УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ С ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
DEVICE FOR EVALUATION OF RESIDUAL STRESS IN PARTS WITH ELECTRO-CONDUCTIVE COATING

Изобретение относится к машиностроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано при определении физико-механического состояния материала образцов как с электропроводными покрытиями, так и без электропроводных покрытий, в частности остаточных напряжений при травлении образцов.
Известны устройство контроля остаточных напряжений в поверхностно-упрочненных слоях металла (SU 1450592 А1, 10.05.1997), использующее вихретоковый преобразователь (метод), устройство для измерения остаточных напряжений в деталях конструкций (RU 2207531 С2, 27.06.2003), использующее тензометрический прибор (метод), метод и устройство для определения остаточных напряжений в материале путем регистрации изменений сопротивления чувствительной катушки (ЕР 545835 А1, 09.06.1993).
Недостатком указанных устройств является то, что с их помощью нельзя контролировать и измерять распределение остаточных напряжений по глубине залегания в деталях с электропроводными покрытиями как в основном материале, так и в покрытии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является «Способ определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями и устройство для его осуществления» (RU 2340867 С2, 08.11.2006), заключающийся в том, что с образца детали электрохимическим поэтапным травлением в водном электролите, унифицированном для травления сталей и сплавов на основе алюминия, никеля и титана и их электропроводных покрытий при поддержании постоянства потенциала поверхности для деталей на основе железа или сплавов на основе алюминия и никеля с электропроводными покрытиями в области значений 2,0…2,6 В, а для титановых сплавов - в области значений 5,0…6,0 В удаляют исследуемые слои, определяют глубину залегания исследуемых слоев, попутно регистрируют изменения деформации образца и рассчитывают остаточные напряжения с изменением глубины исследуемых слоев, учитывая скачки деформации при включении и выключении тока. Устройство для осуществления способа, содержащее трехэлектродную электролитическую ванну с катодом, электродом сравнения и горизонтально расположенным образцом в держателе в качестве анода, источник тока, подключенный к катоду и образцу, и связанные между собой датчик деформации образца и преобразователь деформации, снабженное стойкой инструментальной с приводом держателя образца и компьютером, где в качестве источника тока используют потенциостат с обратной связью, обеспечивающий поддержание заданного потенциала, при этом компьютер подключен к преобразователю деформации и источнику тока, а через источник тока - к электроду сравнения и к приводу держателя образца.
Недостатком указанного устройства является то, что для определения распределения остаточных напряжений по глубине требуется образец призматической или близкой к призматической формы, т.к. образец, имеющий сложную профильную поверхность (кольцо, эвольвентный профиль, профиль паза типа «ласточкин хвост», замок типа «елка» и т.п.), невозможно расположить горизонтально, а также то, что в деталях, имеющих низкий уровень остаточных напряжений (не более ±200 МПа) и, следовательно, малые деформации, требуется большая длина исследуемой поверхности около 40...60 мм для регистрации датчиком деформаций, что зачастую превышает размеры исследуемой детали, при этом датчик деформации образца находится в непосредственной близости от электролита под воздействием агрессивных паров, что значительно сокращает срок его работы. Кроме того, описанное устройство требует строго ровных горизонтальных поверхностей для установки, т.к. работа с агрессивным электролитом на наклонных или неровных поверхностях опасна.
Техническим результатом данного изобретения является расширение возможностей определения остаточных напряжений для деталей, имеющих профильную поверхность (кольцо, эвольвентный профиль, профиль паза типа «ласточкин хвост», замок типа «елка» и т.п.), из которых исследуются образцы непризматического сложного вида и миниатюрных деталей (как с покрытиями, так и без них) длиной более 8 мм, повышение точности, правильности и безопасности процесса контроля распределения остаточных напряжений по глубине детали в покрытии и основе, и, как следствие, повышение надежности и долговечности деталей при изготовлении, упрочнении и нанесении электропроводных покрытий.
Указанный технический результат осуществляется тем, что устройство для определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями, содержащее трехэлектродную электролитическую ванну с катодом, электродом сравнения и горизонтально расположенным образцом в держателе в качестве анода, источник тока, подключенный к катоду и образцу, и связанные между собой датчик деформации образца и преобразователь деформации, снабженное стойкой инструментальной с приводом держателя образца и компьютером, где в качестве источника тока используют потенциостат с обратной связью, обеспечивающий поддержание заданного потенциала, при этом компьютер подключен к преобразователю деформации и источнику тока, а через источник тока - к электроду сравнения и к приводу держателя образца, имеет узел углового перемещения, механический привод горизонтального перемещения и удлинитель образца, микрометрический привод вертикального перемещения, увеличитель и контактную сферу датчика деформации, а также пузырьковый уровень и регулируемое основание стойки инструментальной, выполненное из неметаллического материала устойчивого к действию электролита.
Узел углового перемещения образца позволяет исследовать образец, имеющий сложную профильную поверхность (кольцо, эвольвентный профиль, профиль паза типа «ласточкин хвост», замок типа «елка» и т.п.), выставляя его в положении, когда нормаль к поверхности травления в начале участка травления вертикальна, что соответствует горизонтальному расположению призматического образца.
Механический привод горизонтального перемещения образца позволяет исследовать образцы различной длины 8…150 мм и фиксировать заданное пространственное расположение исследуемого образца, приводя его в контакт с датчиком деформации.
Удлинитель образца предназначен для исследования миниатюрного образца, имеющего малые деформации при травлении для повышения чувствительности датчика деформации. Кроме того, для тонких образцов толщиной 0,8…1,8 мм используется датчик деформации, имеющий малое измерительное усилие - до 0,50 Н.
Микрометрический привод вертикального перемещения датчика деформации предназначен для плавного нагружения образца измерительным усилием датчика деформации и точного выставления начала отсчета деформации по шкале прибора.
Увеличитель предназначен для удаления датчика деформации от агрессивной среды и продления срока его службы по показателям точности измерения.
Контактная сфера предназначена для осуществления точечного контакта с поверхностью датчика деформации независимо от угла наклона исследуемого образца.
Пузырьковый уровень предназначен для контроля горизонтальной плоскости и, как следствие, вертикального расположения датчика деформации, что повышает точность определения остаточных напряжений.
Регулируемое основание стойки инструментальной позволяет выставлять горизонтальную плоскость на наклонных и неровных поверхностях для повышения точности определения остаточных напряжений и безопасной работы с агрессивным электролитом.
Исполнение основания стойки инструментальной из неметаллического материала, устойчивого к действию электролита, обеспечивает сохранность ровной поверхности, где располагается травильная ванна, что ведет к повышению безопасности обслуживания и продлению срока службы.
Техническое решение поясняется фигурами, где:
на фиг.1 схематически изображено устройство для осуществления способа определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями и без них;
на фиг.2 - стойка инструментальная;
т
на фиг.3 - пример закрепления образца призматической и сложной формы, где L - длина исследуемого участка травления.
Устройство (фиг.1) содержит управляющий травлением компьютер 1, источник тока 2 - потенциостат с высокоскоростной обратной связью, работающий по трехэлектродной схеме и обеспечивающий поддержание заданного потенциала с погрешностью не более ±0,1%, с диапазоном задания напряжения +10,0÷1,0 В, преобразователь деформации 3 с обратной связью и стойку инструментальную 4. Стойка инструментальная (фиг.2) содержит регулируемое опорами 5 основание 6 с пузырьковым уровнем 7, травильную ванну 8 с электродами 9 и 10, несущий вал 11 с электродвигателем 12 и кареткой 13, на которой установлены привод микрометрической подачи 14 с датчиком деформации 15 и винт горизонтального перемещения 16, на котором установлен узел углового перемещения 17, где располагается исследуемый образец 18, закрепленный в токопроводящий держатель 19, удлинитель 20, увеличитель 21 с контактной сферой 22.
Устройство работает следующим образом. К управляющему травлением компьютеру 1 подключают источник тока 2 и преобразователь деформации 3. Стойку инструментальную 4 подключают к источнику тока 2. Датчик деформации 15 подключают к преобразователю деформации 3 и закрепляют в приводе микрометрической подачи 14, установленном на каретке 13, которая закреплена на несущем валу 11 стойки инструментальной 4. Стойку инструментальную 4 устанавливают в вытяжном шкафу и с помощью регулируемых опор 5 выравнивают основание 6 в горизонтальной плоскости, используя пузырьковый уровень 7. Исследуемый образец 18 закрепляется в токопроводящий держатель 19 и удлинитель 20, все, кроме исследуемой поверхности образца, покрывается защитным слоем воска. Увеличитель 21 устанавливают на свободный конец удлинителя 20, закрепляя его слоем воска, и устанавливают контактную сферу 22, также закрепляя ее воском. Держатель 19 закрепляют в узел углового перемещения 17 и фиксируют в положении, когда нормаль к поверхности травления в начале участка травления вертикальна и параллельна штоку датчика деформации 15 (фиг.3). Винтом горизонтального перемещения 16 перемещают образец в горизонтальном положении и подводят контактную сферу 22 под датчик деформации 15, перемещают датчик деформации 15 в вертикальном направлении приводом микрометрической подачи 14, выставляя его в среднее положение шкалы преобразователя деформации 3. На основание 6 устанавливают травильную ванну 8 с электродами 9 и 10, подключают электроды к источнику тока 2 и заполняют травильную ванну 8 электролитом. Запускают процесс определения остаточных напряжений управляющим травлением компьютером 1. Управляющий травлением компьютер 1 подает команду через источник тока 2 на электродвигатель 12, который, вращая несущий вал 11, опускает каретку 13 таким образом, чтобы контактная сфера 22 и датчик деформации 15 не имели контакта с электролитом, а образец 18 погрузился в электролит всей исследуемой поверхностью. Управляющий травлением компьютер 1, включая и выключая ток травления по заданной программе, регистрирует время, ток, потенциал и деформацию поверхности травления, а также текущую глубину травления (глубину залегания остаточных напряжений), рассчитывая ее по количеству пропущенного электричества, не реже 1 с. Процесс травления завершается автоматически по окончании заданной программы, Управляющий травлением компьютер 1 подает команду через источник тока 2 на электродвигатель 12, который, вращая несущий вал 11, поднимает каретку 13, извлекая образец 18 из электролита. После завершения процесса травления программно производят расчет остаточных напряжений.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет исследовать остаточные напряжения в деталях, имеющих сложную профильную поверхность (кольцо, эвольвентный профиль, профиль паза типа «ласточкин хвост», замок типа «елка» и т.п.) как с покрытиями, так и без них с максимальными размерами 8…150 мм, расширяя таким образом возможности определения остаточных напряжений, повышает точность и правильность процесса контроля распределения остаточных напряжений по глубине детали в покрытии и основе, обеспечивает безопасность контроля и, как следствие, приводит к повышению надежности и долговечности деталей при изготовлении, упрочнении и нанесении электропроводных покрытий.