CC BY
51
Технологии машиностроения
УДК 621.9.047
НАНЕСЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ С ПОКРЫТИЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ А.А. Козлов, В.П. Смоленцев
В работе раскрыт механизм электрохимического нанесения качественной информации на металлические детали с эластичным диэлектрическим покрытием различной толщины. Показано, что использование универсального растрового инструмента и реологической магнитной жидкости позволяет проводить операцию с минимальными затратами средств на подготовку производства и без нарушения покрытий, что ранее считалось невыполнимым. Разработаны технологические режимы электрохимического маркирования магнитных и немагнитных сплавов с различными покрытиями
Ключевые слова: реологическая магнитная жидкость, универсальный растровый инструмент, режимы электрохимического маркирования
Введение
При нанесении информации на металлические детали, имеющие
диэлектрическое покрытие, может быть 2 случая: если материал основы
ферромагнитный, то в магнитном поле частицы из жидкости будут оседать слоем на основу и получить информационный знак не удается. В этом случае поверхностью для нанесения информации может служить диэлектрическое покрытие со стороны металла основы. Покрытия, как правило, имеют незначительную толщину, поэтому их повреждение не желательно. Нанесение реологической жидкости позволяет исключить повреждение основы под знаками. Здесь форма знаков должна иметь зеркальное отображение, а полярность импульсного тока -прямая (реологическая жидкость - анод). Схема нанесения информации для рассматриваемого случая приведена на рис. 1 а.
При материале основы из немагнитного металла целесообразно в качестве катода применять основу и управлять магнитным полем путем подключения элементов растра по контуру знаков (рис. 1, б) в переменном поле.
На рис. 1 показано формирование фрагмента знака (например цифры «5»), где к источнику тока подключены элементы 1; 2; 4; и все остальные по контуру знака). Здесь
Козлов Андрей Александрович - ВГТУ, аспирант, тел.
8 904 218 85 44
Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 903 655 99 70
создается магнитное поле. Такое же поле можно сформировать, если элементы (рис. 1) выполнить из постоянных магнитов, поместив маркируемую поверхность между их полюсами
Перед началом маркирования под слой диэлектрического покрытия (6 на рис. 1) должна быть впрыснута реологическая жидкость (7) в количестве, достаточном для формирования всей требуемой информации. Если покрытие 6 эластичное, то возможность подать жидкость 7 в пространство между ним и деталью 8 без разрушения покрытия, например струей высокого (более 20 МПа) давления или специальной иглой [1] без нарушения сплошности материала покрытия 6. Для получения информационных массивов под слоем диэлектрических эластичных покрытий необходимо создать емкость с реологической жидкостью. Объем этой емкости требуется ограничить толщиной слоя и участком маркирования, т. к. излишняя жидкость вызовет дополнительный отрыв покрытия от детали и ухудшит надежность защиты изделия от внешней среды. Доза рабочей среды под покрытием зависит от его толщины и метода подачи жидкости в зону маркирования. Для вязких покрытий с толщиной менее 0,3 - 0,4 мм рабочую среду подают через поверхностный слой без его последующего разрушения путем использования струи высокого давления, проходящей через индивидуальные элементы (рис. 1), подключенные по контуру знаков, или через одну или несколько форсунок, установленных внутри информационного массива в месте, близком к центру его симметрии. Происходит прокалывание эластичного покрытия с
последующим закрытием отверстия за счет упругих сил поверхностного материала. Можно оценить потребность в рабочей среде, приняв ее как объем жидкости над информационным массивом, с учетом частичного ее выброса через покрытие в период инерционного расширения прокола и его закрытия. Если рабочая струя подается централизованной струей через форсунку, то можно принять силу адгезии покрытия
постоянной и площадь заполнения жидкостью зоны маркирования считать равной кругу с радиусом близким к расстоянию между струей и наиболее удаленной границей информационного массива. Аналогичная схема расчета принята в случае маркирования деталей, имеющих толстые слои покрытий, где требуется подача жидкости через иглу с прокалыванием наружного слоя.
а)
б)
Создание магнитных полей при растровом маркировании металлических деталей с
диэлектрическим покрытием. а) - деталь из ферромагнитного материала; б) - деталь немагнитная.
1 - 4 - элементы растровой решетки (растра); 5 - диэлектрическое покрытие элементов растра; 6
- диэлектрическое покрытие детали; 7 - реологическая жидкость; 8 - деталь.
По [2] концентрация реологической жидкости в зоне действия магнитного поля может достигать 65% и тогда в ней могут формироваться контрастные знаки с размерами, соответствующими стандартам на шрифты. Время локального перемещения жидкости вблизи знаков не значительно, поэтому можно принять, что средняя концентрация рабочей среды в пределах расчетной дозы, подаваемой под покрытие, одинакова и ее можно рассчитать, если рассмотреть случай без ограничения количества частиц, способных переместиться в локальном магнитном поле к контуру знаков.
Таким образом, объем реологической жидкости, требуемой для обеспечения процесса формирования знаков, составит:
- при подаче среды через элементы по контуру знаков
у = Н 3 • Ь ы- $ 0
1 1 -к 1 ,
(1)
где Н3 - высота знака (номер шрифта); Ьим - длина строчек знаков информационного массива (с учетом пробелов); $0 - начальный межэлектродный зазор при электрохимической размерной обработке неподвижными электродами [3]; К1 - коэффициент,
учитывающий выброс жидкости через отверстие до его закрытия и неравномерность сопротивления течению жидкости под покрытием (К1=1,5 - 2,0).
- если жидкость подается централизованно (через единичное сопло или углу)
где Ь1 - наибольшее расстояние до контура информационного массива от места подачи жидкости.
Для расчета технологического параметра
- давления струи на среде (Рс) элемента (или форсунки) - необходимо учесть сопротивления: прокалыванию вязкого
покрытия; движению потока в зазоре под покрытием (линейное и волновое сопротивление); вязкость среды; среднюю скорость потока. Без учета сопротивления движению струи в воздухе (обычно элементы прижаты к покрытию)
Р = о
1
81й а
+ С х 1 'к п 'I1 + и п ) +
Я
+ С х 2 ' Ь 1 +ТГ~
Р,
(3)
где ар - прочность материала покрытия при растяжении; а - угол распыла струи на участке от среза сопла до покрытия (при контакте элементов или сопла с покрытием а = 0); Сх1 - коэффициент путевого удельного сопротивления движению среды (Н/м3) в момент прокалывания покрытия толщиной кп; ип - изменение размера покрытия за счет вязкости материала (ип=1+Ки, где Ки -относительное удлинение материала покрытия [4]), которое ограничено зазором; Сх2 -коэффициент путевого линейного
сопротивления (Н/м3) на участке течения жидкости от точки входа ее под покрытие до границы контура (принимается как расстояние Ь1); Яв - волновые потери.
По [5]
А
^ о 1 С— ,
л/Яе
(4)
где А - постоянная величина, отражающая величину энергии, необходимую для преодоления сопротивления на единице пути струи в вязком покрытии [4]; Яе - число Рейнольса (в расчетах можно принять равным значению для воды); Рс - площадь сечения струи (без учета распыла ¥с=(п d02) / 4, где d0 -отверстие сопла); Яв - волновое сопротивление. По [5]
(2 еЬ !)/(Ус 2)
Я а = У п ' Ус ' б -Г с ' Я
б
Ь1 • У12
,(5)
где ус - плотность жидкости в струе (можно принять равной параметру для воды); е - ускорение свободного падения; Ус -скорость (средняя) движения струи под покрытием; б - расход жидкости через сопло ( б = Ус ^02/ 4 ).
Тогда давление Рс, требуемое для достижения струей границы информационного массива, составит
1 А п ,, ч
+ ^ (кп + ип ) +
Б1п а
л/Яе
+ Сх 2 • Ь 1 + У с • Ус • б -
(6)
■ус • е •
б
Ь1 • У
с
В (6) расход жидкости (б) можно оценить через требуемую дозу (У1, в уравнении 1), подаваемую за время импульса давления (б = У1 / ти), где ти около 100 мкс.
Без учета потерь жидкости на выброс средняя скорость (Ус) течения струи составит
Ус = 4Нз '12 ' $0 . (7)
п •d 0 -т и
По [5] давление струи (Рп) для преодоления сопротивления вязкого материала покрытия может быть найдено по формулам
Н.Е. Жуковского и Гагена-Пуазеля
р = 128 Н 3 ■ Ьег ■ $ 0 'Я • к ,(1 + к ), (8)
п _;4 п \ и/’'-'
п •« 0 ^ и
где п - динамическая вязкость жидкости в струе.
Тогда формула (6) примет вид р = 128 •Н 3 •Ь 0 •Я
ьп -(1 + Ки ) +
+ С
х 2
Гу \2еь 1/Ус
V т и у
/ Ус
Ь1 •Ус
Vт и у
(9)
Здесь динамическая (эффективная) вязкость (п) может быть представлена для реологической жидкости по формуле Эйнштейна [2]
я =^0^(1 + кС,), (10)
где п0 - средняя вязкость магнитной жидкости в струе; к - коэффициент. По [2] для сферических частиц в жидкости к = 2,5; С -концентрация ферромагнитных частиц в жидкости.
По контуру знака [2] концентрация в среде на базе воды достигает 0,4 - 0,5. Для высокой концентрации частиц (в работе рассматривается такой случай) в [2] приведена эмпирическая формула
2
2
р
2
2
Я = я
0 1 + аС, + ЬС,2
(11)
1
где а = - 2,5; Ь = (2,5 •С „ -1)=^ . Здесь
4 V ' р 2
С V
С 1, 2 - предельная объемная концентрация
частица при плотной упаковке, когда система теряет текучесть. Из геометрии известно, что при плотной упаковке сферических тел
сплошность среды может достигнуть 0,7. В [2] указано на С v =0,65 Фактически С v около 0,5.
Расчеты по формулам (1), (11) и (9) дают возможность установить давление на срезе сопла.
Для слоев покрытия вязкой резиной толщиной до 0,6 мм давление струи составляет 200 - 250 МПа, что подтверждается
экспериментально. Для оценки концентрации магнитной жидкости (Су) в дозирующем устройстве можно использовать эмпирическое уравнение, предложенное в [2].
(
ехр
2.5 • С „ - 2.7 •С 1 - 0.609 • Сч
1
2 'А
= 0, (12)
_ С 1 - 2.5 • С, + (2.5 С - 1)-
с V
Величина Су по (12) позволяет назначить рабочую среду для нанесения информации (до действия магнитного поля). Для сохранения подвижности частиц при действии магнитного поля необходимо иметь 6% < Су < 20% при размерах частиц 10 - 100 нм.
Магнитная жидкость (особенно на базе воды) склонна к агрегатированию, что приводит к ее осаждению и утрате рабочих характеристик. Чем мельче частицы (как правило, магнезита), тем большую стойкость имеет жидкость (по [2] этот показатель может измеряться годами). Ресурс работы среды можно увеличить введением в нее до 15% поверхностно-активных веществ (например, олеиновой кислоты), но для нанесения информации такой вариант получения жидкости не приемлем, т. к. она становится диэлектриком и не пригодна для электрохимического маркирования.
Подвижность частиц зависит от шероховатости исходной поверхности детали. Так при напряженности магнитного поля до 100 кА/м скорость сдвига элементарных частиц при перемещении по поверхности с
шероховатостью Яа=2 - 3 мкм по [2]
составляет 103 мкм/с, а при Яа=20 мкм -(2^3)*102 мкм/с.
Для образования качественных знаков требуется применять: намагниченность 70 - 80 кА/м при токе, используемом для формирования магнитного поля, 0,2 - 3 А; напряжение до 12 В; величину импульса магнитной индукции 0,2 - 0,6 Тл.
Под действием давления струи на стенки проколотого в покрытии отверстия оно расширяется в пределах упругости материала от 5 - 6 % относительно диаметра струи до 15
- 16 % [4] в зависимости от его свойств. В течение всего времени вскрытия отверстия процесс нанесения информации протекает при напряжениях до 12 В при схеме на рис. 1, а и при импульсных напряжениях до 18 В при схеме б (рис. 1). Если маркирование производится с проколом покрытия и отводом конца иглы на несколько микрон, то напряжение может быть снижено (для сталей до 3 - 5 В, цветных сплавов до 4 - 6 В), что благоприятно сказывается на повышении качества знаков.
Время (тм) формирования индексов при маркировании складывается из следующих составляющих:
Т 1 =Т 1 + Т 2 +Т3, (13)
где XI - время, необходимое для прокалывания покрытия струей жидкости (длительность импульса). По [6] Х1~0,1 секунды. т2 - время, необходимое для
расширения отверстия давлением струи (формула (9)). Для различных покрытий это время будет иметь свое значение. По [6] для маловязких материалов т2=0,12 - 0,15 секунды. Время закрытия канала в покрытии (т3), по-видимому, будет близко к т2. Тогда по (13) рабочий период прямого действия магнитного поля составит около 0,25 - 0,3 секунды. Результаты осциллографирования,
приведенные в [7], показывают, что время осаждения частиц на немагнитные детали составляет 0,25 - 0,3 секунды, а на покрытие (работа с трафаретом) - около 0,5 секунды. Тогда общее время нанесения всего блока по схеме на рис. 1, а составит 1- 2 секунды, по схеме на рис. 1. б до 3 секунд, а при толстом слое покрытия - 4 - 6 секунд.
К особенностям маркирования деталей растровым инструментом с использованием реологических магнитных жидкостей относится возможность агрегатирования частиц в направлении действия вектора
напряженности магнитного поля. Процесс
может осуществляться элементами
инструмента из магнитотвердых материалов. Однако без эластичных покрытий полученные знаки после снятия магнитного поля теряют четкость, поэтому новый процесс является перспективным для материалов с эластичным диэлектрическим покрытием, которое фиксирует знаки, сформированные в магнитном поле за счет сил упругости
материала. После высыхания магнитной жидкости информация приобретает
устойчивость к разрушению и хорошо сохраняется в течение всего периода эксплуатации изделия, особенно если на нем имеется эластичное покрытие.
Заключение
1. Предложены методы нанесения в магнитной жидкости информации на металлические изделия с эластичным диэлектрическим покрытием различной толщины. При этом деталь может быть немагнитной и магнитной. В последнем случае предлагается накладывать информационные знаки на внутреннюю сторону диэлектрических покрытий в зеркально отраженном виде.
2. Раскрыты основные этапы процессов формирования информационных массивов для предложенных методов нанесения знаков, что позволило повысить точность границ контура, качество поверхностного слоя [8], обосновать технологические режимы, специфичные для процесса электрохимической размерной
обработки в магнитной реологической жидкой среде.
3. Показана возможность использования для маркирования в реологической жидкости элементов растровой решетки из постоянных магнитов, собранных в форме растра, что позволило создать универсальные
инструменты с простой системой управления рабочими элементами.
Литература
1. Патент Российская Федерация 2237569, МПК 7
В24В 3/60, 19/16. Способ заточки пустотелых колющих медицинских инструментов [Тескт] / А.Н. Некрасов, В.П. Смоленцев, А.В. Бондарь, В.В. Агеев, В.Г. Авдюгин, В.Ю. Некрасов ; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический
университет; № 2003112745/02; заявл. 29.04.2003, опубл. 10.10.2004. Бюл. №28, 2004.
2. Магнитные жидкости в машиностроении / Под ред. Д.В. Орлова, В.В. Подгорнова. М: Машиностроение, 1993 - 272 с.
3. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических
и комбинированных методов обработки. М:
Машиностроение, 2005 - 511 с.
4. Кирпичников П. А. Химия и технология
синтетического каучука / П. А. Кирпичников, Л. А. Аверко - Антонович, Ю. О. Аверко - Антонович. Л: Химия, 1987 - 424 с.
5. Справочник по курсу гидроаэродинамики / Под ред. Г.Г. Тумашева. Казань: изд-во КГУ, 1965 - 40с.
6. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т, Т2 / Под ред. В.П. Смоленцева. М: Высшая школа, 1983 - 208 с.
7. Смоленцев В. П. Электрохимическое
маркирование деталей / В. П. Смоленцев, Г. П. Смоленцев, З.Б. Садынов. М: Магиностроение, 1983 - 72 с.
8. Комбинированная обработка деталей машин [Текст]/ А. И. Болдырев, В. П. Смоленцев, А. А. Болдырев, А. В. Мандрыкин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8. - №11. - С. 47 - 50.
Воронежский государственный технический университет
APPLICATION OF THE INFORMATION ON THE METAL COMPONENTS WITH COATINGS WITH USE OF RHEOLOGICAL FLUID A.A. Kozlov, V.P. Smolentsev
The work discloses mechanism of electrochemical application of the qualitative information on the metal components with elastic dielectric coating with different thickness. It is shown, that application of the multi-purpose raster tool and rheological magnetic fluid allows to conduct a procedure with minimal inputs of the resources needed for the preproduction and without coating failure which considered to be impracticable before. Technological operating modes of the electrochemical marking of the magnetic and nonmagnetic alloys with different coatings were developed
Key words: rheological magnetic fluid; multi-purpose raster tool; modes of the electrochemical marking
