектрическим покрытием и поверхностью детали. Однако после отключения тока при маркировании упругие силы покрытий снижают высоту индексов, что может привести к размыванию границ контура знаков и снижению качества информации. Поэтому необходимо время формирования знаков из реологической жидкости ограничить, как это показано в [98], интервалом в несколько десятых долей секунды. После чего контур знаков фиксируется прижатием эластичного покрытия, сохраняется в таком виде в течение всего периода эксплуатации изделия и может быть в любой момент прочитан имеющимися контрольными средствами.
Изменение ширины контура знака («уширение») в зависимости от толщины слоя, формирующего знак из реологической жидкости: А - граница читаемости информации на стали с эластичным диэлектрическим покрытием из резины (1) с толщиной 0,2 мм; лака (2) с толщиной 0,05 мм; жаростойкой эмали с толщиной 0,15 мм Из рисунка 3.7 следует, что толщина слоя осадка реологической жидкости, формирующей знак и определяющей его выступание над поверхностью детали, зависит от свойств эластичного покрытия. Чем большую упругость имеет покрытие, тем меньше остаточная толщина слоя осадка. Критерием оценки - граница «А» - использования жидкости для маркирования может служить читаемость информации после удаления с детали покрытия (толщина около 0,2 мм для стали).
При маркировании деталей с эластичным диэлектрическим покрытием контур знака на поверхности становится частью инструмента для нанесения информации, т. к. ширина штриха определяет наибольший размер сечения элемента.
Из рисунка 3.7 также видно, что при маркировании стальных деталей с покрытием из лака (кривая 2) и эмали (кривая 3) возможно обеспечивать наибольшую толщину слоя из реологической жидкости. При этом «уширение» составляет не более 0,05 мм. По [56] такое «уширение» позволяет получить стандартные знаки растровым электродом-инструментом с размером шрифта от 2,5 мм даже с использованием полых элементов инструмента.
Резиновые покрытия (кривая 1), имеющие высокую эластичность, позволяют получить знаки с большим выступанием (иметь большую толщину), но в этом случае чёткость контура надписей снижается, а толщина линий знаков резко возрастает и выходит за пределы допустимых, особенно для шрифтов с высотой менее 5 мм (наиболее употребимые в технике знаки). Поэтому приходиться ограничивать толщину слоя из реологической жидкости 0,3 … 0,4 мм. Тогда возможно изготовить растровый электрод-инструмент с размером стороны сечения элемента около 0,3 мм, пригодного для нанесения информации с высотой более 3 мм.