CC BY
57
8,00 7,00 - 6,00 * 5,00
4,00
н л
ч
^
3,00
« 2,00 Рч
1,00 0,00
6.62 6.88 6,7? 6.76 Ш 6,77 5,73
5,62 6,63 6,72 6,75 5.76 6,77 6,78 6,79
7
16
19
22
25
10 13 Итерации
Рис. 4. Этапы работы алгоритма оптимизации Заключение
Показано, что построенная модель оптимизации позволяет улучшить технико-экономические показатели процесса экструдирования посредством применения найденных геометрических параметров.
Описанная модель, построенная на основе имитационного моделирования процесса экструдирования и использующая эвристические методы поиска, составляет хорошую базу для построения системы автоматизации проектирования экструзионной техники. Программная система может быть использована инженерами-конструкторами для проектирования новых и совершенствования существующих моделей экструзионной техники, а также для проведения научно-исследовательских работ.
Литература
1. Карташов Л.П., Зубкова Т.М. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования. - Екатеринбург: УрО РАН, 2009. -225 с.
2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011612043. Расчет технико-экономических параметров одношнековых эктрудеров / Т.М. Зубкова, Н.А. Мустюков, М.А. Корякина. РОСПАТЕНТ № 2010617272. Заявлено 19.11.2010. Опубл. 05.03.2011.
3. Соколов М.В. Исследование и оптимизация процесса и оборудования экструзии резиновых смесей: Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13. - Тамбов, 2001. - 118 с.
4. Емельянов В.В., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Теория и практика эволюционного моделирования. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 432 с.
5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013613270. Оптимизация конструкции одношнекового экструдера адаптивными методами поиска / Т. М. Зубкова, Н. А. Мустюков. РОСПАТЕНТ № 2013610701. Заявлено 06.02.2013. Опубл. 28.03.2013.
Мустюков Наиль Анварович Зубкова Татьяна Михайловна
Оренбургский государственный университет, аспирант, 256nail@mail.ru Оренбургский государственный университет, доктор технических наук, профессор, bars87@mail.ru
УДК 629.7.036:621.373
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ УЗЛОВ ГИРОПРИБОРОВ Р.М. Мухаметов, О.С. Юльметова, А.Г. Щербак
Приведены результаты разработки технологии формирования функциональных элементов в виде рисунков заданной конфигурации на поверхностях узлов гироприборов из различных материалов на примере деталей, входящих в состав поплавкового гироскопа и феррозондового инклинометра. Рассмотрена возможность использования лазерного маркирования в качестве метода, позволяющего решить задачу формирования функциональных рисунков требуемой формы и контрастности. Представлены режимы и особенности процесса лазерного маркирования поверхностей деталей из хрупких магнитотвердых материалов и хромоникелевых сталей.
Ключевые слова: лазерное маркирование, хрупкие материалы, инклинометр, гироскопические приборы.
Введение
Среди изделий точного приборостроения особое место занимают гироскопические приборы. Они играют важную роль в решении задач ориентации и навигации в таких областях, как авиационная, морская и космическая техника. Среди большого числа типов гироскопов можно выделить поплавковый гироскоп, в состав которого входят магниты, выполненные из хрупких материалов, содержащие функцио-
нальные надписи. Кроме того, в последнее время гироскопические приборы эффективно применяются и в подземной навигации, в частности, для определения траектории ствола скважины при бурении [1]. Для решения задачи определения пространственной ориентации ствола скважины используется инклинометр - прибор для измерения зенитного угла и азимута в отдельных точках скважины, в состав которого входит оптическая шкала, содержащая растровый рисунок требуемой контрастности и конфигурации [2].
Настоящая работа посвящена разработке технологии нанесения функциональных элементов в виде буквенно-цифровых обозначений (надписей) и растровых рисунков на поверхностях узлов гироприбо-ров, разрабатываемых в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» - ведущего предприятия России в области создания средств высокоточной навигации, гироскопии, гравиметрии и морской радиосвязи.
Объекты исследования и постановка задач
Объектами исследований выступают детали гироприборов, выполненные из хрупких магнитных материалов, например, магнит поплавкового гироскопа из сплава ЮН15ДК24, представленный на рис. 1, а, и шкала феррозондового инклинометра из хромоникелевой стали марки 12Х18Н10Т, представленная на рис. 1, б.
а б
Рис. 1. Магнит поплавкового гироскопа (а); шкала феррозондового инклинометра (б)
Объекты исследований объединяет то, что на их поверхностях имеется определенный функциональный рисунок. Для магнита рисунок представляет собой буквенно-цифровые обозначения полюса магнита и его порядковый номер. Растровый рисунок на кольцевой шкале инклинометра - это совокупность делений, выполненных в виде радиальных рисок с равным угловым шагом при точности в десятые доли градуса и используемых в оптоэлектронной системе съема информационного сигнала датчика угла поворота инклинометра.
До настоящего времени существовали проблемы в технологии нанесения этих рисунков. Так, например, применяемый для магнитных материалов метод электрографической гравировки приводил к появлению сколов и микротрещин на поверхности образцов. Для шкалы инклинометра (рис. 1, б) ранее использовалась технология механической фрезеровки делений с последующей затиркой черной эмалью. К недостаткам такой технологии следует отнести невысокую точность, низкую производительность, большую трудоемкость процесса получения делений на шкалах. Также следует отметить, что инклинометр эксплуатируется в условиях постоянных вибраций и ударов, которые в некоторых случаях могут привести к откалыванию фрагментов растрового рисунка, что негативно сказывается на работе датчика угла поворота инклинометра.
В рамках исследований была поставлена задача разработать технологию создания надписей на магнитных материалах и заменить трудоемкий процесс формообразования делений шкалы инклинометра более высокопроизводительным и точным. В основу технологии, позволяющей решить поставленные задачи, был положен метод лазерного маркирования [3, 4], обеспечивающий возможность формирования рисунка требуемой контрастности, в частности, за счет локального окисления материала покрытия детали, не вызывая ее деформаций [5].
На выбор данного метода повлияли такие преимущества технологии лазерного маркирования, как отсутствие механического контакта, что благоприятно для массового конвейерного производства, адаптивность к потребностям производства, возможность использования практически любых материалов, долговечность нанесенной лазером маркировки, широкие диапазоны варьирования оптического контраста, технологических режимов и т.д. [6].
Перечень экспериментального оборудования
Маркировка функциональных элементов осуществлялась на системе маркировки «Минимаркер 2-М10/20». Общий вид установки представлен на рис. 2, а, где 1 - блок питания и управления лазером; 2 - сканирующая система с оптоволокном; 3 - рабочий стол с кронштейном для крепления сканирующей системы и возможностью ручного перемещения по вертикальной оси; 4 - управляющий компьютер.
Рис. 2. Экспериментально-исследовательский комплекс оборудования, включающий установку для маркирования «Минимаркер 2- М10/20» (а); спектрофотометр МСФУ-К (б); микроскоп Carl Zeiss Axio
Imager (в); профилометр фирмы Taylor Hobson (г)
Представленная система маркировки позволяет управлять следующими параметрами процесса маркирования: мощностью лазерного излучения P, скоростью движения лазерного луча V, плотностью линий N (или числом линий, приходящихся на 1 мм маркируемой поверхности), частотой следования импульсов f длительностью импульсов х и числом проходов Q.
Значение каждого из параметров существенным образом влияет на маркируемый рисунок. Мощность лазерного излучения должна обеспечить, в зависимости от поставленной задачи, нагревание поверхности до температуры, необходимой для образования оксидной контрастной пленки на поверхности материала, или же испарения поверхностного слоя. Длительность импульса определяет такие характеристики, как глубина модифицированного слоя, и обратно пропорциональна скорости движения лазерного луча. Частота следования импульсов влияет на температуру материала, которая меняется после окончания каждого импульса. Средняя температура может понижаться, но, если частота следования больше определенного значения, то изменения температуры не наблюдаются, и результат воздействия зависит только от мощности и энергии отдельных импульсов [6].
Оценка контрастности рисунка образцов осуществлялась на спектрофотометре МСФУ-К (рис. 2, б). Принцип работы прибора МСФУ-К основан на том, что свет от источника падает на измеряемую поверхность, отражается и попадает на дифракционную решетку, где разлагается на цветовые компоненты. Блок измерения фиксирует количество отраженной световой энергии сразу в нескольких интервалах. После этого информация преобразуется из аналоговой в цифровую, анализируется и обрабатывается с применением специального программного обеспечения. Важно отметить, что для инклинометра коэффициенты отражения фиксировались в инфракрасном диапазоне.
Оценка структуры полученного рисунка проводилась визуально на микроскопе Carl Zeiss Axio Imager (рис. 2, в).
Контроль формы и шероховатости поверхности меток осуществлялся на профилометре фирмы Taylor Hobson (рис. 2, г).
Разработка технологии гравировки функциональных надписей на деталях и узлах, выполненных
из хрупких магнитных материалов
Магнит поплавкового гироскопа выполнен из магнитотвердого сплава на железо-никель-алюминиевой основе - ЮН15ДК24.
а б
Рис. 3. Сравнительный анализ двух методов нанесения надписей на магните: электрографической гравировкой (а); лазерной маркировкой (б)
К буквенно-цифровым обозначениям на магните предъявляются жесткие требования по четкости границ маркировки и отсутствию каких-либо сколов и микротрещин в зоне обработки. При этом допускается рельефный характер данного функционального элемента с глубиной зоны обработки до сотых долей миллиметра. Исследование процесса создания профилированных функциональных элементов на хрупких материалах, каким является сплав ЮН15ДК24, представляет особый интерес, поскольку существенно расширяет возможности использования лазерного маркирования. Физическая сущность процесса лазерного маркирования в рассматриваемом случае заключается в дозированном локальном испарении металла без образования жидкой фазы, т.е. так называемое «чистое» испарение или сублимация [7], что обеспечивалось подбором параметров процесса.
В результате проведенных экспериментов по лазерному маркированию были получены режимы, представленные в табл. 1. Результаты лазерной маркировки магнита показаны на рис. 3.
Мощность лазера Р, Вт Скорость перемещения лазера V, мм/с Частота следования импульсов/, кГц Плотность линий Ы, лин/мм Длительность импульсов х, нс
6 700 99 275 100
Таблица 1. Режимы маркирования магнита
На рис. 3 видно, что буквенно-цифровые обозначения, выполненные лазерной маркировкой, более четкие, профиль надписей - равномерный, без наплывов на границах зон обработки. Визуальный контроль не выявил наличия каких-либо дефектов на обрабатываемой поверхности - надпись не имеет сколов и микротрещин.
Разработка технологии нанесения функционального рисунка на шкалу инклинометра
Шкала феррозондового инклинометра, представленная на рис. 4, выполнена из стали марки 12Х18Н10Т. Кольцевая шкала является элементом оптического датчика угла поворота внутренней рамки прибора вокруг своей продольной оси. От точности изготовления растрового рисунка, представляющего собой совокупность радиально ориентированных рисок, непосредственно зависит точность измерений прибора, поскольку при повороте инклинометра вокруг продольной оси из показаний магнитометров могут быть выделены параметры смещенной гармоники, в которых содержится информация о помехе, характеризуемой величиной среднего значения гармоник, и о полезном сигнале. Таким образом, модуляционные развороты позволяют разделить полезный сигнал и помеху [2].
Для шкалы инклинометра требовалось получить на поверхности детали растровый рисунок в виде контрастных черных полос с коэффициентом контрастности не менее 0,5 и с минимально возможными (на уровне единиц микрометра) деформациями поверхности. С точки зрения протекания физических процессов это означает, что лазерное излучение должно иметь такие характеристики, при которых на поверхности детали образуется тонкая оксидная пленка, обеспечивающая получение требуемой цветовой гаммы. Формирование подобной оксидной пленки возможно за счет регулируемых термических процессов взаимодействия лазерного луча с поверхностью стали 12Х18Н10Т. В данном случае наиболее эффективно использовать расчет изобарно-изотермического потенциала химических взаимодействий [8] образования оксидов компонентов стали (оксиды железа, никеля, хрома), получаемое соотношение которых позволяет получить требуемую цветовую гамму и, в конечном счете, необходимый уровень контрастности при минимальном изменении микрорельфа поверхности. В результате проведенных исследований были подобраны режимы маркировки, представленные в табл. 2.
Мощность лазера Р, Вт Скорость перемещения лазера V, мм/с Частота следования импульсов/, кГц Плотность линий Ы, лин/мм Длительность импульсов х, нс
2 20 20 500 30
Таблица 2. Режимы маркирования шкалы инклинометра
|П1
ММ
1 2 3 4 5 6 7 £
а б
Рис. 4. Шкала инклинометра: по старой технологии (а); по новой технологии (б)
На рис. 4 представлены шкалы, риски на которых были нанесены по старой технологии (фрезерования с последующей затиркой эмалью) и новой - методом лазерного маркирования, который позволил существенно увеличить скорость процесса, улучшить соотношение сигнал/шум при съеме показаний датчика угла за счет увеличения контрастности с 0,5 до 0,8. Также при разработке новой технологии удалось повысить точность съема показаний со шкалы, благодаря увеличению числа делений на шкале с 50 до 100.
Заключение
В рамках проведенных исследований была выявлена принципиальная возможность использования процесса лазерного маркирования для формообразования функциональных элементов в виде надписей и растровых рисунков на поверхностях узлов гироприборов с использованием лазерного гравера «Мини-маркер 2- М10/20».
Результаты исследований показали, что применение метода лазерного маркирования для магнитных и хрупких материалов позволяет формировать четкую, рельефную, контрастную надпись без сколов, микротрещин и наплывов с получением текста равномерного профиля.
Для шкалы инклинометра внедрение технологии лазерного маркирования позволило увеличить скорость технологического процесса. Также в результате экспериментов была обеспечена возможность изменения конфигурации радиально ориентированных рисок шкалы, а именно, внедрение новой технологии позволило увеличить число делений шкалы с 50 до 100, благодаря чему увеличилась точность съема показаний. Подобранные режимы маркировки позволили добиться увеличения контрастности меток с 0,5 до 0,8, что обеспечило повышение уровня полезного сигнала.
Литература
1. Исаченко В.Х. Инклинометрия скважин. - М.: Недра, 1987. - 216 с.
2. Пат. 2291294 РФ, МПК6 Е21В 47/022, МПК6 в01С 9/00, Биндер Я.И., Вольфсон Г.Б., Гаспаров П.М., Геркус А.А., Гутников А.Л., Клюшкин П.А., Падерина Т.В., Розенцвейн В.Г. Феррозондовый сква-жинный инклинометр, 17.06.2005, 10.01.2007, Бюл. № 1.
3. Юльметова О.С., Щербак А.Г. Исследование процесса формирования светоконтрастного растра посредством лазерного маркирования // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 5 (69). - С. 28-34.
4. Юльметова О.С. Исследование контрастности лазерных меток на прецизионных металлических поверхностях // Тезисы докладов IX конференции молодых ученых и специалистов. - СПб: ГНЦ ФГУП ЦНИИ «Прометей», 2010. - С. 55.
5. Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - 50 с.
6. Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». Раздел: Лазерная микрообработка. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - 111 с.
7. Парфенов В.А. Лазерная микрообработка материалов: Учебное пособие. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. - 59 с.
8. Юльметова О.С., Щербак А.Г., Юльметова Р.Ф. Анализ химических взаимодействий при лазерном маркировании растрового рисунка на узлах гироприборов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 5 (75). - С. 91-96.
Мухаметов Рустем Маратович Юльметова Ольга Сергеевна Щербак Александр Григорьевич
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент, 0189@mail.ru ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, olga@yulmetova.ru
ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», доктор технических наук, вед. научный сотрудник, AScherbak1946@gmail.com
