Учебное пособие 800497

Таблица 2

Соотношение между полями допусков предпочтительного применения и параметрами шероховатости поверхности

140

Применительно к задаче обеспечения технологичности конструкции детали наибольший интерес представляет определение относительного уровня скоростей резания, при котором целесообразно производить обработку данного материала, а также возможность получения требуемой шероховатости обработанных поверхностей на отделочных операциях. При проектировании изделий следует учитывать, что обрабатываемость сталей зависит от их состава и исходной структуры. Так, чем больше в стали содержится свободного феррита, тем больше будет высота микронеровностей при обработке резанием. Для деталей, имеющих сложные фасонные поверхности необходимо также учитывать и силы, затрачиваемые при обработке резанием. Это определяет степень деформации, как изделия, так и инструмента. Для деталей, подвергаемых обработке на станках-автоматах, важными критериями обрабатываемости являются характер и форма образующейся стружки.

В зависимости от используемых средств различают инженер- но-визуальные и инженерно-расчетные методы оценки ТКИ, которые представляют в виде качественной и количественной характеристики.

Литература

1.Технологичность конструкции изделий. Термины и определения. ГОСТ 14.205-83. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. – 9 с.

2.Единая система конструкторской документации. Виды изделий. ГОСТ 2.101-68. – М.: Стандартинформ, 2007. – 3 с.

Воронежский государственный технический университет

141

УДК 621.9

А.И. Болдырев, А.А. Болдырев, С.Ю. Грачев

ГРАВИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: методы гравировки, лазерное гравирование, технологические рекомендации

В статье рассмотрены основные методы нанесения информации и гравирования изделий из различных материалов, раскрыты особенности гравирования с помощью газовых и твердотельных лазеров, на основе экспериментальных исследований, проведенных на оборудовании компании «Лазер Арт», сформулированы рекомендации по выбору режимов для обработки лазером изделий из различных материалов

Гравировка (гравирование) – это нанесение рисунка, надписи, орнамента, маркировки, штрих-, QR-кода или другой графической информации на поверхности металла, камня, дерева, стекла, пластика. При этом рисунок может быть выпуклым (рельефным) или углубленным, изображение задается в векторной или растровой форме.

Несмотря на то, что гравировка является одним из древнейших способов обработки материалов, на сегодняшний день задача нанесения различных типов информации является все более актуальной не только для ювелирных, сувенирных и художественных изделий, но и в машиностроительном производстве в целом. Интересы производства приводят к разработке новых методов обработки и совершенствованию имеющихся, однако, на сегодняшний день отсутствует единая система выбора режимов обработки для различных материалов, технологические рекомендации могут быть получены только эмпирическим путем.

Среди критериев, по которым можно классифицировать методы гравирования, основным является тип воздействия, удаляющего материал или меняющего его структуру. Основные методы гравировки относятся к одной из следующих групп: механическое воздействие, химическое, обработка концентрированным потоком энергии, комбинированные методы.

Механическая гравировка изделий резанием или ударным способом может производиться вручную с помощью чеканки или зубила

142

испециальных резцов (штихелей). Это довольно сложный и трудоемкий процесс с повышенными требованиями к художественным способностям исполнителя, кроме того ошибки при таком способе гравирования почти не исправимы. Вышеперечисленные недостатки сужают сферу применения методов до единичного производства и творческих художественных работ.

Станочная механическая гравировка помимо автоматизации и механизации описанных выше методов включает также гравировку фрезами и абразивным воздействием (например, пескоструйная гравировка). Наиболее прогрессивными, на сегодня, являются фрезерная гравировка по программе на станке с ЧПУ и ударная гравировка растровым способом (инструментом служит наборная комбинация игл), которые значительно снижают трудоемкость процесса, позволяют автоматически повторять одинаковые изображения и производить простую переналадку на новые.

Химическая гравировка, как правило, осуществляется через удаление материала с заготовки гальваническим травлением или электрохимическим растворением [1]. На участки поверхности, не подлежащие обработке, наносится защитное покрытие или используется трафарет. Для электрохимического метода могут также использоваться схемы с применением фасонного инструмента (в виде наносимого символа) или с обработкой на станке с ЧПУ по программе. Схемы аналогичные обработке на электрохимических установках могут использоваться и для электроэрозионного гравирования [1]. При выборе метода и режимов обработки необходимо учитывать специфику гравируемого материала, особенности взаимодействия с агрессивными средами и электрическим полем, правильно выбирать рабочие среды. Иногда целесообразно использовать комбинированное воздействие [2, 3]. Стоимость оборудования зависит от сложности установки и ее технологических возможностей.

Лазерное гравирование позволяет не только выполнять малые

исредние заказы для товаров широкого потребления, но и решать задачи, стоящие перед современным машиностроительным производством. Метод обладает высокой скоростью и производительностью, позволяет нанести рисунок любой сложности, обеспечить тончайшие линии, мельчайшие знаки. Станки для лазерной гравировки

143

оснащены системами ЧПУ. Примеры лазерного гравирования на изделиях из различных материалов представлены на рис. 1.

В процессе лазерной гравировки под влиянием сфокусированного импульса излучения, происходит интенсивный нагревплавление, из-за чего на поверхности материала происходит изменение физико-химических свойств, снимается (выжигается) верхний слой, вследствие чего, возникает след (отпечаток) на участке воздействия луча. Глубина гравировки зависит от выбранной мощности лазерного станка, от физических свойств гравируемого материала и от количества проходов. К основным режимным параметрам относятся: мощность излучения, скорость движения головки и разрешающая способность (dpi).

Лазерная гравировка позволяет наносить изображения или надписи на изделия, не повредив его, так как в процессе не происходит механического и химического воздействия на материал, что позволяет обрабатывать даже очень хрупкие изделия. Лазерная гравировка очень устойчива к стиранию, поэтому она так же долговечна, как и сам материал на котором это изображение выгравировано. Сфокусированное до размера 10 мкм, лазерное излучение дает способность наносить гравировку с разрешением до 1000dpi. Гравировка цилиндрической поверхности осуществляется с помощью вращателя. Для гравировки по окружности цилиндрических предметов, применяют поворотную ось, благодаря которой обеспечивается постоянство фокусного расстояния. Для получения качественного изображения, важно равномерное воздействие на материал по всей его площади. Отклонение фокусного расстояния влияет на качество, появляются геометрические искажения наносимого изображения.

Все материалы, на которые воздействует лазерный луч можно условно разделить на 2 группы это металлы и неметаллы. В ходе экспериментального исследования гравирования различных материалов на газовом лазере Trotec Speedy 100 (рис. 2) сформулированы некоторые технологические рекомендации:

1. Гравировка пластика.

При толщине листа 0,5-1,5 мм во избежание перерезов обработка производится на «щадящих» режимах: примерно 30% мощности, скорость – примерно 70% от максимальной.

144

Для пластика толщиной более 3 мм устанавливается мощность около 50% на сравнительно небольшой скорости (30%). При увеличении мощности излучения возможны оплавления на углах траектории (особенно острых).

Рис. 2. Лазерный гравер Trotec Speedy 100: 1 – верхняя крышка; 2 – датчик автофокусировки; 3 – панель сервисного доступа;

4 – разъем для подключения поворотного устройства; 5 – фокусировочная головка; 6 – ось Х; 7 – линейка; 8 – рабочий стол; 9 – клавиатура; 10 – панель обслуживания; 11 – вентилятор; 12 – выпускной шланг; 13 – маркировка производителя; 14 – лазерная трубка;

15 – источник питания; 16 – разъем питания и предохранители; 17-19 – разъемы для соединительных кабелей

146

2. Стекло.

Гравирование производится при следующих параметрах: 3545% мощности и 30-40% скорости. Разрешающая способность установки должна быть выставлена на значение не более 500 dpi, иначе возможно возникновение микротрещин.

3. Оргстекло, ПЭТ, пластик-шенгвей.

Из-за очень сильного плавления и образования подтеков при нагревании гравируются и режутся на минимальной мощности. При этом скорость обработки также должна быть низкой, чтобы не допустить некачественного и неравномерного изображения.

4.Дерево, камень, кожа, ткань и другие специфические неметаллические материалы также подлежат обработке лазерным лучом, но требуют индивидуального подбора режимов обработки и обязательной проверки на образцах.

5.Гравировка на металле с пастой.

Для гравирования большинства металлов требуется высокая мощность излучения, недоступная для многих установок на основе газового лазера. Для получения изображения при недостаточной мощности используется гравировка с пастой, которая выполняется по следующей методике: металлическая поверхность покрывается специальным густым составом, паста наносится очень тонким слоем (лучше всего для этого использовать кисть) и только на чистую металлическую поверхность (без покрытий – красок, лаков, наклеек и пр.); после этого металлическая заготовка помещается в лазерный станок с ЧПУ; запускается процесс гравировки по заранее разработанной программе (естественно, размер гравируемого изображения должен не превышать покрытую пастой поверхность изделия). В местах «облучения» лазером паста каталитически способствует «выгоранию» очень тонкого слоя поверхности металла. В результате, после окончании обработки (и смыве остатков пасты) на металлической поверхности остаётся контрастный узор высокого качества.

При гравировке с использованием пасты отличные результаты получаются на заготовках из нержавеющей стали, титана, а также цветных металлов. Причём для обработки можно применять лазерные граверы с сравнительно невысокой мощностью лазерной трубки

(от 12 до 80 Вт).

147

Приблизительные параметры гравировки на станке Trotec Speedy 100: 80-90% мощности и 20-40% скорости.

Паста обычно наносится вручную, поэтому ее слой неравномерен по толщине, что вызывает необходимость увеличивать мощность гравера на 10-15%, чтобы избежать брака. При слишком низкой мощности или слишком высокой скорости обработки после удаления пасты на металле остается едва заметная прерывистая гравировка.

Аналогичным составом для лазерной гравировки на металлической поверхности является специальный спрей. Он действует подобно пасте, но отличается способом нанесения (распыление аэрозоля на заготовку может оказаться более удобным) и способом хранения (в баллонах под давлением), а также сравнительно небольшим сроком годности.

6. Гравировка металла твердотельным лазером.

Качественные изображения на металле без использования вспомогательных покрытий были получены при обработке на твердотельном лазере RMI UM-10, обладающем повышенной мощностью излучения. Полученные изображения отличаются увеличенной глубиной изображения и, как следствие, долговечностью. Режимы обработки подбирались под материал индивидуально, и кроме указанных выше параметров обработки учитывались дополнительные: частота следования импульсов, пульсация и др.

Литература

1.Теория электрических и физико-химических методов обработки. Обработка материалов с применением инструмента: учебное пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др.; под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 1. 248 с.

2.Теория электрических и физико-химических методов обработки. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и комбинированными методами: учебное пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др.; под ред. А.И. Болдырева. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 2. 136 с.

3.Комбинированные методы обработки: учебное пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А.В. Кузовкин, Г.П. Смоленцев,

148

А.И. Часовских; под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 1996. 168 с.

Воронежский государственный технический университет

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящий сборник научных трудов отражает результаты совместной научной работы профессорско-преподавательского состава кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО ВГТУ и ученых ФГУП «Воронежский механический завод». В сборнике опубликованы статьи ведущих специалистов базового промышленного предприятия по актуальным проблемам машиностроения, в том числе по проблемам разработки и реализации оригинальных технологий при изготовлении новых изделий.

Сборник подводит итоги научных исследований в области оригинальных и нетрадиционных технологий машиностроения и результатов их промышленного использования.

149