Эксплуатационные характеристики материалов после комбинированного маркирования

• представлены результаты экспериментальных работ по получению искусственной шероховатости (турбулизаторов) на поверхностях имитатора канала охлаждения;

• получены и исследованы основные закономерности изготовления искусственной шероховатости (турбулизаторов) в фрезерованных прямоугольных (трапецеидальных) каналах охлаждения методом ЭХО с неподвижным ЭИ.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности и целесообразности применения предлагаемого метода обработки для получения искусственной шероховатости в каналах охлаждения таких изделий, как камеры сгорания и сопла жидкостных ракетных двигателей и т. п., а также дают информацию для проектирования технологических процессов такой обработки.

Литература

1. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208 с.

2. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей: Учеб. для авиац. спец. вузов: В 2 кн. / А. П. Васильев, В. М. Кудрявцев, В. А. Кузнецов и др.; под ред. В. М. Кудрявцева. 4-е изд., пере-раб. и доп. М.: Высшая школа, 1993. Кн. 2. 368 с.

3. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: В 2 т. / Под ред. В. П. Смо-ленцева. М.: Высшая школа, 1983. Т. I. 208 с.

4. Смоленцев В. П., Смоленцев Г. П., Сады-ков 3. Б. Электрохимическое маркирование деталей. М.: Машиностроение, 1983. 72 с.

5. Байсупов И. А. Электрохимическая обработка металлов: Учеб. для СПТУ. М.: Высшая школа, 1988. 184 с.

УДК 621.9.047

Эксплуатационные характеристики материалов после комбинированного маркирования

В. П. Смоленцев, О. Н. Кириллов, А. Н. Осеков

Введение

Известно, что электрические методы обработки металлов могут вызывать как повышение, так и снижение механических характеристик сплавов [1, 2]. Это проявляется в основном при изготовлении деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Маркирование сплавов является частным случаем использования электрохимической, электроэрозионной и комбинированной обработки, где в комбинированном процессе применяется импульсное (ударное) воздействие электродом-инструментом, бесконтактная вибрация инструмента, высоковольтные разряды для вскрытия диэлектрика.

Эксплуатационные показатели материалов

На рис. 1 показаны результаты усталостных испытаний стандартных образцов с нанесенной

информацией. Сравнивались два варианта обработки:

• гравирование знаков твердосплавным бором на гравировальном станке с формированием контура шрифта на пантографе;

• комбинированная обработка материалов с диэлектрическим покрытием.

Локальное удаление покрытия выполнялось разрядником с током напряжением 40 кВ. Глубина знаков, полученных анодным растворением, под покрытием 0,25 мм. В обоих случаях высота шрифта — 3,00 мм. База испытаний 2 • 107 циклов.

На рис. 1 показаны пределы прочности после механической обработки (А) и предельные значения для тех же материалов, на которые нанесены информатизационные знаки большой глубины, превышающей глубину штрихов после ударного клеймения (Б). Предел усталостной прочности исследованных материалов

а)

600 590-620

300 290-310

440 440-450

350 350-360

б)

470 470-490

520 500-530

о)

105 105-115

118 118-125

Рис. 1. Результаты многоцикловых испытаний деталей с нанесенной информацией и покрытием диэлектрическим слоем (значения указаны в МПа): а — стали:

1 — 45; 2 — 40ХНМА; 3 — ЭИ617; 4 — ХН70;

б — титановые сплавы: 1 — ВТ9; 2 — ВТ16;

в — алюминиевые сплавы:

1 — Д1; 2 — АВТ1; А — после механической обработки (для сталей — шлифование, для сплавов — чистовое точение); Б — после нанесения диэлектрического покрытия и информационных знаков

близок к результатам, полученным для гладких стандартных образцов, и выше по сравнению с такими же показателями для образцов с надрезом, имитирующих механическое маркирование.

По стандартной технологии на металлические материалы наносились различные

диэлектрические покрытия (табл. 1) с толщиной до 0,2 мм. При толщине более 0,05 мм использовались многослойные покрытия, в которых каждый слой сушили при требуемом режиме.

Шероховатость поверхности в месте нанесения знака зависит от вида маркирования. После формирования информации гравированием бором (механообработкой) шероховатость (табл. 1) в данной части штриха практически соответствует чистоте поверхности всего образца после обработки шлифованием (для сталей) или чистовым точением (для сплавов). Кроме того, для чистовой обработки всех рассматриваемых материалов может использоваться комбинированная обработка электродом-щеткой [3, 4].

Для всех материалов (рис. 1, табл. 1) не выявлено отрицательного влияния местных углублений в местах комбинированного маркирования на усталостную прочность материалов, а для большинства сплавов наблюдается возрастание величины предела прочности (Б на рис. 1) при многоцикловых нагружениях до 10 %. Последнее можно объяснить повышением чистоты поверхности в области нанесения индексов с анодным углублением профиля, что положительно сказывается на результатах испытаний [1, 2, 4]. Если используется вариант маркирования Б, то даже для наиболее чувствительных к изменению поверхностного слоя титановых сплавов (рис. 1, б) не наблюдается явно выраженного снижения пределов усталостной прочности. Понижение нижней границы рассеивания сравнительных результатов испытания 8 образцов из сплава ВТ 16 (рис. 1, б, 2) вызвано ограниченной выборкой и находится в пределах рассеивания, обусловленных нестабильностью условий процесса усталостных испытаний.

Таблица 1

Условия подготовки образцов под усталостные испытания

Б

1

2

Марка Диэлектрическое покрытие Шероховатость поверхности металлической основы знаков Яа, мкм

материала основы Вид Толщина, мм Механообработка Комбинированное маркирование

Сталь

45 Эмаль 174Т 0,10 1,6-3,2 1,25-2,50

40ХМА Краска МЛ 0,17 3,2-6,3 0,63-1,25

ЭИ617 Эмаль ЭВ300 0,15 2,5-3,2 0,32-0,63

ХН40 Эмаль ЭВ300 0,12 2,5-5,0 0,32-0,63

Титановые сплавы

ВТ9 Эмаль Т1 0,20 0,63-1,25 0,63-1,25

ВТ16 Эмаль ЭВ55 0,08 0,63-1,25 0,63-1,25

Алюминиевые сплавы

Д1 Клей 88 0,05 0,32-0,63 0,16-0,32

АВТ1 Клей «Момент» 0,05 0,63-1,25 0,32-0,63

Анализ испытаний (см. рис. 1) дает основания утверждать, что разработанный нами метод нанесения информации путем последовательного вскрытия диэлектрического покрытия серией высоковольтных разрядов с одновременным анодным растворением металлической основы может применяться для высоконагруженных изделий, работающих при знакопеременных воздействиях (колебании, вибрациях и др.).

Качество поверхностного слоя

Усталостная прочность материалов и другие эксплуатационные свойства, в том числе потребительские, зависят от качества поверхностного слоя основы деталей, имеющих покрытия, например диэлектрические. Шероховатость в углублении информационных знаков зависит от воздействия высоковольтных разрядов, локально разрушающих покрытия, режимов анодного растворения вскрытых участков покрытий, качества и точности процесса утонения диэлектрического слоя, например электродом-щеткой, до величины, обеспечивающей пробой покрытия на выбранных технологических режимах.

При изготовлении шлифов (рис. 2) цветной осадок удалялся (например, электродом-щеткой), что позволяло установить изменения (если они имеются) в поверхностном слое в зоне маркирования.

При незначительном увеличении (х200) в чугуне оценены (рис. 2, а) углубления по контуру знаков, составляющие 0,12 - 0,15 мм. Ширина штриха — 0,45 ± 0,05 мм, что отвечает стандартному шрифту высотой 5,00 мм.

На рис. 2, а наблюдаются неравномерность съема материала в данной части и местные удаления частиц, которые не оказывают существенного влияния на стойкость контрастного покрытия (возможно, даже повышают адгезию) и на усталостную прочность деталей с информационными знаками.

а) б) в)

Рис. 2. Микрошлифы металлической основы материалов в месте нанесения знаков: а — чугун серый, х200; б — сплав ЭИ437Б, х500; в — сплав ЭИ617, х1000

У жаропрочного сплава ЭИ437Б (рис. 2, б) не выявлено нарушений микрогеометрии в данной части углубления. Испытания, проведенные с образцами из аналогичных материалов (см. рис. 1, а, 3, 4), показали даже некоторое повышение усталостной прочности деталей, имеющих общую глубину штриха до 0,37 мм, что превышает требования к нижнему пределу углубления знаков для обеспечения читаемости в течение жизненного цикла изделий. Анализ микрошлифа сплава ЭИ617 (рис. 2, в) показывает высокое качество поверхностного слоя, что соответствует данным, приведенным в табл. 1 (высота неровностей Яг — до 3,2 мкм).

Таким образом, комбинированное маркирование металлических деталей, в том числе с диэлектрическим покрытием, не снижает показателей качества поверхностного слоя в зоне нанесения знака. Если сравнивать результаты с механическим гравированием, имеющим производительность на порядок ниже по сравнению с рассматриваемым методом, то в последнем случае чистота поверхности значительно лучше (см. табл. 1).

Оценка информативности маркирования

В работе [5] приведены требования к испытанию читаемости информации. Если расстояние до объекта около 50 см, минимальная глубина штрихов с контрастным покрытием должна составлять 30-50 мкм (в зависимости от высоты шрифта) даже в случае последующей окраски места маркирования эмалью типа МЛ 197.

На рис. 3 показаны детали с различными диэлектрическими покрытиями, имеющие информационные знаки (цифры) высотой 1,5 мм (знаки высотой более 2 мм рекомендуется наносить электрохимическим методом [5]). Глубина всех знаков на рис. 3 с учетом покрытия не превышает 0,35 мм. В табл. 2 приведены условия нанесения информации на детали, изображенные на рис. 3.

Гайки (рис. 3, а, б), выполненные из титанового сплава и нержавеющей стали, имеют

а) б) в) г)

нь

н

Рис. 3. Металлические детали с диэлектрическим покрытием и знаками информации: а — титановый сплав ВТ3-1; б — нержавеющая сталь 1Х18Н10Т; в — алюминиевый сплав ВД16Т; г — латунь ЛС59

Таблица 2

Условия нанесения информационных знаков на металлические материалы с диэлектрическим покрытием

Материал детали Вид поверхности Шероховатость исходной поверхности Яа, мкм Изображение на рис. 3 Диэлектрическое покрытие

Вид Толщина, мм

Титановый сплав ВТ3-1 Плоская 5,0 а Лак ЭЛ075 0,10

Нержавеющая сталь 1Х18Н10Т Плоская 2,5 б Клей типа 88 0,02

Алюминиевый сплав ВД16Т Плоская 10,0 в Лак эпоксидный 0,08

Латунь ЛС59 Криволинейная 10,0 г Лак эпоксидный 0,05

ограниченную плоскую поверхность для нанесения индексов (высота знаков должна быть менее 2 мм) и достаточно большую шероховатость, что ограничивает использование ударных клейм, химического травления, красок, наклеек. Информация на таких деталях должна сохраняться длительное время и быть хорошо различима даже после восстановления диэлектрического покрытия в месте его удаления при маркировании. Наибольшую сложность представляет нанесение мелких цифр с локальными участками (на рис. 3, а, б размер участка внутри цифры «четыре» не превышает 0,9 мм). Такая операция может осуществляться с помощью профильного инструмента, выполненного с использованием стандартных шрифтов (предпочтительно от пишущих устройств), или растрового метода, путем последовательного формирования отверстий в диэлектрическом покрытии высоковольтными разрядами.

Задача нанесения информации значительно усложняется, если шероховатость исходной поверхности соответствует заготовительным операциям (рис. 3, в, г; см. табл. 2), где высота знаков становится соизмеримой с размерами неровностей. Плоские поверхности (рис. 3, в) позволяют локально вскрывать покрытие с использованием двухкоординатного перемещения разрядника и получать углубления с помощью плоского жесткого катода.

Для нанесения знаков на участки сопряжений (рис. 3, г) приходится использовать траектории движения разрядника по трем (и даже четырем) координатам, а съем металла выполнять гибким катодом-инструментом с использованием системы поддержания межэлектродного зазора на переходных участках заготовки.

В авиакосмической отрасли многие детали подвергаются действию абразивных частиц (пыль в период взлета, посадки самолетов, продукты горения при запуске космических аппаратов и др.) [5], которые удаляют информацию (часто вместе с покрытием). Испытание стойкости информации ранее проводили

в пескоструйных аппаратах и получали весьма приближенные сведения о предельном количестве касаний абразива. Мы предложили использовать для оценки стойкости информации щетки, приведенные в работе [4], которые дают возможность установить сохраняемость маркирования с высокой точностью (допускается ошибочная читаемость знаков до 10-15 % при ее оценке не менее чем тремя экспертами). Применение щеточного инструмента позволяет устанавливать по частоте его вращения и времени контрольной операции период читаемости информации, его следует назначать с учетом установленного ресурса изделия, на котором применены детали с маркировкой. На рис. 4 показана динамика износа знаков и снижения читаемости при воздействии на деталь концами проволочного инструмента.

Как показано на рис. 4, использование покрытий (кривая 2) повышает срок использования информационного маркирования до 1,51,7 раза, этого достаточно для надежного сохранения читаемости знаков в течение всего периода использования изделия даже при эксплуатации в пустынях, карьерах.

Количество касаний знаков концом проволоки

Рис. 4. Стойкость информации при механическом удалении проволочной щеткой:

1 — без диэлектрического покрытия; 2 — с покрытием лаком ЭП075 толщиной 0,085 мм (5 слоев лака); 3 — граница читаемости информации

Выводы

Эксплуатационные показатели процессов комбинированного маркирования изделий с диэлектрическим покрытием могут обеспечивать идентификацию деталей в течение всего периода жизненного цикла изделий.

Проведенные для различных материалов усталостные испытания показали, что применение электрохимического и комбинированного маркирования деталей не снижает предела усталостной прочности материалов, а в ряде случаев повышает этот показатель по сравнению с использованием более трудоемкого метода нанесения тех же знаков гравированием.

Рассмотренный метод маркирования может использоваться для нанесения информации на детали транспортной техники и обеспечивать длительную сохраняемость знаков даже в условиях интенсивного внешнего

Инновационно-промышленный салон 28 февраля — 2 марта 2012 г., г. Уфа

В рамках Инновационно-промышленного салона, ежегодно проводимого в столице Республики Башкортостан, состоятся специализированные выставки «Промэкспо-2012», «Станки и инструмент-2012», «Насосы и компрессоры».

Промышленный салон проходит при поддержке Министерства промышленности и инновационной политики и Торгово-промышленной палаты Республики Башкортостан при содействии Российской ассоциации производителей станкоинструментальной продукции «Станкоинструмент», Союза машиностроителей России.

Инновационно-промышленный салон и выставки представляют разнообразие технических и технологических решений для предприятий промышленного комплекса, способствуют внедрению передовых технологий, обновлению основных фондов машиностроительных предприятий и повышению их конкурентоспособности.

В настоящее время к участию в выставках заявлены такие компании, как фирма «Knuth Werkzeugmaschinen GmbH» — производитель металлообрабатывающего оборудования, «Легато» — поставщик инструмента, инструментальных систем, металлообрабатывающего оборудования, ленточных пил и СОЖ, «Makino Europe Gmbh» — признанный лидер в области технологий и сфере производства металлорежущего оборудования, компания «Ай Би Си абразивы» — поставщик абразивного материала нержавеющей дроби производства «Vulkan Inox GmbH», «Юнит Марк Про» — поставщик оборудования для ударно-точечной маркировки по металлу, «УралТехПром» — поставщик насосного оборудования,

воздействия, например, песка, пыли, абразивных частиц.

Литература

1. Смоленцев В. П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей. М.: Машиностроение, 1978. 176 с.

2. Смоленцев Е. В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.

3. Кириллов О. Н. Механизм контактной комбинированной размерной высокоскоростной обработки непрофилированным электродом // Вестник Во-ронежск. гос. техн. ун-та. 2010. Т. 6, № 9. С. 91-95.

4. Кириллов О. Н. Технология комбинированной обработки непрофилированным электродом. Воронеж: ВГТУ, 2010. 254 с.

5. Смоленцев В. П., Смоленцев Г. П., Сады-ков 3. Б. Электрохимическое маркирование деталей. М.: Машиностроение, 1983. 72 с.

голг

«Спецэлектрод» — поставщик сварочных электродов, «Интер Подшипник-Групп» — поставщик промышленных подшипников из Японии, а также компании «Баш-станкоцентр», «Красный Борец Станкозавод», «Пром-Ойл» и многие другие.

В рамках деловой программы Инновационно-промышленного салона состоится круглый стол «Подготовка специалистов для машиностроения: проблемы и пути решения». Его организаторы: Торгово-промышленная палата Республики Башкортостан, Ассоциация производителей станкоинструментальной продукции «Станкоинстру-мент» и Уфимский государственный авиационный технический университет. Под эгидой Ассоциации «Станкоин-струмент» и Уфимского государственного авиационного технического университета состоится II Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий», а также пройдет III Всероссийская конференция «Ремонт. Восстановление. Реновация», модератором которой выступит Башкирский государственный аграрный университет.

Организаторы приглашают компании к участию, а также предлагают возможность стать официальными партнерами Инновационно-промышленного салона-2012. Партнерство дает прекрасную возможность заявить о своей компании. Промышленный салон в Уфе — это место встречи профессионалов, эффективные решения для развития и модернизации производства, возможность выгодных сделок с российскими и зарубежными партнерами.

Оргкожитет: (347) 253-11-01, 253-09-88, 253-38-00. Сайт: www.bvkexpo.ru