CC BY
54
УДК 621.9.047
ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ ПОД ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ МАРКИРОВАНИЕ
А.А. Козлов, В.П. Смоленцев, А.М. Козлов, Б.И. Омигов
В работе рассмотрены вопросы подготовки поверхности детали под нанесение информационных массивов. Показана возможность использования в качестве рабочей среды реологической жидкости, которая оказалась эффективной для выполнения технологической операции маркирования деталей с диэлектрическим покрытием, где удается получить качественные знаки без нарушения покрытия. Приведена информация о влиянии топографии микроповерхности на формирование информационных массивов
Ключевые слова: поверхность, диэлектрическое покрытие, электрохимическое маркирование, топография
Введение
В связи с переходом промышленности на гибкоструктурное производство номенклатура изготавливаемых деталей заметно увеличивается, что требует нанесения качественной информации, содержащей сведения об объекте, порядковом номере, и дате выполнения операции и исполнителе работы [1] .
Не контрастная информация может привести к ошибкам при сборке изделий.
При изготовлении тяжело нагруженных деталей маркирование следует выполнять так, чтобы не снижать прочность изделия, особенно тонкостенных деталей нежесткой конструкции.
Одним из нетрадиционных способов выполнения операций маркирования является электрохимическое нанесение информации в водных растворах нейтральных солей (например,
хлористого натрия, азотнокислого калия и др.) с различными добавками при напряжении
технологического тока до 8 В (при маркировании титановых сплавов напряжение может достигать 12 В).
Изображение знаков при электрохимическом маркировании представляет собой достаточно сложный профиль с изменяемой шириной пазов. Контуры знаков должны четко выделяться на различных металлах. Это обеспечивается добавками в электролит, дающими цвет и плотность
осаждаемых твердых продуктов реакции [1].
Особенности маркирования изделий с покрытиями
Многие детали имеют защитные диэлектрические покрытия, часть которых обладает упругими свойствами. Толщина таких покрытий может быть от десятых долей до десятков миллиметров.
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
Козлов Александр Михайлович - ЛГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 905 044 99 10
Омигов Борис Иванович - «ВМЗ» филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», канд. техн. наук, главный инженер, тел. (473) 2 34 81 02
До недавнего времени существовало мнение, что нанесение информации на такие изделия электрохимическим методом невозможно. Вскрытие покрытия (например, царапанием) не дали положительных результатов, так как многие виды поверхностных слоев при такой операции осыпаются или в них формируются знаки, не отвечающие стандартным требованиям, особенно, если продукция предназначена на экспорт.
Последующее восстановление покрытий весьма трудоемко и не всегда допустимо. Нанесение качественной информации через нетокопроводящий слой становится все более актуальной проблемой, особенно в авиационной и космической отрасли, где в случае летных происшествий и аварий необходимо точно установить адрес изготовителей некондиционных деталей, узлов, агрегатов, причем в ряде случаев, - после утраты диэлектрического покрытия после действия высоких температур. Если информация наносилась на покрытия, то она может быть безвозвратно утрачена, что вызывает трудности в установлении причин аварий и катастроф [2].
Требования к качеству поверхности под маркирование Одним из важных параметров, влияющих на качество маркировки, является состояние участка детали под нанесение знаков. Относительно грубая шероховатость поверхности приводит к утрате четкости контура знака, а участки с малой шероховатостью, особенно криволинейные, слабо удерживают электролит, что также нарушают профиль знака. Для качественного маркирования требуется получить под нанесение знаков поверхность, обладающую развитым не глубоким рельефом, что обеспечивает хорошее капиллярное взаимодействие с электролитом и произвольным (не имеющим определенного направления) видом микронеровностей. Кроме этого, необходимо, чтобы такая поверхность при контакте с диэлектрическим покрытием создавала максимальное число замкнутых полостей, удерживающих электролит и не позволяющих ему растекаться в направлениях, не подлежащих нанесению информационных массивов.
Потребность в жидкой среде Если знаки наносятся под слоем покрытия, то необходимо рассчитать объем жидкой рабочей среды, достаточной для прохождения химической
реакции при электрохимическом маркировании. Эта величина зависит от шероховатости контактных поверхностей и их взаимного положения.
По аналогии с терминологией, принятой в трибологии, назовем способность удерживать электролит на границах шероховатых поверхностей маслоемкостью стыка. Известно, что максимальной маслоемкостью обладают поверхности, имеющие изотропный микрорельеф [3].
Исследование эксплуатационных свойств поверхности проводится методом моделирования контактных явлений. Для этого в ряде случаев удачно используются в качестве аналогов криволинейные (синусоидальны) прямолинейные (пилообразные) сегменты вследствие их простого математического представления. Затем,
аппроксимируя, полученные зависимости распространяются на всю исследуемую область. Развитие современных вычислительных средств позволило представлять поверхности с использованием метода конечных элементов [4]. Однако и в современных моделях не учитывается направление микронеровностей поверхности, что требуется для электрохимического маркирования.
В предлагаемой н модели шероховатая поверхность при численном моделировании аппроксимируем матрицей n x n элементов, значения которых представляют собой высоты в рассматриваемой точке относительно самой низкой (ордината которой принимается равной нулю). При таких условиях максимальная маслоемкость поверхности вычисляется как сумма разностей между максимальной высоты микронеровностей Rmax и R[i,j] - высоты микронеровностей в точке [i,j] матрицы
n n
VM = k, ■ ky ■ kz ££ (R max - R [i , j ]) , (1)
i=1 j=1
где VM - маслоемкость,
kx, ky, kz - масштабные коэффициенты модели.
В процессе эксплуатации в месте нанесения информации возможен контакт шероховатой поверхности с абсолютной гладкой, где преобладают пластические деформации или износ поверхностей в процессе взаимодействия, за счет чего изменяется максимальная высота микронеровностей. С учетом этого маслоемкость может быть оценена следующим выражением
vm = t, ■ krk'.jr£(rmx -r[.■,j]), (2)
i=i j=i
n dae
где R max " максимальная на момент вычисления высота микронеровностей.
Одним из основных достоинств предложенной методики вычисления маслоемкости является возможность прогнозирования сохраняемости жидкой среды между двумя шероховатыми поверхностями с учетом всех их топографических характеристик (рис.1). Из выведенных зависимостей (1), (2), можно получить расчетную формулу (3):
УМ = к, ■ к, ■ к, Ё ((Д 1Ша1 - я Ц(,,]) + (Я 2Ша1 - Я 2[,,,])-A), (3)
I =1 I =1
где Д - величина сближения, отсчитываемая от исходной точки Я 1тах + Я 2тах, в которой ни одна
из вершин микронеровностей гарантированно не контактирует с другой поверхностью.
У
а)
б)
Рис. 1. Аппроксимируемый фрагмент поверхности (а) и схема (б) контакта двух шероховатых поверхностей для определения маслоемкости
Численное моделирование расположения двух шероховатых поверхностей, одним из которых может быть покрытие, позволяет представить объем карманов между поверхностями, имеющими различное направление микронеровностей (рис.1,а). Так при поверхностях с параллельными следами обработки происходит внедрение наиболее выступающих микронеровностей одного из контактирующих тел в микровпадины второго, вследствие чего маслоемкость стыка уменьшается. Поэтому, при анализе зависимости объема в стыке от сближения по рис.1,а следует учитывать, что данные приведены в относительных координатах. Более удобно представлять зависимость объема от сближения в абсолютных координатах (рис.1,б).
При контакте поверхностей с различными топографическими характеристиками
шероховатости, кроме общей маслоемкости стыка необходимо учитывать количество и объемы
масляных карманов [4], которые образуются в замкнутых контурах (рис.3).
Стык возможно описать различными методами, но наиболее подходящим является тот метод, который позволяет учесть топографию контактирующих поверхностей, - т.е. разностный. При его использовании каждая точка
характеризуется степенью микродеформации или расстоянием между контактирующими
поверхностями. Степень микродеформаций,
определяющая объем рабочей среды при маркировании, характеризуется величиной смятия вершин микронеровностей контактирующих
поверхностей, например, вязкого или упругого диэлектрического покрытия, и представляется
отрицательным значением величины смятия (рис. 3). Особенно это касается упругих покрытий.
2"
:п
Л
43
О
О 20 40 60 80
сближение, ЧІ
2 0,0006 2 ю
ї 0,0004 £
г*
О 0,0002
о
о 20 40 60 го 100
сближение, % б)
Рис. 2. Изменение объема зазора в стыке при сближении шероховатых поверхностей в относительных (а) и абсолютных (б) координатах
Анализ полученных результатов
моделирования контакта поверхностей с различными направлениями микронеровностей [5], позволяют сделать вывод о том, что наиболее благоприятным сочетанием микронеровностей с точки зрения образования масляных карманов является угловой диапазон 200... 350 (рис.4). В этом случае в зоне контакта образуется максимальное количество локальных замкнутых контуров с относительно большими объемами. что гарантирует получение качественных информационных массивов.
Рис. 3. Моделирование формирования замкнутых контуров в зоне контакта, когда один из материалов пластичен:
1 - замкнутые контуры; 2 - пятна контакта
Из изложенного следует, что для получения достаточного для электрохимического маркирования объема карманов желательно сочетание микрорельефов, попадающих в указанный диапазон.
Образующиеся при этом замкнутые контуры содержат электролит, который находится в состоянии гидростатического равномерного сжатия и не может вытечь из кармана ни в каком направлении.
Исследование маслоемкости поверхностей, имеющих различные направления
микронеровностей в зоне контакта проводилось капельным методом на приспособлении, показанном на рис.4, позволило оценить возможную площадь контакта жидкостей с маркируемой поверхностью.
Рис. 4. Приспособление для оценки емкости карманов на маркируемой поверхности
При изучении растекания жидкости на примере капли масла для образцов, имеющих различный профиль шероховатости было установлено, что:
- при сочетании с неровностями, совпадающий с направлением неровностей контртела, образовалось пятно, имеющее
среднестатистическую площадь 2375 мм2;
- при контакте с наклонный тип направлений неровностей (45°) площадь пятна оказалась в среднем равна 2054 мм2;
- перекрещивающийся тип направлений неровностей (45°) дает пятно контакта площадью 1832 мм2;
- параллельный тип направлений неровностей -1762 мм2.
Обозначив площадь слоя жидкости через Б, и отнеся к минимальной площади, получим:
Б1 : Б2 : Бз : Б4 = 2375 : 2054 : 1832 : 1762 = 1,3 : 1,16 : 1,04 : 1,00
Учитывая, что объем жидкости (масла), нанесенного на поверхность контртела, во всех сериях опытов был постоянным, можно сделать вывод, что толщина [1] жидкого слоя в зоне контакта тем больше, чем меньше площадь, занимаемая каплей. Это следует учитывать при назначении режимов маркирования.
Заключение
1. Моделирование шероховатости поверхности под маркирование на детали с диэлектрическим покрытием, позволяет рассчитать емкость карманов под жидкость и установить возможность выполнения операций с получением качественной информации.
2. Образование на поверхности с диэлектрическим покрытием перекрещивающегося типа направлений микронеровностей, создают наиболее благоприятные условия для удержания жидкости и нанесения маркировочных знаков.
Литература
1. Смоленцев В.П. Электрохимическое
маркирование деталей / В.П. Смоленцев, ГП.Смоленцев, З.Б. Садыков. М: Машиностроение, 1983. -72 с.
2. Смоленцев В. П. Влияние электрохимического маркирования на циклическую стойкость деталей / В. П. Смоленцев, А. А. Козлов // Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии: сборник научных трудов международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры технологии машиностроения ЛГТУ, 17-19 мая 2012г. / под общ. ред. проф. А.М. Козлова. - Ч.1. - Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012.
- С.300-307
3. Новая технология получения микрорельефа повышенной маслоемкости / Андреев В.И., Деревянко, В.И., Беда Н.И. и др. // Сталь. 1979. № 10. - С. 780-781.
4. Косов М. Г. Моделирование контактной жесткости деталей с учетом рельефа шероховатости их поверхности / М.Г. Косов, А.А. Корзаков // СТИН. - 2003. - № 12. - С. 23-25
5. Козлов А. М. Моделирование контакта
шлифованных поверхностей с учетом кинематики их обработки / А.М. Козлов, В.В. Ефремов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив: сб. статей междунар. науч.-практ. конф.. Волжский, 2001. - С. 281-284
6. Смоленцев В. П. Комбинированная обработка
переходных участков деталей машин / В. П. Смоленцев, А. И. Болдырев, А. В. Мандрыкин // Вестник
Воронежского государственного технического
университета. 2012. Т. 8. № 11. С. 47 - 50.
Воронежский государственный технический университет Липецкий государственный технический университет
«Воронежский механический завод» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»
PREPARATION OF PARTS SURFACE WITH DIELECTRIC COATING FOR ELECTROCHEMICAL MARKING
A.A. Kozlov, V.P. Smolentsev, A.M. Kozlov, B.I. Omigov
The article covers matter of preparation of part surface for marking of information collection. Ability of usage rheological fluid as an operating environment, which appeared to be effective for fulfillment of working operation of parts marking with dielectric coating, where it is possible to get qualitative marks without covering failure is shown. Information concerning influence of micro surface topography on formation of the information collection
Key words: surface, dielectric coating, electrochemical marking, topography
