Аналіз умов капілярного переносу й адгезії пентафталієвої емалі на механічно оброблені поверхні характерних конструкційних матеріалів та синтез рекомендацій до виготовлення інструменту для фарбування гравійованих символів у малосерійному приладобудуванні

Размещено на http://www.allbest.ru

Український науково- дослідний інститут спеціальної техніки та судових експертиз Служби безпеки України

Аналіз умов капілярного переносу й адгезії пентафталієвої емалі на механічно оброблені поверхні характерних конструкційних матеріалів та синтез рекомендацій до виготовлення інструменту для фарбування гравійованих символів у малосерійному приладобудуванні

Несін В.В.

Вступ

Результати наукових досліджень в галузі приладобудування реалізуються послідовно в моделі, зразку і зрештою в дослідній партій. За позитивних результатів експериментів реалізується випуск малої серії розроблених виробів. Затребуваність виробу на ринку може спонукати до впровадження у виробництво великих партій розробленої продукції [1].

Великі партії виробів передбачають деталізацію технологічного процесу виробництва, застосування спеціального і спеціалізованого оснащення, широку автоматизацію виробництва. Для великих партій характерне використання спеціальних матеріалів.

Але на етапі експериментальної перевірки наукових результатів на моделях і зразках та подальшого виготовлення дослідної партії, виробництво характеризується застосування маршруту операцій замість детального технологічного процесу. Обладнання та процеси мають універсальний характер експлуатації та виробництва. Спеціальне технологічне оснащення застосовується лише за крайньої потреби. Застосовувані матеріали мають обмежену номенклатуру з широкими можливостями до різнопланової обробки та виконуваних деталями функцій.

Характерні конструкційні матеріали, відповідаючи більшості заявленим до виготовлених з них деталей та вузлів вимог, не можуть бути занадто універсальними. Зокрема на корпусах приладів виконуються символи для заміни написів. На відміну від крупносерійного виробництва, де можна використали пластикове чи металеве литво, заклавши у форми рельєфне виділення символів на поверхні матеріалу корпусу, або передбачити фарбування з нанесенням окремих зображень потрібних символів, в малосерійному виробництві маркування доводиться реалізовувати за допомогою лазерних технологій або гравіювання.

Для якісного сприйняття символів для заміни написів постає потреба контрастного їх виділення на поверхні. Багатопланові можливості для захисту і фарбування поверхонь притаманні пентафталієвим емалям. Особливостям взаємодії емалей з характерними конструкційними матеріалами, особливостям переносу фарбувальної рідини та розробці інструменту для покриття гравійованих символів проведене автором це дослідження. капілярний адгезія напис конструкційний

Виклад основного матеріалу

Характерними конструкційними матеріалами, які застосовуються в експериментальному виробництві для виготовлення корпусних деталей [1] є низьковуглецева, вуглецева, низьколегована та легована сталь, алюмінієві сплави, мідь, латуні, бронзи, різноманітні пластмаси, текстоліт, дерево. Мають різну здатність до механічної обробки. Кожен матеріал по різному взаємодіє з пентафталієвими емалями.

Маловуглецеві сталі мають достатню спроможність гнутися, формуватися механічною та слюсарною обробкою. Здатні до зварювання. Виготовлення корпусів виробів можливе. Гарно покриваються ґрунтовками, емалями, порошковими поліефірними фарбами для захисту і надання потрібного кольору. Піддаються гальванічній обробці. Найуживаніша - Ст. 3 та аналогічні.

Вуглецеві сталі, на відміну від маловуглецевих, мають погану або обмежену здатність до зварювання. Піддаються термічній обробці для збільшення міцності. Можуть мати особливі властивості, такі, як збільшена пружність та твердість. В залежності від стану можуть мати обмежену здатність до згинання. В якості корпусних виробів майже не застосовуються. Механічній обробці піддаються. До цих матеріалів застосовуються різного виду гальванічні та полімерні покриття. Фарбування емалями можливе але застосовується рідко. Часто уживані матеріали цієї групи сталь 45, сталь 60.

Малолеговані середньо вуглецеві та вуглецеві сталі схожі за властивостями до відповідних нелегованих сталей, але мають покращенні властивості. Можуть піддаватися термообробці. Гарно покриваються гальванічною обробкою, та полімерними порошковими матеріалами. Емалями частіше не покриваються. Для прикладу сталі 40Х, 65Г, 95Г.

Леговані та високолеговані сталі в експериментальному виробництві застосовуються обмеженої номенклатури. Найчастіше це 12Х18Н10Т. Має антикорозійні властивості. Потребує спеціальних інструментів та умов змащення для механічної обробки. Покриття емалями не передбачається.

Алюмінієві сплави дуже різні за властивостями. Механічно обробляються добре. Здатність до згинання та зварювання залежить від складу. Покриття емалями поверхонь деталей не передбачається.

Мідь у виготовленні корпусів майже не застосовується. Латунні та бронзові корпуси застосовуються часто. Покриття емалями поверхонь деталей з таких матеріалів не передбачається через погану адгезію.

Пластмаси, чимдалі більше й частіше, застосовуються в якості корпусів. Покриття емалями не передбачається. Причина аналогічна до властивостей мідних сплавів.

Текстоліт і дерево мають гарну здатність до механічної обробки. Корпуси з таких матеріалів у приладобудуванні іноді застосовуються. Покриття емалями для таких матеріалів можливе за потреби.

Гравіювання застосовується у виробах різноманітного призначення. Основним напрямком використання є приладобудування. Нанесення написів та символів для заміни написів [2] здійснюється на етапі виготовлення макетів, зразків та дослідних партій виробів у експериментальному виробництві нової техніки. Серійне та крупносерійне виробництво для спрощення виробництва характеризується заміною механічного гравіювання маркуванням іншого виду. Але на етапі практичної перевірки можливостей розробленої техніки гравіювання написів і окремих символів з подальшим втиранням фарби залишається актуальним для експериментального та малосерійного виробництв [3].

Явище зміни висоти рівня рідини в тонких капілярах [4] пов'язане з різною здатністю до змочування поверхонь.

Рис. 1. Приклад різних за розмірами та адгезією матеріалів капілярів

Рідина в капілярах піднімається або опускається відносно основного рівня цієї рідини на висоту чи глибину на стільки, що вага піднятої чи витисненої рідини врівноважує силу поверхневого натягу, який створює капілярний тиск в системі рідина-капіляр.

Висота піднятого чи витісненого рівня пропорційна коефіцієнту поверхневого натягу рідини, та двом косинусам кута змочування рідиною стінок. Обернено пропорційною ця висота буде до густини рідини, що змочує поверхню, прискоренню вільного падіння та радіусу капіляра.

За рівних умов щодо густини рідини та матеріалу капіляра, висота рідини, що змочує або глибина витискання рідини, що не змочує капіляр, буде збільшуватися при зменшенні радіусу капіляра.

Застосовувані до втирання в гравійовані символи фарбувальні рідини і, зокрема, пентафталієві емалі, мають гарну здатність до змочування більшості поверхонь. Фарбування поверхонь з кольорових металів та сплавів емалями не практикується через мале (проте не від'ємне і не нульове) їх змочування.

Гравіювання здійснюється конічним різцем, який утворює на поверхні конічні протяжні заглиблення. Для пояснення фізичного процесу втирання емалі спростимо гравіювання від складного за формою символу до окремої крапки. Така крапка матиме форму конічного заглиблення, що зменшується в діаметрі від поверхні до нуля на певній кінцевій глибині (Рис.2.).

Рис. 2. Послідовність втирання фарби в гравіювання

Втираючи емаль в гравіювання, отримуємо заповнений фарбою об'єм, обмежений з боків конічною поверхнею заглиблення, зверху увігнуту поверхню меніска розміром, що прямує до діаметру поверхневої «крапки» та нижню поверхню з увігнутим меніском діаметром, що прямує до нуля. Верхній меніск та сила поверхневого натягу створюють силу, яка витягуватиме краплю рідини з гравіювання, а внутрішній меніск утримуватиме ту саму порцію рідини в конічному заглибленні. Сила поверхневого натягу рідини зверху та знизу однакові, але нижній меніск з радіусом, що прямує до нуля, утримуватиме емаль в гравійованій формі.

Отже адгезійна фіксація емалі в гравіюванні дозволяє надійно утримувати порцію контрастної за кольором фарби в символах виконаних конічним інструментом навіть в матеріалах з поганим змочуванням. Головною умовою для фарбувальної рідини і гравійованого матеріалу стає наявність змочування зі значенням відмінним від нуля [4].

Фарбувальна рідина повинна ефективно змочувати поверхні в рідкому стані (Рис. 3.). Капілярні властивості дозволяють, перемагаючи силу тяжіння, переміщувати її інструментом та наносити на визначені ділянки поверхні виробу. Нанесення відбувається, також, за допомогою капілярних сил, які знімають рідину з інструменту внаслідок змочування нових поверхневих ділянок, реалізуючи навий баланс внутрішніх сил рідини і сил її поверхневого натягу.

Рис. 3. Схеми дії поверхневих сил в рідинах

І - форма краплі під дією сил поверхневого натягу о; ІІ - крапля рідини, що не змочує поверхню; ІІІ - рідина, що змочує поверхню

Для переносу достатньої кількості рідкої пентафталієвої емалі використовуються інструменти здатні накопичити деяку її кількість та позбавитись за певних умов (Рис. 4.).

Рис. 4. Ідеалізована схема внесення фарби в гравійовані символи

1 - інструмент (шпатель); 2 - фарба; 3 - переріз твірної символу

Прикладами-аналогами таких інструментів (Рис. 5.) є: підготовлене гусяче перо, відоме з VII століття; металеві пера, введені у використання з початку XIX століття; пензлі та шпателі. Форма інструментів для перенесення рідини передбачає наявність поверхні, яку змочує фарбувальна рідина при зануренні в неї інструменту. Капілярні сили утримують рідину на зазначених поверхнях в процесі переносу. Фарбування нових поверхонь стає можливим коли інструмент торкається нових ділянок. Рідина при цьому отримує нові поверхні для змочування і перетікає на них. Відбувається перерозподіл рідини між інструментом і виробом.

Рис. 5. Схеми інструментів для переносу фарбувальної рідини з підвищеною поверхнею змочування (1 - гусяче перо; 2 - металеве перо; 3 - пензель)

Найпростішим інструментом для переносу дозованої кількості рідини є шпатель. Закріплення рідини відбувається на його зовнішній поверхні (частина 1 Рис. 6.). Для локального нанесення фарби зручно використовувати тонкі дерев'яні шпателі виготовлені з сірників або зубочисток. Природна структура дерева має дрібно капілярну будову і добре змочується фарбувальної рідиною. Такі шпателі характеризуються конічною поверхнею (К на частині 2 Рис. 6.), яка занурюється в рідину. Конус дозволяє рідині переміщуючись по шпателю розтікатися по поверхні, що збільшується в межах конусу (S на частині 2 Рис. 6.). Збільшується, також, і капілярна сила (Fk на частині 3 Рис. 6.), яка дозволяє рідині розміститися на інструменті. Накопичення рідини відбувається до моменту, коли сила тяжіння (Ft на частині 3 Рис. 6.) компенсує капілярну силу. Такий стан насичення не дозволяє більшій кількості рідини утримуватись на поверхні інструменту. Зважаючи на те, що сила поверхневого натягу фарби намагається краплі надати округлу форму (частина І на Рис. 5.), а капілярні сили переміщують її в напрямку збільшеної площі поверхні, відбувається зміщення рідини від тонкого торця шпателя.

Рис. 6. Схема застосування дерев'яного шпателя з конічною частиною

Для вирішення проблеми доступності фарбувальної рідини для нанесення її на виріб, потрібна така форма інструменту, що забезпечить безпосередній контакт виробу та фарби при технологічних маніпуляціях. Зокрема, бажано припинити розтікання набраної рідини по шпателю за межі конусу та повернути фарбувальну рідину до торця інструменту для спрощення маніпуляцій.

Конкретними кроками для реалізації контакту фарби з поверхнею виробу пропонується виконати обточку кінцевої частини інструменти, утворивши зворотній конус (К1 на Рис. 7). Така форма призведе до зменшення площини розтікання фарбувальної рідини S. Розтікання фарби по шпателю припиниться внаслідок зникнення умов для подальшого капілярного руху.

Рис. 7. Модель форми інструменту для нанесення емалі в поверхневі гравійовані символи

В межах двох конічних поверхонь К1 і К2 локалізується порція фарби на інструменті. Надлишок не утримуватиметься, а крапля рідини під дією сили тяжіння зміститься, повернувшись на поверхню контакту інструменту і виробу [5].

Подальша обробка інструменту полягає в заокругленні вершини конуса К2. Заокруглення бажано здійснити під радіус, який дорівнює середньому радіусу конуса (Рис. 8). Заокруглена форма замість гострої конічної сприяє рівномірному розподілу емалі по робочій поверхні. Вертикальне розташування інструмента робочою поверхнею донизу зміщує і порцію фарбувальної рідини донизу, покращуючи нанесення емалі. Така обробка допоможе зменшити потреби в спеціальних маніпуляціях в процесі нанесення емалі в гравійовані символи.

Рис. 8. Розроблена заокруглені форма робочої поверхні шпателя зі зворотнім конусом, що обмежує розтікання фарбувальної рідини

Висновки

Особливості форми заглиблень, що виникають внаслідок гравіювання дозволяють застосовувати пентафталієву емаль для контрастного виділення символів на поверхнях матеріалів, до яких вона має малу адгезію на рівній поверхні.

Вибір в якості шпателя неметалевого малогабаритного стрижня, зокрема дерев'яного, ґрунтується на доступності, дешевизні, гарній здатності до обробки. Мала твердість дерева порівняно з характерними матеріалами виробів приладобудування, забезпечує збереження поверхонь виробів від руйнування, шкрябання та зминання в процесі втирання емалі.

Розроблений інструмент зі «зворотнім конусом» дозволяє порціями переносити емаль в гравіювання. Об'єм порції визначається габаритами наконечника розробленого шпателя, густиною емалі та силою поверхневого натягу. Визначальними, за інших рівноважних умов, є габарити наконечника інструмента.

Список використаних джерел

Каглинський О.Є., Шевченко Т.О., Несін В.В. Аналіз методів обробки та синтез рекомендацій по застосуванню технологій малосерійного виготовлення негабаритних корпусів приладів. Приладобудування: стан і перспективи: збірник тез доповідей XVIII Міжнародної науково-технічної конференції, 15-16 травня 2019 р. Київ: ПБФ, КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019 р. С.62-63.

ДСТУ ISO 7000:2004 Графічні символи, що їх використовують на устаткуванні. Покажчик та огляд. (ISO 7000:2004, IDT). - К.: Держспоживстандарт України. 2006.

Білевська О.С., Лазебний В.М., Несін В.В., Озерчук І.М. Забезпечення якості механічного виконання стандартних символів у приладобудуванні Метрологія, інформаційно- вимірювальні технології та системи: тези доповідей VH Міжнародної науково-практичної конференції. Харків, 2020. С.6.

Несін В.В. Аналіз капілярних умов та синтез рекомендацій по застосуванню пар матеріалів з позитивною адгезією для контрастування механічного гравіювання на поверхнях виробів. Актуальність та особливості наукових досліджень в умовах воєнного стану: збірник матеріалів Ш Міжнародної науково-практичної інтернет-конференції з нагоди відзначення Дня науки-2023 в Україні, 23 травня 2023 р. Київ, ДНДІ МВС України. С. 487-488.

Несін В.В., Дьячкова Л.Д., Бойко О.Ф. Розробка інструмента для локального нанесення індикаційних позначок на панелях спеціальної техніки. Збірник Українського науково-дослідного інституту спеціальної техніки та судових експертиз Служби безпеки України. 2021. № 1. С 134-141.

Размещено на Allbest.ru