Аддитивное маркирование металло- изделий растровым электрод-инструментом Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.9.047

АДДИТИВНОЕ МАРКИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ РАСТРОВЫМ ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТОМ

© 2007 г. В.В. Глебов

Предстоящее вступление России в ВТО и продолжающиеся интеграционные процессы существенно меняют требования по маркированию изделий во всех отраслях производства. Одним из требований международного стандарта системы менеджмента качества ИСО 9001:2000 (п.7.5.3) является идентификация каждого изделия, проходящего технологический цикл, и гарантия наличия информации для мониторинга этих процессов. Маркировка изделия должна быть уникальной и не менять своего значения при разветвлении технологического процесса. Например, сегодня на сборочных предприятиях автомобильной промышленности от изготовителей двигателя уже требуют маркировку не только по техническим данным, но и по всей истории создания двигателя, а также о всех деталях «типа катушки индуктивности или поршня» [1]. Технические руководства НАСА требуют от производителей идентификации каждой детали изделия -«где это было сделано, кто коснулся этого по пути, когда и где это установлено» [2]. Маркировочная информация должна содержать сведения об экологической опасности изделия, и информация об этом должна быть сохранена даже после снятия изделия из эксплуатации. В комитетах ООН приняты рекомендации, чтобы маркировочная информации на деталях военной и специальной техники, продукции двойного назначения содержала данные не только о производителе, но и о потребителе изделия. Эти и другие факторы вызвали значительные изменения в концепции и технологии маркирования как конечного изделия, так и его составных частей.

В последней четверти прошлого столетия повсеместное распространение получило штриховое кодирование продукции [3]. Нанесение машиночитаемой информации позволило автоматизировать процесс идентификации деталей на различных этапах сборки, хранения и эксплуатации изделий. Однако штриховые коды позволяют нанести не более 30 цифр, что не всегда позволяет закодировать нужный объём информации. Такую кодировку наносят обычно специальными принтерами на упаковку или на этикетки, что может привести в дальнейшем к потере этой информации. Всё это привело к появлению матричной символики, которая позволяет кодировать в сотни раз больше информации, предназначена для непосредственного нанесения на изделия (direct part marking -DPM), имеет большую защищённость информации за

счёт кодирования, уплотнения, дублирования и системы исправления ошибок (например, по методу Рида -Соломона (Reed - Solomon)).

В настоящее время принято несколько международных стандартов по матричной символике: МС ИСО/МЭК 16022:2000 (Data matrix), МС ИСО/МЭК 16023:2000 (MaxiCode), МС ИСО/МЭК 18004:2000 (QR Code) и др., готовятся соответствующие российские стандарты. Термины и определения, применительно к символикам, системам кодирования, верификации, считывания и т.д. приведены в стандарте РФ ГОСТ 30721-2000 «Автоматическая идентификация. Кодирование штриховое. Термины и определения» (введён в действие с 1 января 2002 г.).

Маркировка продукции символикой Data Matrix производства Acuity CiMatrix RVSI не требует лицензирования или уплаты лицензионных платежей и представляет собой двумерную матричную символику, квадратной или прямоугольной формы, с числом элементов от 10x10 до 72x72. Элементы матрицы могут быть прямоугольные или круглые, размеры матрицы могут быть сравнительно произвольными, благодаря сменным линзам современных считывающих устройств. К преимуществам матричной маркировки относится возможность электронного считывания под любым углом; возможность считывания при 20 %-й контрастности знаков маркировки по отношению к поверхности (для линейного штрихкода требуется не менее 80 - 90 % контраста); имеется возможность масштабирования и дистанционного считывания. В квадратной маркировке размером несколько миллиметров может быть нанесено до 2335 буквенно-цифровых знаков, фактически это портативная база данных. Это особенно важно для маркирования ответственных прецизионных деталей. Например, размеры матрицы, которыми идентифицируются процессоры, составляют 2 мм для AMD и 4 мм для Pentium 4. Маркировка непосредственно на изделии, особенно аддитивным методом, является также одним из способов защиты продукции от подделок. Вид маркировки Data Matrix, имеющей характерный шаблон поиска по периметру в виде буквы «L», показан на рисунке. Идентификация продукции этой символикой применяется ведущими зарубежными фирмами в авиационной и автомобильной технике, фармацевтической и электронной промышленности, используется в НАСА и министерстве обороны США. С предстоящим введе-

нием стандарта РФ по этой символике следует ожидать хорошей практической перспективы применения именно этой символики.

Вид идентификационной символики Data Matrix

На предприятиях машиностроения и металлообработки в настоящее время применяют различные автоматизированные способы для нанесения надписей и кодировочных символик: лазерное маркирование, игло-ударные установки, электроэрозионные и электрохимические установки, механическое гравирование, тиснение и т.д. Однако лазерные и электроэрозионные установки сложны в наладке и эксплуатации и рентабельны только в крупносерийном поточном производстве. Кроме того, процесс маркирования сопровождается образованием на поверхности термически изменённого слоя, вызванного процессами фа-зово-структурных изменений в металле. Механические методы маркирования не применяются для твёрдых покрытий (в лучшем случае - до 56 HRC), тонкостенных и хрупких изделий. Установки для электрохимического маркирования (ЭХМ) лишены этих недостатков и с успехом применяются как в крупносерийном, так и в единичном производстве. Метод нанесения гравировки основан на локальном травлении заготовки, и процесс практически не зависит от химического состава и физико-механических свойств материала заготовки. Процесс ЭХМ не вызывает структурных и механических изменений в поверхностном слое, что особенно важно для изделий с повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя.

Для мелкого анодного гравирования, которое осуществляется в непроточном электролите (методом смачивания) наибольшее распространение получил метод ЭХМ через трафарет. Технология изготовления современных трафаретов позволяет решить проблему необработанных островков, замкнутых кругов за счёт формирования таких элементов (например, цифры 8, 0) в пористой структуре материала трафарета. Типичные применяемые установки ЭХМ используют сплошной электрод-инструмент (ЭИ) и трафарет с отверстиями в виде маркируемого рисунка, при этом между ЭИ и маркируемой деталью нет протока электролита, процесс осуществляется только за счёт смачивания электролитом пористой прокладкой. Это накладывает ограничения на глубину маркирования. Кроме того, такие трафареты позволяют нанести ограниченное

число маркировок, требуют для печати специальных материалов и принтеров (для одноразовых трафаретов), либо запатентованных фотолитографических методов.

С точки зрения приемлемости процесса ЭХМ форма и геометрия межэлектродного зазора (МЭЗ) должна обеспечивать максимально возможный доступ электролита ко всей зоне обработки для равномерного травления поверхности детали. Течение электролита в МЭЗ должно быть ламинарным или квазиламинарным, с отсутствием макрозавихрений, струйности и застойных зон. Реализовать преимущества глубокого ЭХМ в полной мере позволяют такие электрохимические ячейки, в которых толщина МЭЗ минимальна, одинакова по всей поверхности в начальный или конечный момент обработки, а также входные и выходные отверстия обеспечивают условия для равномерного протекания электролита. Для нанесения буквенно-цифровой информации применяются растровые (секционные) электрод-инструменты (ЭИ) [4]. Рабочая поверхность таких ЭИ представляет собой плоскую матрицу, образованную торцами изолированных друг от друга проводников, расположенных в форме растровой решетки. Матричная поверхность иногда формируется и на гибком основании, что в условиях квазипараллельности позволяет обрабатывать цилиндрические и другие поверхности одинарной кривизны. В процессе обработки деталей электрический ток протекает только по тем элементам (секциям) ЭИ, расположение которых соответствует конфигурации наносимой информации. В производственных условиях установки ЭХМ с растровыми ЭИ обычно позволяют наносить несколько простейших буквенно-цифровых знаков. В переносных установках коммутация осуществляется с помощью переключателей, каждый из которых соответствует определённому знаку. Иногда элементы растра выполнены в виде полосок, и формирование знака осуществляется по типу табло калькулятора. Для нумерации изделий серийного производства применяют стационарные установки ЭХМ с электронной системой переключения знаков [5]. Однако и здесь принцип формирования отдельного знака остаётся неизменным.

Такой подход нельзя назвать универсальным, так как он ориентирован на решение частных задач и является неприемлемым при изменении конфигурации и сложности необходимого для нанесения рисунка.

Наиболее целесообразным конструкторским решением, позволяющим реализовать преимущества растровых ЭИ, является независимая система управления каждым элементом растра. Однако увеличение количества секций приводит к усложнению проблемы коммутации и управления секциями ЭИ, и поэтому разработка технологичного в изготовлении устройства для ЭХМ является достаточно сложной задачей.

Для решения этой проблемы нами разработана установка ЭХМ с фотоэлектронным управлением технологическим током, в котором каждый элемент растра ЭИ соединён с соответствующим элементом фотоприёмного устройства (ФПУ) [4]. Количество и

расположение элементов ФПУ соответствует количеству и расположению элементов ЭИ. Матрица фотоэлементов дистанционно удалена от зоны обработки, поэтому не подвергается агрессивному воздействию электролита. Во время работы на ФПУ через фотоплёнку или фотошаблон проецируется световое изображение, которое осуществляет коммутацию и прохождение тока по соответствующим секциям ЭИ. При этом трафарет не подвергается не только химическому воздействию, но практически и механическому. Ещё одним преимуществом разработанной технологии является возможность масштабирования изображения, определяемая условием подобия матрицы фотоэлементов и растрового ЭИ. Дистанционность ЭИ и ФПУ позволяет проводить также мелкое ручное ЭХМ автономной головкой громоздких деталей методом смачивания электролита.

В разработанной нами установке ЭХМ стационарного базирования с системой прокачивания электролита в схеме коммутации использованы фотоэлементы ФД265А. Рабочая поверхность опытного ЭИ размером 10x10 элементов была изготовлена в виде матрицы из медных проводников диаметром 0,35 мм. При изготовлении матрицы проводники помещались в прямоугольную диэлектрическую оправу и послойно склеивались эпоксидной смолой. Каждая секция ЭИ через усилитель на базе транзистора КТ315Б подсоединялась к соответствующему фотоэлементу. Все фотоэлементы были скомпонованы на плоской панели, причем их расположение соответствовало расположению соответствующих секций ЭИ. Усилители были настроены таким образом, что при подаче рабочего напряжения и отсутствии засветки фотоэлемента отсутствовал технологический ток через секцию ЭИ. Обработку можно осуществлять постоянным или переменным (для чернения) током. В качестве электролита использовался 10 %-й водный раствор №С1 или 15 %-й раствор МаМ03, толщина МЭЗ составляла 0,1...0,3 мм, скорость прокачки 10 - 15 м/с. Величина тока через одну секцию ЭИ определялась опытным путём. Для этого было решено исходить из типичного значения плотности технологического тока для ЭХМ,

В точке контакта управляемых колес автомобиля с дорогой действуют силы сопротивления качению, торможению, вертикальные и боковые силы. Колесо вращается обычно на двух конических подшипниках цапфы (рис. 1), которые запрессованы в ступицу.

равного 30-50 А/см2. Максимальный рабочий ток через одну секцию составлял 40 мА, время обработки при мелком ЭХМ - от 3 до 5 с, а при глубоком - до одной минуты. Разработанный ЭИ позволяет одновременно наносить до 6 знаков при использовании символики Data Matrix.

Кроме системы фотоуправления, коммутацию секций можно осуществлять и другими известными способами. Технологические возможности разработанной установки кроме непосредственного маркирования на деталях позволяет расширить возможности электрохимических методов изготовления специальных фирменных табличек и бирок и других металло-рельефов. При необходимости нанесения более обширной информации применяется метод синхронного ступенчатого перемещения ФПУ вдоль проецируемого изображения, а ЭИ вдоль обрабатываемой детали. Важно отметить, что величина тока меняется пропорционально освещённости, что позволяет получать градуированные изображения.

Учитывая большую глубину травления (до 0,2 мм), разработанным нами методом можно маркировать поверхности, которые на следующих технологических этапах фосфатируют, анодируют, покрывают краской или применяют другие операции по защите поверхности.

Литература

1. Charlie Plain-Jones. Reading Between the Lines // Vehicle Technology. 2006. Issue 1. P. 8-9.

2. Compressed Symbology - Making its mark at NASA / F. Scharman, D.L. Roxby, W.L. Pavolini etc // NASA Tech Briefs. 2001. Vol. 12. № 1.

3. Белов Г.В. Штриховое кодирование. (Технологии XXI века). М., 1998.

4. Глебов В.В. Фотоуправляемый способ коммутации растровых электрод-инструментов // Тез. докл. науч.-техн. семинара «Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике». Пенза, 1995. С. 37-38.

5. Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П., Садыков З.Б. Электрохимическое маркирование деталей. М., 1983.

г.

Практика показывает, что ресурс конических подшипников колеса определяется условиями их смазывания и влагогрязезащищенности. Разрушение сепараторов от грязи приводит к разрушению подшипников (97 %) и износу шеек цапфы. Особенно часто

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 10 ноября 2006

УДК 629.113

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКОВ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА

© 2007 г. А.А. Удовенко