CC BY
58
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
УДК 67.05
Закалюкина Л.А. , Дмитриенко А.Г.
ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ ДЛЯ ДАТЧИКО - ПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ
Современное производство диктует свои требования к обработке металлов, которые уже не могут быть выполнены с использованием традиционных методов. Поэтому активно развиваются новые способы обработки, а старые совершенствуются. Применение новых методов металлообработки дает возможность повысить качество, точность обработки и увеличить производительность изготовления изделий. Этот вопрос является актуальным при производстве ДПА (датчико - преобразующей аппаратуры).
Процесс лезвийной обработки нержавеющих сталей и сплавов сопровождают высокие температуры, большие силы резания и адгезия обрабатываемого материла с инструментом. Происходит изменение структуры поверхностного слоя, что приводит к остаточным напряжениям, влияющих на метрологические характеристики датчиковой аппаратуры.
Альтернативу лезвийной обработке могут составить и другие современные развивающиеся технологии. К ним можно отнести лазерную резку, гидроабразивную и микрогидроабразивную резку, лазерно-водоструйную, электроэрозионную обработку металлов и др. Каждый из этих видов обработки имеет весьма весомые преимущества. Применение этих технологий в производстве обеспечивает высокую точность обработки, качество изготовления и производительность.
В качестве примера лазерно-водоструйной резки можно рассмотреть станок модели LCS-3 0 0 фирма SYNOVA (Швейцария). Принцип работы этого станка основан на использовании лазерного луча, направляемого к зоне обработки струёй воды (рисунок 1). По сравнению с традиционной лазерной резкой и прошивкой отверстий новая технология обеспечивает высокое качество и точность обработки различных материалов, в т.ч. хрупких материалов малой толщины. При использовании лазера и сопел из вольфрама или сапфира с отверстиями Ф 25-100 мкм, через которые подаётся деионизованная вода под давлением 50-500 бар, обеспечивается максимальная скорость резки 600 мм/сек.
ние «стружки» на поверхность и существенно уменьшает глубину термически изменённого слоя материалов.
Станок обеспечивает точность обработки 3 мкм, точность позиционирования 1 мкм, поле обработки 300х300 мм, мощность лазера 100В (200В)
Введение технологии микрогидроабразивной резки обеспечило десятикратное повышение точности изготовления и точности позиционирования в диапазоне микронов, позволило резать более филигранные структуры. Установка микрогидрорезки Microwaterjet Е4-01 обеспечивает изготовление деталей с допуском и стабильностью повторяемости ± 0,01 мм, при этом ширина реза составляет 0,3 мм, площадь обработки - 600х1000 мм. Метод обработки основан на применении абразивной водяной струи, которая представляет собой смесь воды и очень мелкозернистого абразивного материала. В процессе микрогидроабразивной резки вода смешивается в специальной камере с абразивом и проходит через очень узкое сопло режущей головки под давлением до 4000 бар. Гидроабразивная смесь выходит из режущей головки со ско-
ростью, превышающей (рисунок 2).
адю рэр
Сопло
скорость звука
3 раза
Рисунок 1 - Направленный лазерный луч при лазерно-водоструйной резке
Установка позволяет проводить следующие виды обработки: резка; шлифование; сверление; прорезка пазов; скрайбирование.
Охлаждающее действие воды в паузе между импульсами лазерного излучения исключает налипа-
Смешивающая камера
Смешивающая трубка Гидроабразивмая резка
Рисунок 2- Принцип образования абразивной водяной струи
Преимущества данного метода:
не требуется использование дорогих крепёжных приспособлений, поскольку механическая нагрузка на деталь очень небольшая;
при резке отсутствуют внутренние напряжения, ширина реза небольшая и структура детали остаётся без изменений;
отсутствие зон термического воздействия, закаливания;
небольшая механическая нагрузка на материал, что облегчает обработку сложных деталей, особенно с тонкими стенками;
отсутствует выделение пыли, дыма и токсичных паров;
отсутствует необходимость в широком наборе инструмента и его заточке;
потери материала при резке минимальные; нет необходимости в снятии заусенцев; отсутствует необходимость в повторной обработке из-за высокого качества обработанной поверхности;
полное отсутствие повреждения краев близко расположенных отверстий (толщина перемычки между двумя отверстиями может быть 0,5 мм и даже меньше);
возможность работы в широком диапазоне толщин и видов материала;
очень быстрое и простое перепрограммирование;
возможность обработки структурных поверхностей и гравировка (рисунок 3).
•^ГПННТпг 1П1
Рисунок 3-Гравировка методом микрогидроасразива
Примеры материалов, которые могут быть обработаны на установке для микрогидроабразивной резки:
нержавеющая сталь, алюминий, титан, медь, олово;
стекло, мрамор и гранит, керамика, пьезоке-рамика, комбинированный листовой материал, лан-ганат,лангасит, пьезокварц, оптический кварц;
гипс, бумага, картон, фанера, стекловата, минеральная вата, кожа, резина;
композиционные материалы, пенопласт, отделочный материал для напольного покрытия, упаковочный материал и проч.
Технология электроэрозионной обработки открывает новые возможности для прецизионной обработки. По сравнению с механической обработкой электроэрозионные технологии имеют ряд существенных преимуществ. В частности на одном электроэрозионном станке при одной установке детали одной операции можно осуществить практически полную обработку этой детали (или её основного элемента). Исключается множество механических и ручных операций: фрезерование, сверление, координатная расточка, координатное шлифование, разметка, опиловка, шабрение, шлифовка, полирование, доводка и др., при этом технологические параметры (точность, качество поверхности) во многих случаях превосходят возможности механической обработки.
Электроэрозионная обработка-это контролируемое разрушение электропроводного металла под действием электрических разрядов между двумя электродами, одним электродом является обрабатываемая деталь, другим электродом является инструмент-проволока. Процесс электроэрозии протекает в среде жидкого диэлектрика. В результате разрядов из материала детали выбиваются микрочастицы, которые вымываются из межэлектродного зазора струёй диэлектрика. Кроме того, диэлектрик играет роль катализатора процесса распада, так как при высочайшей температуре разряда диэлектрик в зоне эрозии превращается в пар. Происходит дополнительный микровзрыв пара, который не может сразу выйти из межэлектродного зазора.
Применение электроэрозионного оборудования (проволочно-вырезного и координатно-прошивного типа) чрезвычайно перспективно в решении, как простых, так и уникальных технологических задач:
изготовление деталей без внесений дополнительных механических напряжений в конструкции. В настоящее время при обработке жаростойких и коррозионно-стойких металлов в процессе резания создаются значительные силовые нагрузки отрицательно сказывающиеся на работе ДПА,
- изготовление сверх тонкой мембран с размером 100 мкм. и менее, обеспечивая повышенную чувствительность приборов. Имеющие возможности 120-130 мкм (точеные мембраны),
увеличение поверхностной твердости и улучшение поверхностной структуры материала мембран, обеспечивая уменьшения технологических потерь из-за некачественного материала и наибольшую
эффективность последующих электро-химико-механических полировок датчиков тонкопленочной серии.
современное электроэрозионное оборудование имеет возможность выполнять операции невозможные к осуществлению никакими другими процессами. В данном случае это повышение твердости и одновременной диффузии молекул металла рабочей жидкости в поверхность в процессе обработки, на имеющихся станках такую операцию выполнить невозможно.
изготовление деталей датчиков, обеспечивая формирование сверх малых отверстий 0 0,1 мм и глубиной 10 мм. Минимально возможный диаметр отверстия при обработке трудно обрабатываемых сталей механообработкой 0.2-0.25 мм глубиной 22.5 мм.
изготовление корпусных деталей из трудно обрабатываемых, жаростойких и коррозионных сталей снижая трудоемкость и затраты на приобретение дорогостоящего инструмента. Прошивной инструмент, применяемый в электроэрозионной обработки корпусных деталей изготавливается из меди или графита на универсальном оборудовании и имеет себестоимость в несколько десятков раз ниже режущего,
изготовление сложной оснастки (штампы, пресс-формы) с трудоемкостью в несколько раз ниже имеющейся, за счет уменьшения слесарных, подгоночных и полировочных операций,
изготовление сложно-контурных корпусных деталей, исключая сварочные операции и дополнительные термические операции для снятия внутренних напряжений в металле, что значительно снижает трудоемкость изготовления деталей,
изготовление деталей из термически обработанных заготовок дисперсионно твердеющего металла, обеспечивая снижение трудоёмкости. Обычно обработка этих сталей требует сначала термической операции размягчения, предварительной механической обработке, термической операции дисперсионного твердения а затем окончательной механической обработка,
изготовление деталей миниатюрных датчиков используя нанотехнологии, обеспечивая микро геометрию (точность контура 3 мкм., точность шага 1 мкм., зубчатая передача с модулем 0,03, ширина паза 0,038 мкм). На имеющимся оборудовании реализация такой технологии невозможна,
изготовление тонкостенных деталей без применения сложной и дорогостоящей оснастки. В электроэрозионных технологиях изготовления ведется на универсальных приспособлениях, что позволяет сократить сроки подготовки производства и накладные расходы. Возможность изготовления деталей с толщиной стенки менее 0.2 мм (минимально достижимый размер при лезвийной обработке).
В общем случае использование электроэрозионной технологии обеспечит снижение: трудоемкости - в 7 раз затраты на инструмент - в 14 раз количество рабочих мест - в 6-7 раз энергоемкость - в 6-7 раз стоимость оснастки - в 10 раз; Для обеспечения сверхвысокой точности деталей среди проволочного электроэрозионного оборудования находит своё применение двухпроволоч-ный станок CUT 1000 компании AgieCharmilles, ориентированный на микрообработку. Первая проволока большего диаметра осуществляет черновую обработку детали, вторая проволока меньшего диаметра - чистовую, обеспечивая минимальную шероховатость Ra 0,05 мкм. CUT 1000 позволяет обрабатывать заготовки размером 300х200х80 (длина - глубина - высота). Диаметр проволоки 0,02-0,20 мм.
Оптимальным выбором координатно-прошивного электроэрозионного станка для производства дат-чиковой и преобразующей аппаратуры является станок фирмы Charmilles Texnologies (Швейцария) Roboform 35P. Используя в качестве инструмента электроды из различных материалов необходимой формы и сложности, а также широкие технологиче-
ские возможности подбора режимов обработки, электоэрозионный станок позволит сформировать прецизионные поверхности.
Станок позволяет выполнять микрообработку деталей сложной формы, включающей в себя узкие прорези и отверстия в том числе глухие с гарантией соблюдения геометрии. Точность обработки ± 0,003 мм., шероховатость обработанных поверхностей Ra - 0,2 мкм. Электроэрозионный координат-но-прошивной станок Roboform 35Р предназначен для предварительной и окончательной видов обработок с высокой производительностью и шероховатостью, обеспечивая точностные параметры, требуемые при изготовлении деталей имеющийся и перспективной датчиковой аппратуры. На данном оборудовании возможно выполнять обработку различными методами (прошивка, различных отверстий и пазов, фрезерование, полировка и др.). При одной установке детали можно осуществить практически полную обработку детали (или её основного элемента).
В связи с повышением контроля качества изделий, идентификации и учета движения деталей в процессе производства и в период их использования, лазерный способ маркировки все чаще находит своё применение. Лазерная маркировка и гравировка изделий, деталей и материалов является перспективным технологическим процессом, который имеет ряд преимуществ перед такими традиционными способами маркировки, как ударное клеймение, электрохимическое гравирование, нанесение надписей краской. С помощью луча лазера можно маркировать любые твердые материалы, в частности, неэлектропроводные и прозрачные, в том числе, в труднодоступных местах, обеспечивая при этом высокую четкость формирования шрифтов и цифр различных размеров. Лазерная маркировка дает возможность наносить надписи без механической деформации маркируемого объекта. К числу достоинств этого метода относятся высокая степень автоматизации, экологическая чистота, высокая производительность. В лазерной маркировке не применяются какие-либо расходные материалы или инструменты для получения изображения, что существенно снижает эксплуатационные расходы и обеспечивает быструю окупаемость затрат на приобретение оборудования.
Лазерная маркировка рекомендуется для изделий электронной техники, атомной, космической, авиационной промышленности, в оборонном производстве.
На сегодняшний день в промышленности используются два типа лазерных излучателей - газовые на молекулах СО2 с длиной волны 10,6 мкм, и твердотельные на различных атомах редкоземельных элементов с длиной волны 1,06 мкм. Поскольку различные материалы - металлы и их сплавы, пластмассы, резина, дерево и другие - по-
У-сконатор
/
Х-свснотор Фсиусируюшяя
разному поглощают излучение (например, стекло, прозрачно для излучения с длиной волны 1,0 6 мкм и полностью поглощает излучение с длиной волны 10,6 мкм), то для эффективной маркировки материала необходимо соответственно выбирать тот или иной тип излучателя. При этом некоторые материалы, например пластики, взаимодействуют с обеими длинами волн и, соответственно, хорошо обрабатываются обоими типами лазеров. Примером для гравирования деталей и изделий ДПА из металлов и их сплавов является импульсный иттер-биевый волоконный комплекс лазерной маркировки LDesigner F2 производства компании Атеко.
Лазерный комплекс LDesigner F2 имеет жесткую и устойчивую конструкцию, что обеспечивает стабильно высокое качество гравировки. Формирование изображения может производиться как за счет отклонения лазерного луча оптическими сканато-рами в пределах рабочего поля объектива, так и за счет перемещений изделия координатным столом. Такая схема позволяет не только расширить зону обработки лазера, но и делает возможным обработку группы изделий в автоматическом режиме.
Программный пакет "LDesigner" позволяет создавать как собственные изображения, так и работать с распространенными форматами программ AutoCAD, CorelDRAW и др. Программа снабжена богатым набором функций. Возможно нанесение штрих-кода, логотипа предприятия, серийных номеров, текущей даты, времени и другой информации. Программная коррекция геометрии рабочего поля позволяет наносить изображения с прецизионной точностью.
Лазерный комплекс для маркировки содержит управляющий компьютер, источник излучения, системы передачи и контроля параметров излучения, сканаторную систему развертки луча (рисунок 4а).
Сканаторы перемещают лазерный луч со скоростью до 6 м/с и обеспечивают точность отслеживания контура до 1,5 мкм. Их объективы позволяют обрабатывать изделия и поверхности размерами 110x110 мм. Кроме сканаторных систем используются плоттерные (рисунок 4б). Современные двигатели и новые технические решения обеспечивают скорость перемещения луча в плоттерных системах до 3,5 м/с при высокой точности повторения контура. При этом плоттерные системы работают на поле порядка 750x450 мм. Сканаторы с успехом используются как для твердотельных, так и для СО2 - лазеров. Плоттерные системы используются в основном для СО2 - лазеров. Это связано с особенностями фокусировки излучения различной длины волны, которая накладывает ограничения на размеры рабочего поля и на возможность комбинации системы развертки с конкретным лазерным излучателем.
б)
Э»р<апо 1
Scptpno 3
Рисунок 4- Сканаторная и плоттерная системы перемещения луча в плоскости маркировки
Лазерную маркировку по методу формирования изображения можно разделить на растровую и векторную (рисунок 5).
ВЕКТОРНЫЙ
растровый
Рисунок 5-Способы формирования изображений при лазерной маркировке
При растровой маркировке изображение формируется путем нанесения последовательных линий (строк), при векторной - путем контурной его обводки. Естественно, может быть комбинация этих методов. Таким образом, возможно наносить любую информацию - цифробуквенную, графическую, символьную, кодовую и др.
Под воздействием сфокусированного лазерного излучения, которым, как мы видим, можно управлять в пространстве (перемещение) и во времени (включение-выключение), материал модифицируется (нагревается, плавится, испаряется и т.д.) и в зоне воздействия образуется новая структура. При лазерной маркировке металлов выделяют три основных типа взаимодействия лазерного излучения с веществом (рисунок 6)
■
Ынт^нГиг-ф*" уС^&р^шч-
ш
йбрэзсси-тс плйзны
Рисунок 6-Типы взаимодействия лазерного излучения с веществом
Первый - плавление. Плавление металлов начинается, когда плотность мощности лазерного излучения достигает значений порядка 105 Вт/см2. По мере поступления световой энергии граница
между жидкой и твердой фазами (поверхность расплава) постепенно перемещается вглубь материала. При этом площадь поверхности расплава увеличивается, теплота начинает более интенсивно отводиться в глубинные слои за счет процессов теплопроводности, в результате устанавливается стационарная поверхность расплава. Визуально такая маркировка обычно выглядит, например на механически обработанных поверхностях, как зона с другой, более гладкой шероховатостью поверхности, образовавшейся в результате рекристаллизации.
Типовые характеристики:
- механическая глубина Z: 30...50 мкм (зависит от мощности излучения);
- механическая ширина: 50 мкм.
Второй - испарение. При повышении плотности световой мощности до 10 6-107 Вт/см2 наряду с плавлением будет происходить интенсивное испарение материала. Часть вещества перейдет в парообразное состояние, в результате чего на поверхности материала возникает канавка гравировки. При наличии в составе металла углерода гравировка обычно дополняется карбонизацией, а повышенная температура способствует образованию окислов, которые также могут влиять на цвет маркировки.
Типовые характеристики:
- механическая глубина Z: 1.100 мкм (зависит от мощности излучения);
- механическая ширина: 50 мкм.
Третий - образование плазмы. Если плотность световой мощности будет достигать значений около 109 Вт/см2, то начнется эффективная ионизация светом паров вещества, что приведет к образованию высокотемпературной плазмы. Возникнув, плазма начинает преграждать доступ излучению к поверхности материала, так как излучение интенсивно поглощается в плазме. При маркировке металлов важно, чтобы плазма не возникала.
При маркировке других материалов (стекло, керамика, неметаллы, твердые сплавы) используются в основном те же типы взаимодействия, причем для прозрачных материалов они дополняются эффектом изменения оптических свойств.
Согласно вышеизложенному, результат лазерной маркировки (качество изображения, нанесенного лазером) в целом зависит от двух факторов. Первый фактор - характеристики маркируемого материала (его химический состав, используемые покрытия, добавки, качество поверхности). Второй фактор - характеристики лазера и используемые технологические режимы работы оборудования (длина волны и интенсивность лазерного излучения, частота повторения импульсов, скорость маркировки). Таким образом, путем подбора технологических режимов маркировки можно обеспечить высокий уровень качества изображения на широком диапазоне материалов.
Таким образом, применение вышеперечисленных технологий позволяет решить многие производственные задачи, повысить качество изделий, точность обработки, производительность, а также позволяет обеспечивать изготовление деталей с новыми свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоматизация производственных процессов изготовления радиоэлектронных средств : учеб. пособие / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, В. Г. Недорезов. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 120 с.
2. Затылкин, А. В. Методика исследования радиоэлектронных средств опытно-теоретическим методом на ранних этапах проектирования / А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, А. В. Лысенко // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 7 (38). С. 91-96.
3. Кочегаров И.И. Обзор методик получения нанопорошков / Кочегаров И.И., Трусов В.А., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 426-428.
4. Кочегаров И.И. Методы контроля дисперсности порошков / Кочегаров И.И., Трусов В.А., Юрков Н.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 475-477.
5. Кочегаров И.И. Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / Кочегаров И.И., Ханин И.В., Лысенко А.В., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 3 (27). С. 105114.
