Введение к работе
Актуальность темы. Нанесение информации (в частном случае маркирование) позволяет установить принадлежность деталей, узлов, агрегатов к конкретному виду изделия на всех этапах жизненного цикла продукции. Кроме того информация позволяет определить исполнителей, даты выполнения операций, дать указания о дальнейших действиях (например, при сборке изделий).
Известно большое количество средств и методов маркирования: ударное, цветное (красками, лаками) с помощью наклеек, электроэрозионное, электрохимическое. В авиации и космонавтике чаще других применяют ударное клеймение, электроэрозионное, электрохимическое, химическое нанесение индексов. Однако ударное клеймение не позволяет обеспечить ширину штриха по стандартным требованиям (как правило, углубление от инструмента получается шире требуемого), вносит напряжения, снижающие прочность деталей, особенно при многоцикловых нагружениях, может деформировать ажурные детали.
Использование красок, наклеек возможно при кратковременном использовании информации, например в случае промежуточного контроля, что, как правило, не может применяться для ответственных изделий, где в случае разбора происшествий в процессе эксплуатации необходимо получить однозначную достоверную информацию об объектах продукции.
Химическое нанесение знаков связано с нарушением условий труда, экологии, не позволяет получить глубокие индексы, достаточные для сохранения информации в процессе эксплуатации изделия, в том числе после восстановления лакокрасочных покрытий в зоне нанесения информации.
Электроэрозионное маркирование требует большого количества изнашивающегося инструмента, а нанесение информации непрофилированным электродом (электрографом) не позволяет получить стандартные знаки.
Опыт поставок авиационной техники за рубеж показывает, что там в основном применяется электрохимическое маркирование, поэтому отечественная экспортная продукция должна создаваться с использованием этих требований.
Значительная часть деталей в процессе их изготовления имеет покрытия (гальванические, напыление, лакокраски, резистивные покрытия и др.), которые могут быть как токопроводящими, так и диэлектриками. В процессе ремонта и эксплуатации требуется восстановить разрушенные покрытия с сохранением или возобновлением информации. Ранее считалось, что электрохимическое нанесение информации на детали с диэлектрическим покрытием не осуществимо, так как здесь сложно использовать процесс анодного растворения метала под слоем покрытия, а его удаление было не эффективным, вызывало нарушение (осыпание) границ штрихов и участков знаков.
Использование для маркирования последовательного удаления покрытия и электрохимического нанесения знаков не позволяет получить стандартную информацию на деталях с высокой пассивацией поверхности (алюминиевые, титановые и др. сплавы), т.к. на них сразу же после удаления покрытия образуется оксидная пленка, вызывающая увеличение ширины штрихов сверх допустимых стандартами. Комбинированная обработка позволяет получить углубления по контуру знака непосредственно после вскрытия покрытия и обеспечить требуемую ширину штриха.
В создаваемых изделиях, в том числе для авиационно-космической отрасли, детали с покрытиями (в том числе диэлектрическими) начали составлять весомую часть номенклатуры изделий, поэтому их идентификация стала актуальной, но сложной научной проблемой, требующей решения на стадии производства конкурентоспособной техники, где качественное электрохимическое маркирование становится обязательным условием со стороны заказчика. Кроме того, электрохимическое нанесение мелкой (цветной) информации эффективно для применения в инструментальном производстве. Это оказывает существенное влияние на сроки освоения новых изделий, их экономические и технические показатели.
Таким образом, решение проблемы нанесения качественной информации знаками различной (в том числе малой) высоты на детали с диэлектрическим покрытием является актуальным и востребованным в машиностроении.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой "Мобильный комплекс", раздел "Техническое перевооружение", (Постановление Правительства РФ №2164-П) и научным направлением ФГБОУ ВПО "Липецкий государственный технический университет" «Инструментально-технологическое обеспечение эксплуатационных показателей изделий».
Целью работы является разработка способа, технологии нанесения информационных знаков различной глубины на детали из токопроводящих материалов, имеющих диэлектрические покрытия, с обеспечением требуемой точности и качества границ заданного знака на изделии.
В работе решены следующие задачи:
-
Разработка метода и технологии локального немеханического разрушения покрытий с управлением геометрическими размерами и качеством поверхностного слоя штриха в индексе знака.
-
Установление механизма формирования информационных знаков с локальным удалением диэлектрического покрытия.
-
Разработка математической модели управления формированием границ знаков в комбинированном процессе импульсного высоковольтного и анодного низковольтного формообразования штрихов различной глубины при заданных сочетаниях показателей качества по границам металлической и диэлектрической части информационного участка детали.
-
Разработка режимов удаления диэлектрических покрытий и анодного растворения контура знаков по границам покрытий с учетом уширения штриха в электрическом поле.
-
Обоснование возможностей применения электрохимического маркирования деталей с покрытием для различных условий эксплуатации изделий.
Методы исследований. В работе использованы основные положения теории: электротехники, электрических и комбинированных методов обработки, подобия, упругости, трения, износа, математического моделирования, конечно-элементного анализа, технологии машиностроения, современные исследования в области оптимизации управления процессами, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики.
Выявленные при этом элементы научной новизны и практической ценности выдвигаются автором в качестве основных положений для защиты.
Научная новизна:
-
Решена проблема размерного анодного формообразования точных контуров произвольной геометрической формы на металлических изделиях, имеющих диэлектрическое покрытие. Это достигается за счет первичного формирования расчетного дискретного контура высоковольтными импульсами с последующим низковольтным устранением перемычек и обеспечением требуемой глубины знака и точности границ углублений с сохранением заданных параметров штриха в диэлектрическом покрытии и металлическом материале. На способ подана заявка на патент России.
-
Раскрыт механизм получения точных знаков и контуров в металлических деталях с диэлектрическим покрытием путем управления комбинированным процессом высоковольтного импульсного и низковольтного постоянного действия тока.
-
Разработана модель управления процессом формирования дискретного контура на покрытии с получением знаков на металлической основе, имеющей диэлектрические покрытия за счет предложенных технологических режимов, включающих обеспечение расчетного шага между участками пробоя покрытия и интервала времени между импульсами, определяющего время формирования информации с заданной глубиной, геометрией и качеством знаков.
Практическая значимость исследований.
-
Разработаны режимы и технология маркирования с использованием высоковольтных разрядов и анодного процесса формирования знака на деталях с диэлектрическим покрытием, позволившая решить проблему нанесения информации электрохимическим методом на металлические детали с изоляционным поверхностным слоем.
-
Предложен новый технологический подход к нанесению информации на металлические детали с диэлектрическим покрытием, когда в качестве шаблона используется диэлектрический слой покрытия, что позволило исключить из технологического цикла этап трудоемкого фотохимического нанесения диэлектрического слоя и его обработку в токсичных средах для формирования контура зоны анодного растворения.
-
Проведены испытания нового метода получения знаков при маркировании, позволившие определить границы его использования при различных условиях эксплуатации изделий с информацией, нанесенной рассматриваемым методом.
-
Обоснована область эффективного эксплуатационного применения метода для типовых изделий машиностроения, что позволило расширить сферу экономически обоснованного использования и создать экологически чистые технологические процессы нанесения качественной информации на всех этапах жизненного цикла изделий, в том числе поставляемых на экспорт.
Реализация результатов работы. Предложенный метод и технология нанесения информации прошли этап экспериментальных исследований, переданы для внедрения в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», работа внедрена на Воронежском механическом заводе, в ПФК ВСЗ «Холдинг» (г. Воронеж), в учебном процессе ЛГТУ и ВГТУ.
Личный вклад соискателя включает:
-
Разработку физической и математической моделей получения комбинированным методом качественной информации на металлических изделиях с диэлектрическими покрытиями.
-
Обоснование технологических режимов и возможностей нанесения знаков с формированием стандартных индексов на поверхности металлов с диэлектрическим покрытием. Приведены типовые режимы комбинированной обработки и требования к диэлектрическим покрытиям по характеристикам и толщине, позволяющие получить качественную информацию на изделиях.
-
Разработку новой технологии комбинированной обработки, включающей в единой операции высоковольтное формирование в диэлектрических покрытиях дискретных контуров и получение низковольтным анодным растворением стандартных знаков с требуемыми геометрическими параметрами, глубиной и контрастностью.
-
Экспериментальную проверку предложенной технологии на созданной экспериментальной установке и внедрение процесса в производство предприятий машиностроения с различным профилем продукции.
-
Обоснование возможности использования в качестве управляющего элемента при анодном формировании знаков на материалах с диэлектрическим покрытием путем автоматизированного локального вскрытия слоя высоковольтными управляемыми разрядами, обеспечивающими последующий переход от дискретного к непрерывному стандартному контуру штриха. На способ подана заявка на патент России.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях: отраслевой научно-технической конференции «Совершенствование производства поршневых двигателей для малой авиации» (Воронеж, 2008); II Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование механизмов и машин» (Воронеж, 2008); VI Международной научно-технической конференции "Проблемы качества машин и их конкурентоспособности" (Брянск, 2008); I Международной научно-технической конференции «Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении» (Ростов-на-Дону, 2009); Международной научно-технической конференции "Студент, специалист, профессионал" (Воронеж, 2009, 2011); Международной научно-технической конференции «ТМ-2010» (Воронеж, 2010); III Международной научно-технической конференции «ТМ-2011» (Брянск, 2011); на научных семинарах ЛГТУ в 2009-2011г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем материала 4,8 листов, где доля соискателя составляет 2,95 печатных листов. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – тепловые процессы на границе обрабатываемого контура; [2] – особенности проектирования оснастки для крупногабаритных деталей; [5] – технология комбинированного маркирования; [6] – результаты усталостных испытаний и металлографические исследования; [7] – особенности расчета режимов; [8] – структура средств технологического оснащения для стадии освоения новой наукоемкой продукции; [9] – технологические методы повышения качества поверхностного слоя.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложений и списка литературы из 140 наименований. Основная часть работы изложена на 183 страницах, содержит 55 рисунков, 28 таблиц.
