Введение к работе
Актуальность работы. В условиях современного машиностроения в процессе производства деталей машин и агрегатов необходимо наносить индивидуальную маркировку для автоматического считывания информации. Такая маркировка деталей и узлов на каждом участке производства должна обеспечивать качественную сборку всех этапов технологического процесса. Ранее в производстве на изделия наносили сразу комплекс маркировок, несущий основную информацию - наименование производителя, вариант исполнения, дату изготовления и подтверждение годности детали. В связи с расширением и ростом производства машин и агрегатов повысились и требования к качеству продукции. В этих условиях возникли новые задачи, для которых использования обычной маркировки недостаточно. Одной из основных функций маркировки деталей современного машиностроения является правильное применение деталей при конвейерной сборке в более жестких пространственных и временных рамках. А при обработке маркировочной информации требуется быстрое получение ответа о возможности установки определенного узла. При этом важно, чтобы при обработке данных были исключены ошибки. При таких требованиях к производственному процессу важно максимально устранить человеческий фактор, то есть полностью автоматизировать данный процесс.
Наличие в настоящее время на рынке готовой продукции большого объема контрафакта (поддельной продукции) обязывает производителей усиленно разрабатывать новые средства и технологии, обеспечивающие однозначную идентификацию оригинальной продукции. Применяемые сейчас способы защиты и идентификации готовой продукции, такие как голограммы, штрих-коды, микронадписи и др. не позволяют кардинально решить данную проблему, т.к. они наносятся на промежуточные носители информации (бумага, пластик и др.), а не непосредственно на само изделие. Соответственно они могут быть относительно легко подделаны и утеряны при эксплуатации изделий. В тех же случаях, когда метки наносятся на само изделие, применяемые методы достаточно сильно деформируют поверхность деталей (метод «питов», метод «лазерной насечки») и, самое главное, не позволяют записать большой объем информации об изделии.
Нанесение штрих-кодов, в первую очередь, двухмерных высокоплотных штрих-кодов прямо на изделия, позволяет решать еще одну важную задачу – размещать на самом изделии нужную информацию с характеристикой условий его изготовления и эксплуатации.
Актуальность диссертационной работы вызвана необходимостью научно обосновать выбор параметров лазерных маркировочных комплексов для нанесения на поверхности изделий машин и агрегатов из различных материалов информационных полей, способных хранить информацию в течение всего срока службы изделия, с целью их учета и идентификации.
Степень теоретической разработанности проблемы. Цветная лазерная маркировка металлов известна несколько десятилетий, но относительно широкое распространение получила лишь в последние годы. Лазерная маркировка металлической продукции – деталей машин и агрегатов – может применяться для хранения информации об изделии на протяжении всего его жизненного цикла. Такая маркировка будет долговечна и обладает высоким разрешением.
Доля полимерных материалов при производстве деталей, работающих в ответственных узлах машин и агрегатов под нагрузками, в последние годы в значительной степени увеличивается. Однако лазерная маркировка материалов на полимерной ос-3
нове не получила в настоящий момент широкого применения.
Производители лазерных маркировочных комплексов предлагают различные методики нанесения цифровых или буквенных значений, двумерных кодов, логотипов на поверхностях практически всех разновидностей материалов, но при этом нет выработанных критериев определения параметров маркировочного процесса и не существует общего обоснованного подхода для нанесения маркировочных символов, несущих информацию о детали, которую можно было бы считывать и расшифровывать универсальными средствами.
В представляемой диссертационной работе было предложено проанализировать влияние лазерного излучения на формирование поверхностных структур деталей машин и агрегатов из различных классов материалов при их обработке лазерным маркировочным комплексом, изучить и систематизировать технологические подходы выбора операционных режимов процесса маркировки, отследить эксплуатационные свойства наносимых маркировочных изображений, меток, закодированной информации.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методологических основ, математической модели и технологических режимов нанесения маркировки на поверхности изделий из различных материалов импульсным лазером для учета деталей и их идентификации.
Для выполнения поставленной цели работы предполагается решить следующие задачи:
- установить закономерности физико-химических процессов, происходящих на
поверхности деталей машин и агрегатов из металлических и неметаллических мате
риалов в процессе их лазерной обработки;
- определить на основе математической модели технологические параметры
процесса лазерной обработки деталей с целью получения на их поверхностях марки
ровочных символов для материалов различных классов (металлические, полимерные);
разработать технологические режимы маркировки деталей машин и агрегатов для идентификации изделий из ряда металлических и полимерных материалов и провести их апробацию;
разработать методику маркировки изделий из различных материалов с целью их идентификации и учета;
исследовать свойства, структурный и фазовый состав получаемых маркировочных символов, проанализировать их эксплуатационные свойства.
Объектом изучения являются металлические и полимерные материалы, наиболее широко применяющиеся для производства машин и агрегатов, предметом – процесс нанесения маркировочных информационных полей и изображений на поверхности материалов под воздействием импульсного лазерного излучения.
Научная новизна полученных результатов состоит в:
1. научно-обоснованных рекомендациях по расчету и подбору технологических
режимов лазерного маркировочного комплекса для обработки поверхностей деталей
машин и агрегатов;
2. разработке методики и технологических регламентов формирования кон
трастных изображений, в том числе и символов, несущих зашифрованную информа
цию, на поверхности изделий машин и агрегатов в процессе их лазерной обработки.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2014610252 от 09.01.2014 г.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании технологических режимов лазер-4
ной маркировки для формирования контрастных изображений маркировочных символов на поверхности обрабатываемых изделий.
В результате выполнения диссертационной работы были рассчитаны и опробованы режимы лазерного маркировочного комплекса для управления процессом обработки поверхностей деталей машин и агрегатов изделий из различных материалов с целью их учета, идентификации и защиты от подделок.
Диссертационное исследование выполнялось в рамках внебюджетных НИР: «Исследование влияния легирующих элементов и различных технологических параметров на формирование заданных технологических свойств и характеристик конструкционных материалов различного класса» (договор №383-2009 от 15.07.2009 г. с ФГУП "ЦНИИ КМ «Прометей" в рамках ГК № 02.740.11.0140 от 15.06.2009 г.), государственных контрактов «Формирование микро- и нанокластерных оксидных систем с заданными цветовыми характеристиками с целью получения полицветного изображения полиграфического качества на металлической поверхности под воздействием импульсного лазерного излучения» (ГК № П583 от 05.08.2009) и «Проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования графической и битовой зашифрованной информации (информационного поля) на поверхности изделий из различных материалов (металл, стекло, керамика) для их защиты их от подделок, паспортизации и идентификации» (ГК № 14.В37.21.1095 от 07.09.2012 г.) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы», и соглашения «Разработка конструкции и общих принципов управления комплексным электролизным агрегатом для одновременной выработки анолита для обеззараживания воды и феррата для обеззараживания стоков» (№ 14.575.21.0080 от 16 июля 2014 г.) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».
Методология и методы исследования. В ходе работы над диссертацией были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальные исследования по тестированию и апробации режимов процесса маркировки проводились на прецизионном лазерном маркировочном комплексе ДМарк-06. Обработка результатов проводилась с применением методов математической статистики при использовании стандартных программ. Для анализа структурно-фазового состава и геометрических параметров оксидных пленок, сформированных при нанесении маркировочных символов на поверхности исследуемых образцов, были применены физические, физико-химические и физико-механические методы (рентгено-структурный анализ, ионное травление, микроструктурный анализ и пр.), часть исследований проводилась на лабораторной базе ФГУП "ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках совместного контракта.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель, определяющая закономерности взаимосвязи физических свойств материала и технологических параметров процесса лазерной маркировки, обеспечивает формирование контрастных изображений с заданными цветовыми характеристиками при обработке поверхности металлических материалов импульсным лазером;
устойчивость и цветовая гамма нанесенных изображений зависят от физико-химических свойств материала и от установленных режимов работы лазерного маркировочного комплекса: тока накачки диодной линейки, скорости маркировки и частоты следования импульсов;
- методика нанесения маркировочных символов на детали машин и агрегатов и технологические режимы лазерного комплекса, обеспечивающие процесс лазерной маркировки, позволяют получать непосредственно на поверхности изделий контрастные, считываемые стандартными устройствами изображения за счет управления тремя основными параметрами лазерного маркировочного комплекса.
Достоверность результатов исследования. Достоверность и обоснованность научных исследований диссертационной работы обеспечивается проведенными исследованиями рассматриваемых материалов, методами математического моделирования процессов на поверхности материалов под действием импульсного лазерного излучения, проведением и обобщением большого объема экспериментальных данных по изучаемому вопросу, практической апробацией технологических параметров процесса лазерной маркировки на конкретных материалах, а также воспроизводимостью полученных результатов.
Апробация работы. Основные принципы и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2009 г.; международной научно-практической конференции «Инновационные процессы и технологии в современном мире», Уфа, 2013 г.; научно-практической конференции c международным участием «Неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, 2013 г.; II международной научно-практической конференции «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении», Санкт-Петербург, 2014 г.; 4-й международной конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 2014 г.; 14th International Conference «Research and Development in Mechanical Industry», Topola, Serbia, 2014; III международной научно-практической конференции «Инновации на транспорте и в машиностроении. Секция «Технологические процессы в машиностроении», Санкт-Петербург, 2015 г; научно-практической конференции c международным участием «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, 2016 г.; международной научно-практической конференции «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2017», Санкт-Петербург, 2017 г.
Методика нанесения маркировочных символов с закодированной информацией посредством импульсного лазерного излучения на металлические (титановый сплав ВТ1-0) поверхности деталей комплексного электролизного агрегата для обеззараживания воды и стоков была использована в рамках производственного процесса завода химического оборудования «Заря» с оформлением акта на бланке организации, заверенным печатью и подписью руководителя предприятия от 08.12.2016 г.
Личный вклад автора. Личное участие автора состоит в анализе существующих технологий маркировки деталей машиностроения, подготовке публикаций по теме исследования, подборе исследуемых материалов, применяемых для изготовления деталей машин и агрегатов, постановке цели и задач исследования, проведении лабораторных исследований и экспериментов, подборе технологических режимов процесса обработки поверхности материалов лазерным излучением, проверке качества маркировки считываемостью сканером с использованием стандартных программ, формулировке заключительных выводов.
Публикации. По материалам диссертации имеется 16 публикаций, в том числе 5 из перечня рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК при Минобр-науки России, и 1 свидетельство на программу для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х
глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований, шести приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 30 таблиц.