CC BY
21Проблемы маркирования и клеймения продукции машиностроения
Глебов В. В. [email protected])
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса
В современных интеграционных рыночных условиях требовании к маркированию продукции и отдельных деталей машиностроения постоянно ужесточаются. Международные стандарты систем управления качеством ISO 9001:2000 и ISO 9001:2001 и постановления Госстандарта России требуют обязательной идентификация каждого изделия, проходящего технологический цикл и осуществления маркирования способами, обеспечивающими четкое изображение этого знака, его стойкость к внешним воздействующим факторам, а также долговечность в течение установленного срока службы или годности продукции. Отсутствие такой информации приводит к дополнительным затратам времени и средств для повторного установления необходимой информации, и может привести к выходу из строя изделий и оборудования из-за неправильного режима их эксплуатации в процессе работы, а также при наладке, проведении технического обслуживания и ремонте изделия.
На предприятиях машиностроения и металлообработки применяют различные способы для нанесения надписей и маркировок на металл, в том числе специальные краски, стальные ударные керны и литеры, травильные карандаши. Более сложные надписи и высококачественные гравировки на поверхности металлов позволяют делать лазерные, электроэрозионные и электрохимические установки. 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 фазово-структурных изменений в металле. 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.
Кроме непосредственного маркирования изделий установки и методы ЭХМ позволяют решать различные задачи, обеспечивающие заданное удаление или приращение объёма материала заготовки и применяются для изготовления рельефных шкал, таблиц, фирменных знаков, для получения на металле сложных изображений со значительной глубиной травления, в частности, для сложноконтурных вырезов и получения отверстий сложного профиля.
В соответствии с общепринятой в научно-технической и справочной литературе терминологией, под ЭХМ подразумевается разновидность электрохимической обработки (ЭХО), при которой на обрабатываемую поверхность наносятся знаки и изображения. Исходя из этого, по нашему мнению, можно выделить следующие типичные операции, выполняемые методами ЭХМ:
• маркирование и клеймение непосредственно на деталях и изделиях;
• маркирование микро- и наносистем анодным травлением методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) [1];
• изготовление фирменных табличек, бирок и т. д.;
• изготовление плат печатного монтажа [2];
• изготовление печатных форм и высокоточных металлорельефов;
• изготовление различной декоративной продукции, фурнитуры, значков;
• полупроводниковый электролитический метод получения фотографий [3].
Для мелкого анодного гравирования, которое осуществляется в непроточном
электролите (методом смачивания) наибольшее распространение получил метод ЭХМ через трафарет. Технология изготовления современных трафаретов позволяет отчасти решить проблему необработанных островков, замкнутых кругов за счёт наклеивания таких элементов (например, цифры 8, 0) на сетку. Но это приводит к увеличению толщины межэлектродного зазора (МЭЗ), кроме того, такие ажурные трафареты из-за малой жёсткости нельзя применять для глубокого травления поверхностей, в условиях повышенного гидродинамического воздействия на электроды. Изготовление трафаретов для каждого вида наносимой информации, с учётом низкого ресурса их эксплуатации, требует дополнительных высококвалифицированных производственных затрат художников и лекальщиков. Это существенно ограничивает применение этой технологии для нанесения сложной и часто меняющейся информации, например при изготовлении печатных плат, нанесении рисунков.
С точки зрения приемлемости процесса ЭХМ форма и геометрия МЭЗ должна обеспечивать максимально возможный доступ электролита во 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. Если размеры и вид необходимой для нанесения информации позволяет представить её в растровом виде с числом элементов порядка 10 - 100, то на практике применяются растровые (секционные) электрод-инструменты (ЭИ). 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 знака. 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 [4]. 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). 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. В качестве электролита использовался 10% водный раствор или 15 % раствор №№03, 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 равного 30-50 А/см2. Максимальный рабочий ток через одну секцию составлял 40 мА. Время обработки при мелком ЭХМ составляло от 3 до 5 секунд, а при глубоком - до одной минуты. Разработанный ЭИ позволяет одновременно наносить до 6 знаков. 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.
Технологические возможности разработанной установки кроме непосредственного маркирования на деталях позволяет расширить возможности электрохимических методов изготовления специальных фирменных табличек и бирок, и других металлорельефов [5].
Литература.
1. Быков В. А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии // Микросистемная техника. - 2000. - № 1. - С.21-33.
2. Глебов В.В. Экологические проблемы производства плат печатного монтажа и металлорельефов //Экология, технология и оборудование: В 2-х ч. Ч II: Сб. науч. трудов. - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2003. - С.17-19
3. Кукоз Ф.И., Глебов В.В., Кирсанов С.В., Коноваленко В.В. Метод получения фотографического изображения с использованием полупроводникового электрода // Электрохимия. - 1996. - Т.32. - С.1144-1145.
4. Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П., Садыков З.Б. Электрохимическое маркирование деталей. - М.: Машиностроение, 1983. - 72 с.
5. Кукоз Ф.И., Кирсанов С.В., Глебов В.В. О возможности усиления плотности технологического тока в фотоактивном электроде-инструменте // Электронная обработка материалов. - 2000. - № 4 (204). - С.4-7.
