close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка способа и режимов маркирования деталей с эластичным диэлектрическим покрытием

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КОЗЛОВ Андрей Александрович
РАЗРАБОТКА СПОСОБА И РЕЖИМОВ МАРКИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
С ЭЛАСТИЧНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ
Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической
и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учѐной степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении
высшего образования “Воронежский
государственный технический университет”
(ФГБОУ ВО «ВГТУ»)
Научный руководитель:
Смоленцев Владислав Павлович –
доктор технических наук, профессор
Официальные
оппоненты:
Садыков Зуфар Барыевич доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры
«Производство летательных аппаратов»
ФГБОУ ВО «Казанский национальный
исследовательский технический университет им.
А.Н. Туполева-КАИ»
Осеков Алексей Николаевич –
кандидат технических наук,
заместитель начальника
планово-аналитического управления
ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Московский государственный
технологический университет «СТАНКИН»
Защита состоится 20 апреля 2016 г. в 1600 часов в конференц-зале на
заседании диссертационного совета ДМ212.037.04, созданного на базе ФГБОУ
ВО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ),
ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ),
ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), по
адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
C диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» и на
сайте www.vorstu.ru.
Автореферат разослан « 15 » февраля 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Кириллов О.Н.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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).
3
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;
4
- 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,
5
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).
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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и
задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту,
показана научная и практическая значимость материалов диссертации.
7
В первой главе приведен анализ опубликованных научных материалов, на
основании которых сформулированы задачи исследований.
Анализ номенклатуры изделий машиностроительной отрасли показал,
что значительное количество деталей имеет эластичные диэлектрические
покрытия – лаки, краски - наносимыми напылением, осаждением и другими
способами. Механические способы маркирования (пантографом, ударным
методом и др.) разрушают покрытие, часто не дают качественной информации,
весьма трудоемки. Известны другие способы маркирования - химическое,
электрическое, фотохимическое, электрохимическое и др., - которые позволяют
наносить информацию на покрытие, но не обеспечивают ее сохранность в
процессе эксплуатации изделий.
Анализ доступной литературы и данных промышленных предприятий
показал, что не обнаружено публикаций или опыта использования
технологических процессов нанесения информации на металлическую основу с
эластичным диэлектрическим покрытием, обеспечивающих возможность ее
идентификации в процессе изготовления и эксплуатации изделий, без
нарушения сплошности покрытия. Это особенно важно для изделий,
работающих при воздействии внешних факторов, нарушающих слои
диэлектрических покрытий. Поэтому ранее не рассматривались механизмы
получения качественных объемных знаков, режимы их нанесения, соответствие
стандартам, не обоснована область применения электрохимического и
комбинированного маркирования для металлических изделий с эластичными
диэлектрическими покрытиями без нарушения его сплошности.
Проведенный анализ состояния вопроса по маркированию металлических
деталей
с
эластичными
диэлектрическими
покрытиями
позволил
сформулировать задачи исследований, приведенные во введении и
обеспечивающие достижение поставленной цели.
Во второй главе приведены направления решения поставленных задач и
методика проведения исследований.
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 покрытий на эластичные материалы, что полностью
исключает влияние маркирования на долговечность изделия.
8
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).
Рис. 1. Создание магнитных полей при маркировании
металлических деталей с диэлектрическим покрытием:
а) – деталь из ферромагнитного материала; б - деталь немагнитная.
1 – электрод-инструмент; 2 – диэлектрическое покрытие электродаинструмента; 3 – диэлектрическое покрытие детали; 4 – реологическая
жидкость; 5 – деталь
На рис. 1 показано формирование фрагмента знака, где к источнику тока
подключен электрод-инструмент 1. В этом случае создаѐтся магнитное поле.
Такое же поле можно сформировать, если электрод-инструмент выполнить из
постоянного магнита, поместив маркируемую поверхность между его
полюсами. Перед началом маркирования под слой диэлектрического покрытия
(поз.3) должна быть впрыснута реологическая 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, например струѐй высокого
(более 20 МПа) давления или специальной иглой, без нарушения сплошности
материала покрытия 3.
9
Проанализирована научная и техническая база, что позволило наметить
направления исследований для построения механизма формирования знаков на
металлических деталях с диэлектрическим покрытием.
Разработана методика проведения исследований.
Третья глава посвящена разработке механизма процесса маркирования
деталей с эластичным диэлектрическим покрытием.
Объем реологической жидкости (м3), требуемой для обеспечения
процесса формирования знаков:
- при подаче среды через электроды по контуру знаков
(1)
где Н3 – высота знака (номер шрифта), м;
L
– длина строчек знаков информационного массива (с учетом
пробелов), м;
So – начальный межэлектродный зазор при электрохимической размерной
обработке неподвижными электродами, м;
К1 – коэффициент, учитывающий выброс жидкости через отверстие до
его закрытия и неравномерность сопротивления течению
жидкости под покрытием (К1 = 1,5 – 2,0).
- при подаче среды централизованно (через единичное сопло или иглу)
(2)
Для расчета технологического параметра - давления струи на срезе (Рс)
элемента (или форсунки) – необходимо учесть сопротивления: прокалыванию
вязкого покрытия; движению потока в зазоре между покрытием (линейное и
волновое сопротивление); вязкость среды; среднюю скорость потока. Без учета
сопротивления движению струи в воздухе (обычно элементы прижаты к
покрытию)
Pc   p 
R
1
 C x1 h n 1  U n   C x 2  L1  в ,
sin 
Fc
(3)
где σр – прочность материала покрытия при растяжении (МПа);
α – угол (град) распыла струи на участке от среза сопла до покрытия (при
контакте элементов или сопла с покрытием α = 0);
Сх1 – коэффициент путевого удельного сопротивления движению среды
(Н/м3) в момент прокалывания покрытия;
hn – толщина покрытия, м;
Un – изменение размера покрытия за счет вязкости материала (Un=1+K ,
где К – относительное удлинение материала покрытия, которое
ограничено зазором (Un ≤ S0));
Сх2 – коэффициент путевого линейного сопротивления (Н/м3) на участке
течения жидкости от точки входа ее под покрытие до границы
контура;
10
где
L1 – наибольшее расстояние до контура информационного массива от
места подачи жидкости, м.
Величина Сх1
А
С х1 
,
(4)
Re
А – постоянная величина (Н/м3), отражающая сопротивление вязкого
покрытия на единице пути струи;
Re – число Рейнольдса (в расчетах можно принять равным значению для
воды);
Fc – площадь сечения струи, м2 (без учета распыла Fc=(π d02) / 4,
где d0 – диаметр отверстия сопла, м);
Rв – волновое сопротивление, H.
 Q2
Rв   с  Vc  Q   c  g  
2
 L1  V1



( 2 gL1 ) /(Vc 2 )
,
(5)
γс – плотность жидкости (кг/м3) в струе (можно принять равной параметру
для воды);
g – ускорение свободного падения (м/с2);
Vc – средняя скорость (м/с) движения струи под покрытием;
Q – расход жидкости (м3/с) через сопло (Q = Vc πd02/ 4).
Без учета потерь жидкости на выброс средняя скорость течения струи (Vc)
составит
4H 3  L  S 0
Vc 
,
(6)
 d 0 2  u
где τu – импульс давления, с (τu ≈ 100 мкс).
Давление струи (Pn) для преодоления сопротивления вязкого материала
покрытия по формулам Н.Е. Жуковского и Гагена-Пуазеля
128  H 3  L  S 0 
Pn 
 hn  (1  K u ) ,
(7)
  d 0 4  u
где η – динамическая вязкость жидкости (Па∙с) в струе.
Для высокой концентрации частиц (в работе рассматривается такой
случай) используется эмпирическая формула
где
  0 
1
2 ,
1  aCv  bCv
(8)
где Сv – концентрацияферромагнитных частиц в жидкости (%),
а,b – коэффициенты.
Для оценки объемной концентрации магнитной жидкости (Cv) в
дозирующем устройстве использовалось эмпирическое уравнение
 2.5  Cv  2.7  Cv 2
exp 
 1  0.609  Cv

Cv
1


 1  2.5  C  (2.5  C  1) C  0 .
v
v
v

(9)
Величина Сv, определенная по формуле (8), позволяет назначать рабочую
среду для нанесения информации (до действия магнитного поля). Для
11
сохранения подвижности частиц при действии магнитного поля необходимо
иметь 6 % ≤ Cv ≤ 20 % при размерах частиц 10 – 100 нм.
Время формирования индексов при маркировании (c) складывается из
следующих составляющих:
  1  2  3 ,
(10)
где τ1 – время, с, необходимое для прокалывания покрытия струей жидкости
(длительность импульса);
τ2 – время, с, необходимое для расширения отверстия давлением струи;
τ3 – время, с, необходимое для закрытия канала в покрытии.
Применение в качестве рабочих сред реологических жидкостей дает
возможность сформировать информационные знаки, сохраняющие высокую
контрастность и долговечность под эластичным покрытием в течение всего
срока эксплуатации изделия.
Схема растрового маркирования металлических деталей с эластичным
диэлектрическим покрытием приведена на рис. 2.
б)
а)
Рис. 2. Схема электрохимического маркирования деталей
с диэлектрическим покрытием:
а) – покрытие тонкое; б) – толщина покрытия значительная;
1 - 4 – элементы растрового электрода-инструмента;
5 – изоляция элементов; 6 – подвод к элементам жидкой среды;
7 – диэлектрическое покрытие детали; 8 – металлическая деталь
Элементы 1 – 4, как правило, соединены в растр из стержней или трубок,
изолированных друг от друга слоем 5. От командоаппарата к элементам,
находящимся на контуре наносимых знаков, подводится ток от источника
питания и рабочая среда 6 под высоким давлением. Если толщина
диэлектрического эластичного покрытия 7 на детали 8 невелика (для
большинства покрытий не более 0,3 мм), то инструментом, прокалывающим
покрытие 7, является струя жидкости под высоким давлением, поступающая по
12
программе от системы подачи жидкости внутрь элементов 1 – 4 (рис. 2, а). Если
толщина покрытий значительная (может достигать десятков и сотен
миллиметров), то получить отверстия струей жидкости не всегда удается и
приходится использовать колющий инструмент (рис. 2, б). Таким
инструментом в виде подвижных вдоль оси металлических игл со специальной
заточкой проводится прокалывание слоя диэлектрика 7, что позволяет ввести в
пространство между слоем и деталью необходимое количество жидкой рабочей
среды на базе, как правило, нейтральных солей с добавками, обеспечивающими
контрастность изображения. Во втором случае (рис. 2, б) добавление жидкости
близко к величине, обеспечивающей отрыв покрытия от поверхности металла
детали и заполнение зоны нанесения информации рабочей средой. После
впрыска жидкости элементы отводят до прекращения металлического контакта
между ними и деталью, после чего подают на подключенные элементы (на рис.
2, б показано 2 элемента) ток (постоянный или импульсный) на время,
необходимое для нанесения информации. Излишек рабочей среды удаляется из
зоны обработки через элементы, прокалывающие покрытие.
Форма и размеры элементов определяют размеры знаков (букв, цифр,
символов и др.).
На рис. 3 приведѐн пример стилизованного изображения буквы «Ч». При
маркировании в процессе участвуют элементы, отмеченные штриховкой.
Обработка выполняется электродом-инструментом с рабочей частью в форме
растровой решѐтки, установленной с зазором на место маркирования детали. В
зазоре имеется электролит, через который ток перетекает на нейтральные
элементы 1. За счѐт разности потенциалов между элементами 1 и 2 образуются
гальванические пары, вызывающие анодное растворение одного из видов
соседних элементов, т. е. износ электрода-инструмента. Теряется одно из
главных преимуществ электрохимического маркирования - неизменность
геометрии информационных знаков при их применении. С участием автора был
разработан новый способ устранения износа инструмента.
Рис. 3. Растровая решѐтка электродаинструмента:
1 - элемент не участвующий в процессе
маркирования;
2 - диэлектрическое покрытие;
3 - элемент, формирующий знак
В основу предлагаемого способа устранения износа за счѐт перетекания
токов положена система управления токами, поступающими на элементы
растра, путѐм гашения блуждающих токов по сигналам обратной связи.
Схема устройства, реализующая способ, приведена на рис. 4. Устройство
управления порядком подключения элементов растровой решѐтки электрода13
инструмента работает от процессора, преобразующего сигналы с клавишного
устройства в команды на подачу и регулирование величины тока от источника
9 на элементы, формирующие информационные знаки. Сигнал поступает на
блок 1 задания программ, преобразуется блоком 2 в контур элементов по форме
знака, что контролируется счѐтчиком 3. Далее импульс передаѐтся к элементам
8 растровой решѐтки электрода-инструмента 15.
Рис. 4. Управляющее устройство для растрового маркирования:
1 - блок задания на растровом электроде-инструменте программы для
получения требуемой информации на детали; 2 - блок формирования контура
знаков на электроде-инструменте; 3 - счѐтчик сигналов, формирующих
информационные индексы; 4 - дешифратор индексов; 5 - блок памяти
информации о требуемых знаках на детали; 6 - ключи коммутации элементов
растра; 7 - элемент растровой решетки; 8 - элементы индексации формы знаков;
9 - источник технологического тока; 10 - блок защиты системы от перегрузок;
11 - датчик положения зоны информации на детали; 12 - счѐтчик сигналов,
переводимых в n-разрядный двоично-десятичный код; 13 - дешифратор
сигналов счѐтчика12; 14 - блок ключей коммутации счѐтчика 12; 15 - элементы
растровой решѐтки, подключѐнные к отрицательному полюсу источника 9; 16 указатели индексации; 17 - положительный полюс источника тока 9
14
Если требуется получить на детали информационную запись из m-знаков,
где изменяются только последние n-знаков (например, порядковые номера), то
блок 1 формирует код для каждого записываемого знака. Информация об этом
поступает через дешифратор 4 в блок памяти 5. Одновременно с блока 1
напряжение от источника 9 поступает на вход счѐтчика 3, а с его выхода на
вход дешифратора 4, который на выходе формирует сигнал на запись
информации в первый разряд блока памяти 5, откуда сигнал с высоким уровнем
напряжения идѐт на ключи 6, управляющими нормированной подачей
отрицательного полюса тока на элементы 7 растровой решѐтки электродаинструмента, что улавливается элементами 8 и индексируется в форме знаков
на табло. Это даѐт возможность контролировать набор, устранять перетекание
тока между элементами растра и своевременно корректировать правильность
информации. Далее формируются последующие знаки, которые фиксируются в
блоке памяти 5, и так все m - n знаков (постоянная информация). Знаки
переменной информации (n) вносятся в блок 5 после установления положения
места нанесения этой части надписи по датчику 11 положения детали, после
чего сигнал поступает на счѐтчик 12, состоящий из последовательно
соединѐнных двоично-десятичных счѐтчиков, подключающих различные
элементы растровой решѐтки, формирующие переменные знаки при
маркировании. Дешифраторы 13 устанавливают коды, содержащие выходы
высоких и низких уровней. От высоких уровней срабатывают ключи 14,
подающие отрицательный ток на элементы 15 растровой решѐтки. Появляется
переменный знак, который визуально наблюдается на табло индикатора 16.
После этого с датчика 11 сигнал поступает на реле времени и к
положительному полюсу 17 источника тока 9 подключается деталь на время
анодного растворения контура знаков и осаждения на них контрастного осадка.
После установки на стол станка следующей детали по сигналу от датчика 11
счѐтчик 12 подаѐт команду дешифратору 13 на изменение одного или
нескольких знаков переменной части информации. В процессе маркирования
контролируется ток перетекания, вызывающий износ элементов. Ток
перетекания вызывает перегрузку ключей 6 или 14, что даѐт команду блоку
защиты 10, который отключает подачу тока на перегруженный элемент и
предотвращает разрушение его и соседних элементов растра.
Одним из важных параметров, влияющих на качество маркировки,
является состояние участка детали под нанесение знаков, в том числе – так
называемая «маслоемкость» поверхности.
В предлагаемой модели шероховатая поверхность при численном
моделировании аппроксимируется матрицей a x a элементов, значения которых
представляют собой высоты в рассматриваемой точке относительно самой
низкой. При таких условиях маслоемкость поверхности вычисляется как сумма
разностей между максимальной высотой микронеровностей Rmax и R[i,j] –
высотой микронеровностей в точке [i,j] матрицы
15
a
a
VM  k x  k y  k z   Rmax  R[i, j ] ,
i 1 j 1
где
VM – маслоемкость,
kx, ky, kz – масштабные коэффициенты модели.
Моделирование шероховатости поверхности под маркирование на детали
с диэлектрическим покрытием позволяет рассчитать емкость карманов под
жидкость и установить возможность выполнения операций с получением
качественной информации.
В четвертой главе рассмотрены вопросы по проектированию технологии
маркирования металлических деталей, имеющих упругие диэлектрические
покрытия.
Принята концепция создания оборудования, которая базируется на
максимальном использовании серийного оборудования с дополнительной
комплектацией блоками (в частности, растров). Разработаны требования к
такому оборудованию.
Разработаны технологические схемы маркирования магнитных и
немагнитных материалов с использованием реологических жидкостей на базе
воды. При этом для деталей из магнитных сплавов информация может
наноситься на внутреннюю сторону покрытий, что ранее не применялось.
Рис. 5. Структурная схема алгоритма проектирования технологического
процесса маркирования деталей с эластичным диэлектрическим покрытием
16
Показаны пути устранения ограничений при использовании
электрохимического маркирования; целесообразность замены профильных
электродов-инструментов (носителей знаков) на растровые универсальные
инструменты, автоматически формирующие информационные массивы.
Создан гибкий автоматизированный модуль, позволяющий растровым
методом наносить различную информацию из единого массива универсальных
элементов.
Разработан (рис. 5) укрупненный алгоритм автоматизированного
процесса, который полностью раскрыт в четвертой главе работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения работы решена научная проблема нанесения
информации на металлические детали с эластичным диэлектрическим
покрытием без нарушения его сплошности после нанесения знаков растровым
инструментом и без остаточных изменений геометрии поверхности детали в
месте расположения информации с формированием выпуклых индексов,
защищенных от интенсивного износа эластичным покрытием.
Основные выводы по работе
1. Разработан новый, на уровне изобретения, способ нанесения
информации универсальным растровым инструментом под слоем эластичного
диэлектрика путем локального внешнего воздействия магнитного поля,
позволяющий получать в течение нескольких секунд долговечные знаки на
деталях любых габаритов.
2. Предложен и изучен новый состав рабочей среды на базе реологической
жидкости с управляемым перемещением наполнителя в зону интенсивных
магнитных полей, позволяющий наносить информацию на детали без
образования углубления в зоне обработки.
3. Раскрыт механизм бесконтактного формирования знаков под слоем
диэлектрических эластичных покрытий за счет внешних управляемых
магнитных полей, что позволяет рассчитать эффективные технологические
режимы нанесения качественной информации различными шрифтами, начиная
с 2,5 мм, под слоем покрытия любой толщины.
4. Показано, что для слоев наиболее употребительных эластичных
покрытий толщиной до 300 мкм целесообразно применять подвод рабочей
среды путем ее дозированного впрыска через растровый инструмент под
давлением до 20-25 МПа с подачей в течение 0,2-0,5 с при одновременной
подаче магнитного поля.
Для слоев эластичных покрытий толщиной свыше 300 мкм необходима
подача рабочей среды через созданный неразрушающий инструмент путем
прокалывания покрытия с дозированием жидкости в пределах 0,2-0,5 мл и
шагом вдоль информационного массива 2-3 мм.
17
5. Доказано, что подача рабочей среды в зону нанесения информации
возможна без остаточного нарушения сплошности покрытия, что позволяет
обеспечить полную изоляцию знаков от разрушающего внешнего воздействия в
процессе эксплуатации изделия (истирания, коррозии и др.)
6. Нанесение информации методом локального наращивания индексов без
удаления материала в зоне обработки позволяет получить знаки, отвечающие
требованиям стандартов, путем создания концентрированных магнитных полей
на границах индексов. При этом толщина контура знаков может составлять до
15 мкм, что под слоем эластичного покрытия обеспечивает их качество в
течение всего срока работы изделия.
7. Разработана технология маркирования металлических деталей с
эластичным диэлектрическим покрытием, обеспечивающая за счет свойств
покрытий нанесение долговременной качественной информации на
поверхности с малой шероховатостью, что ранее ухудшало качество, требовало
создания искусственной шероховатости и вызывало необходимость в
дополнительных трудозатратах.
8. Раскрыты особенности обработки металлических участков деталей
чистовым шлифованием, позволяющие обеспечить последующее нанесение на
них информации с получением четких границ штрихов под слоем покрытия.
9. Разработаны инструменты, позволяющие наносить растровую
информацию на детали с эластичным диэлектрическим покрытием. Показано,
что для тонких покрытий предпочтительнее использовать трубчатые растровые
инструменты, а при большей толщине - стержни в форме растра с подачей
рабочей среды на поверхность детали.
10. Предложены схемы оборудования для нанесения информации, дающие
возможность максимального использования агрегатов и узлов существующих
установок, и обоснованы возможности переносных и ручных устройств для
получения информации без разборки узлов, а также для маркирования
крупногабаритных деталей без их перемещения.
11. Технологический процесс внедрен на ряде машиностроительных
предприятий при ремонте изделий без разрушения покрытий и разборки узлов,
что позволило снизить трудоемкость операций и не нарушать показатели
качества объектов, заложенных при их разработке.
Дальнейшим развитием исследования является адаптация полученных
при маркировании металлических деталей с эластичным диэлектрическим
покрытием результатов в металлургической промышленности, для изделий
бытового назначения, медицинского оборудования, деталей автомобилей и др.
18
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Технология электрохимического маркирования металлических изделий
/ В. П. Смоленцев, А. А. Козлов, А. А. Клименченков, И. И. Коптев [Текст] //
Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2013. - № 5. - С. 45-48.
2. Козлов, А. А. Расчет и проектирование инструмента для растрового
маркирования [Текст] / А. А. Козлов, В. П. Смоленцев, Г. Н. Климова //
Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. - № 6. - С. 38-42.
3. Смоленцев, В. П. Проектирование
технологических процессов
комбинированной обработки в реологических жидкостях [Текст] / В. П.
Смоленцев, А. А. Козлов, Н. В. Пишкова // Вестник Воронежского
государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 2. - С. 67-71.
4. Подготовка поверхности деталей с диэлектрическим покрытием под
электрохимическое маркирование [Текст] / А. А. Козлов, В. П. Смоленцев,
А. М. Козлов, Б. И. Омигов // Вестник Воронежского государственного
технического университета. – 2013. - Т.9. - № 3.1. – С. 73-76.
5. Козлов, А. А. Нанесение информации на металлические детали с
покрытиями с использованием реологической жидкости [Текст] // А. А. Козлов,
В. П. Смоленцев // Вестник Воронежского государственного технического
университета. – 2013. - Т. 9. - № 6.1. – С. 59-63.
6. Козлов, А. А. Нанесение информации растровым инструментом на
детали с эластичным диэлектрическим покрытием [Текст] / А. А. Козлов,
В. П. Смоленцев, А. А. Клименченков. // Сборка в машиностроении,
приборостроении. – 2014. - № 3 - С. 44-48.
7. Козлов, А. А. Маркирование металлических изделий с эластичным
покрытием без их разрушения [Текст] / А. А. Козлов, В. П. Смоленцев,
А. А. Клименченков // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2014. - № 10. С. 16-20.
Патент
8. Пат. 2542216 Российская Федерация. МПК В23Н 9/06 В23Н 7/00
Устройство для электрохимического маркирования поверхности металлической
детали под упругим диэлектрическим покрытием и способ с его применением
[Текст] / Смоленцев В. П., Козлов А. А., Смоленцев Е. В., Козлов А. М.;
заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический
университет. № 2012140007/02; заявл. 18.09.2012; опубл. 20.02.2015,
Бюл. № 5. – 10 с.
Монография
9. Козлов, А. А. Технология маркирования деталей с диэлектрическим
покрытием [Текст] / А. А. Козлов, В. П. Смоленцев. А. М. Козлов //
Прогрессивные
машиностроительные
технологии,
оборудование
и
инструменты. Том V. Коллективная монография. Под ред. Киричека А.В. Москва: Издательский дом «Спектр», 2015. - С. 419-463.
19
Статьи в прочих изданиях
10. Смоленцев, В. П. Влияние электрохимического маркирования на
циклическую стойкость деталей / В. П. Смоленцев, А. А. Козлов [Текст] //
Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного
машиностроения и металлургии: сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф.,
посвященной 50-летию кафедры технологии машиностроения ЛГТУ. / под общ.
ред. проф. А.М. Козлова.. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. – С. 300-306.
11. Козлов,
А.
А.
Маркирование
поверхностей
деталей
с
электроизоляционным покрытием [Текст] / А. А. Козлов // Перспективные
направления развития технологии машиностроения и металлообработки: сб. тр.
междунар. науч.-техн. конф. – Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ,
2013. – С. 317-321.
12. Козлов,
А.
А.
Инструмент
и
технология
растрового
электрохимического маркирования металлических деталей [Текст] /
А. А. Козлов, В. П. Смоленцев // Современные направления и перспективы
развития технологий обработки и оборудования в машиностроении: материалы
междунар. науч.-техн. конф. – Севастополь: ФГАОУ ВО «Севастопольский
государственный университет», 2015. – С. 40-45.
13. Козлов, А. А. Нанесение знаков информации из реологической
жидкости / А. А. Козлов // Проблемы обеспечения и повышения качества и
конкурентоспособности изделий машиностроения и авиадвигателестроения
(ТМ-2015); материалы 7-й междунар. науч.-техн. конф. - Брянск: БГТУ, 2015. –
С. 78-79
14. Козлов, А. А. Формирование выпуклых информационных знаков при
электрохимическом маркировании поверхностей с упругим диэлектрическим
покрытием / А. А. Козлов // Интегрированные, виброволновые технологии в
машиностроении, металлообработке: сб. тр. по материалам междунар. науч.
симпозиума технологов-машиностроителей. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2015. –
С. 162-166.
Подписано в печать 09.02.2016.
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. № 6
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
394026, Воронеж, Московский просп., 14.
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
858 Кб
Теги
покрытие, способы, разработка, маркирование, диэлектрических, режимов, деталей, эластичной
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа