CC BY
287
УДК 621.9.047
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ И УДАЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
С.В. Сафонов, С.Н. Григорьев, В.П. Смоленцев
В работе приведены материалы по созданию механизма управления эксплуатационными характеристиками изделий путем целенаправленного использования известных и вновь создаваемых методов и средств модификации поверхностного слоя материалов, используемых в современной конкурентоспособной продукции машиностроения, в первую очередь для изделий оборонных отраслей промышленности
Ключевые слова: эксплуатационные свойства, покрытие, нанесение, удаление, модификация, способы, устройства
В машиностроении успешно развивается направление по улучшению характеристик изделий путем модификации поверхностного слоя материала. Наиболее часто для этих целей применяют металлические покрытия, придающие деталям новые эксплуатационные свойства. Это могут быть тонкие слои с высокой адгезией, толстослойные покрытия, формирующие новый геометрический профиль изделия (например, при восстановлении изношенных деталей в случае ремонта). Покрытия бывают однослойными и многослойными (например, при напылении, плакировании, электроэрозионной модификации, плазменной обработке). В зависимости от эксплуатационных требований могут использоваться различные технологические процессы нанесения покрытий (тепловые, химические, механические и др.).
Иногда требуется подготовить поверхность под последующую обработку (включая нанесение покрытий) путем снятия слоя диэлектрика после, например, окраски, лакирования и других предшествующих операций.
Получило развитие удаление поверхностных загрязнений с применением магнитно-импульсных локальных воздействий на оболочки, имеющие ограниченную жесткость, что позволяет быстро восстановить эксплуатационные свойства изделий.
Наиболее освоены технологии повышения эксплуатационных показателей лезвийного инструмента путем нанесения твердых сплавов на инструментальные стали, что достаточно полно освещено в технической литературе [4;7].
В исследованиях текущего периода большое внимание уделяется созданию процессов покрытия под конкретные цели, закладываемые
Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, профессор, тел. 8-473-246-29-90, e-mail: safonov@vorstu.ru Григорьев Сергей Николаевич - МГТУ «СТАНКИН», д-р техн. наук, профессор, тел. 8-499-972-94-00, e-mail: rector@stankin.ru
Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-903-655-99-70, e-mail: vsmolen@inbox.ru
разработчиками в конструкции перспективных объектов еще на стадии проектирования машин. Это необходимо в первую очередь для летательных аппаратов и двигателей ракетно-космической отрасли. Здесь получили распространение многокомпонентные покрытия, включающие гранулы материалов с особыми свойствами (например, жаропрочностью, износостойкостью, возможностью работать без смазки и др.), которые могут закрепляться на поверхности тепловым заращиванием (например, лучевыми методами, наплавкой) продуктами химических реакций, пластическим деформированием, напылением, импульсными воздействиями.
Развивающиеся направления технологического использования покрытий требуют создания оригинальных (на уровне изобретений) способов и устройств, наиболее полно отвечающих запросам разработчиков наукоемкой продукции нового поколения техники.
Способы нанесения металлических покрытий
Металлические покрытия могут наноситься на любые материалы, в том числе диэлектрики (металлизация пластмасс, керамики, плакирование и др.). В машиностроении основная часть металлических покрытий используется для изменения эксплуатационных свойств сплавов. В табл. 1 приведен анализ наиболее употребительных применений таких покрытий.
Имеющиеся ограничения служат основой для выбора рационального способа покрытия с учетом наличия специального оборудования, уровня подготовки специалистов, технико-экономического потенциала предприятия. Использование такой информации открывает возможность грамотной модернизации системы машиностроения и обоснованного создания в этой отрасли предприятий малого и среднего бизнеса, каждое из которых может специализироваться на узкой номенклатуре изделий, более полно загрузить имеющееся оборудование и
создать долговременные деловые связи с круп- ляющими перспективную политику в области ными промышленными комплексами, опреде- машиностроения.
Таблица 1
Эксплуатационные возможности металлических покрытий
№ п/п Основное назначение покрытий Основные виды покрытий Источник информации
1 Защита от внешних воздействий (коррозии) придание товарного вида, обеспечение новых эксплуатационных показателей. Гальваническое Химическое (окисные пленки, измененные поверхностные слои) Покрытия, получаемые напылением, коагуляцией или в магнитном поле Электроискровое легирование и покрытие Покрытия жидкими металлами (лужение, наплавка и др.) [4, 7] [3, 4, 7] [1, 3, 4, 10] [3, 7, 22] [3, 5]
2 Повышение износостойкости Получаемое напылением Лучевые методы (плазма, лазерная наплавка и др.) Электроэрозионное легирование и покрытие Гальваномеханическое и электрохимическое покрытие Покрытие в магнитном поле Нанесение жаропрочных и жаростойких материалов (плазменное, гальваническое, химическое и др.) [3, 4] [3, 5] [3, 21] [8, 18, 23] [9] [5,6]
3 Энергосбережение (снижение коэффициента трения) Напыление Гальванические и гальваномеханические Электроэрозионные Электрохимические Химические [3, 4, 7] [4, 6, 23] [22] [3, 4, 22] [4]
4 Восстановление геометрии и качеств изношенных изделий Химические (химическое никелирование и др.) Напыление и наплавка Электроэрозионные и электрохимические (однослойные и многослойные) Гальваномеханические Покрытие магнитным порошком [3, 4, 6] [3, 4, 5] [11, 12, 13, 22] [8, 22] [10]
5 Изменение эксплуатационного назначения изделий Электроэрозионное покрытие чугуном по стали, чугуном по алюминиевым сплавам [12, 13, 14, 15]
Получение покрытия с принципиально новыми характеристиками 10!
Гальваническое и электроэрозионное покрытие серебром (повышение отражательной способности) [3, 7]
Электрохимическое покрытие медью, серебром (повышение электропроводности) и др. [22]
Наибольшее использование металлические покрытия находят (табл. 1, раздел 1) для защиты от коррозии, сопутствующих процессов (например, от анодного растворения технологической оснастки). Гальванические и химические покрытия достаточно подробно изучены и по этому вопросу имеется хорошая информационная база, часть которой показана в табл. 1.
Основной интерес представляют сведения по новым методам обработки. Так по авторскому свидетельству [1] для поддержания качества наносимой информации, ее защищают от нарушения профиля путем создания на поверхности покрытия слоя полиакриламида (концентрация 3 г/л), который в конце процесса маркирования (за 0,5 - 0,8 с до завершения операции) осаждается на обработанные участки.
По патенту [10] предложен способ повышения защитных свойств заготовок из цветных
(немагнитных) материалов (титановых, алюминиевых, магнитных), путем заполнения местных дефектов магнитным порошком, который направленно перемещается в создаваемых магнитных полях. Рекомендовано в качестве материала для заполнения применять композитные составы, включающие, кроме порошка анаэробный герметик типа УГ - 4Пр. Обработка выполняется в несколько этапов: сначала в магнитном поле в микродефекты вводят композицию (до полного заполнения углубления), после чего поле снимают, незатвердевшие остатки покрытия удаляют жидким растворителем, сушат деталь на воздухе при температуре около 300 -310 К в течение 24 часов и контролируют качество поверхностного слоя на предмет его сплошности.
Покрытия жидкими металлами (табл. 1, раздел 1) достаточно полно изучены в доступ-
ной литературе и в работе подробно не рассматривается.
Из опыта эксплуатации изделий известно, что частичный или полный износ деталей (особенно у высоконагруженных технически сложных изделий) может создать аварийную обстановку или вывести объект (например транспортное средство) из строя. В авиакосмической технике устанавливают научнообоснованные ресурсы для всего средства или отдельных его частей, что гарантирует работоспособность объекта в течение этого срока эксплуатации. Для большинства другой продукции машиностроения такие требования закладываются как ориентировочные. Поэтому требуется подробнее рассмотреть различные методы повышения износостойкости изделий за счет использования покрытий, приведенных в разделе 2 табл. 1. Большинство известных методов достаточно полно освещено в литературе, а имеющиеся ограничения позволяют обоснованно выбрать один из наиболее эффективных методов. Представляют новизну созданные на уровне изобретений новые способы. Так по патенту [8] разработан способ повышения износостойкости поверхности путем гальвано-механического покрытия, сведения о котором приведены в [23]. Новый способ [8] позволяет получать наружные слои с шероховатостью до 0,02 мкм и со стабильными остаточными напряжениями сжатия. Из [23] известно, что износостойкость деталей с покрытиями до 30 раз выше, чем при традиционном хромировании, а ресурс резиновых уплотнений штока с покрытием, работающего в гидроцилиндре, повышается до 40%. Развитием этого метода стал способ по патенту [8], где может наноситься толстый слой качественного покрытия, необходимого для процесса эксплуатации изделия. Способ эрозионно-термической обработки (патент [18]) позволяет создать новый вид электрода - инструмента с металлическим термоактивным покрытием, наносимым с учетом динамики износа при электроэрозионной обработке. На рисунке 1 показано сечение износостойкого электрода с покрытием, например, цинком.
Рис. 1. Электрод - проволока профильного сечения с покрытием. 1 - профильный электрод; 2 - покрытие; 3 -профиль с покрытием; 4 - заготовка; 5 - направление подачи; Н - ширина паза в обрабатываемой детали; Бб - боковой зазор
На рис. 1 покрытие, наносимое на проволочный электрод, защищает от интенсивного эрозионного износа материал проволоки, которая выполняется из латуни и имеет ограниченную прочность на разрыв, что может нарушать процесс электроэрозионного разделения заготовок.
Исходный профиль проволоки, применяемой в качестве электрода, имеет круглое сечение. В литературе [22] достаточно полно рассмотрены вопросы нанесения термоактивных покрытий на стандартную круглую проволоку. За счет интенсивного горения при импульсе тока такой инструмент резко увеличивает интенсивность разделения заготовок, но возрастание глубины эрозионных лунок после прохождения проволоки через паз неминуемо вызывает появление шероховатости, свойственной черновой обработке. Применяемые способы повышения качества поверхностного слоя детали после разделения (например, повторная обработка проволокой на чистовых режимах) оказались слишком трудоемкими и малоэффективными, т.к. требовали после каждого чернового прохода перенастройки оборудования для работы с проволокой без покрытия и поиска начальной точки для перемещения инструмента при настройке станка.
Способ по патенту [18] позволил совместить операции по черновой и чистовой разрезке металлических заготовок. Для этого стандартную круглую проволоку, применяемую для электрода - инструмента, протягивают через фильеру, формируя со стороны подачи (5 на рис. 1) каплевидный профиль (3 на рис. 1). На него наносят покрытие (2), способное интенсивно гореть в зоне разряда. Это может быть кадмий или более доступный цинк. В процессе нанесения (чаще гальваническим методом) тыльная сторона проволоки защищена от покрытия (например, диэлектрическим желобом, по которому перемещается проволока в процессе нанесения покрытия). Изменение формы сечения инструмента уменьшает ее поперечный размер, а следовательно ширину паза (Н на рис. 1). Повышенная интенсивность эрозионного съема припуска вызывает увеличение бокового зазора (8б на рис. 1), что практически компенсирует нарушение величины расчетной ширины паза и позволяет выполнять операцию по управляющей программе, полученной для обработки стандартной проволокой без покрытия. Отсутствие покрытия (2 на рис. 1) со стороны стенок паза заготовки (4 на рис. 1) позволяет окончательное формирование поверхностного слоя выполнять участком инструмента, не
имеющим покрытия и получать низкую шероховатость, которая аналогична получаемой с использованием проволоки без покрытия. Таким образом удается совместить высокую производительность (обработка инструментом с покрытием) и чистовой процесс, ранее получаемый при использовании круглой проволоки без покрытия. Дополнительная трудоемкость изготовления электрода - инструмента по патенту [18] многократно перекрывается сокращением времени разделения материала и обеспечением высоких технологических показателей чистового процесса. Снижается также расход электрода - проволоки за счет возможности снижения скорости ее перемотки вдоль паза. Расширяются возможности изготовления деталей из заготовок большой толщины, т.к. здесь может использоваться увеличенное натяжение проволоки без опасения ее обрыва вследствие эрозионного износа.
При использовании инструмента, изготовленного по патенту [9], его рабочая часть становится возобновляемой с геометрией, формируемой локальным магнитным полем, изменяющим состояние реологической жидкости, которая затвердевает по контуру знака для маркирования и удерживается в этом положении полем электромагнитов, в котором сердечником являются съемные знаки (профильные шрифты) из магнитомягкого материала. Такой электрод имеет незначительную твердость, но он вполне пригоден для безизносного (бесконтактного) маркирования, в том числе с переменной информацией.
Нанесение износостойких покрытий, работающих в условиях высоких температур при эрозионном воздействии продуктов обработки (табл. 1, раздел 2), достаточно подробно рассмотрено в [5, 6].
Одним из перспективных направлений применения покрытий является энергосбережение за счет снижения потерь на преодоление трения. Здесь (табл. 1, раздел 3) используются, в основном, известные технологические приемы, а так же новые методы [3, 22 и др.], которые значительно расширяют эксплуатационные возможности изделий. Так приведенный в [22] опыт электроэрозионной обработки с образованием на поверхности плавно сопрягаемых лунок позволяет удерживать здесь смазку при любых контактных усилиях в подшипниках скольжения.
Наращивание покрытий с различной пористостью [23] позволяет заметно снизить трение в поршневой группе двигателей, а включение в покрытие твердых частиц [6] открывает воз-
можность исключить в узлах трения смазку, т.к. в этом случае (например, при лезвийной обработке) ее заменяет более мягкий слой, соединяющий поверхность заготовки с твердыми частицами, воспринимающими контактные силы, определяющие величину трения. Это находит преимущественное применение в различных современных конструкциях (например, в космических аппаратах, кислородных магистралях), где смазка либо испаряется, либо может вызывать взрыв.
В качестве самостоятельной в машиностроении сформировалась отрасль восстановления геометрических размеров и эксплуатационных качеств изношенных деталей (таблица 1, раздел 4). Достаточно освоены покрытия, получаемые нагревом заготовки [3, 4, 5] которое может вызывать коробление изделий, особенно деталей больших габаритов и малой жесткости. Без существенного нагрева выполняются некоторые виды покрытия (химическое, напыление, электроэрозионные и гальваномеханические способы, нанесение слоев в магнитном поле и др.). Здесь наметились новые направления исследований, часть которых защищена патентами.
Для электроэрозионного восстановления размеров и других эксплуатационных свойств чугунных деталей предложен способ по патенту [12], при котором многослойное покрытие наносят чугунным электродом с подготовкой поверхности под очередные слои плазменной очисткой.
Технология нанесения покрытия включает:
- сначала без использования плазменной струи на заготовку наносят электродом слой покрытия с толщиной, при которой в нем не образуются трещины (как правило, толщина менее 0,2 мм). Скорость перемещения электрода до 100 мм/мин:
- включают плазмотрон и через сопло в среде плазмообразующего газа (например, углекислого с расходом 0,7 - 1,0 м3/час) подают плазменную струю под углом а к поверхности покрытия (а около 30°). С задержкой в несколько секунд на электрод от генератора импульсов поступает импульс тока (напряжение 60 В, сила тока 4 - 5 А). Далее перемещают электрод вдоль первого слоя (скорость 80 - 100 мм/мин) и наносят следующий слой (толщина, как правило, менее 0, 2 мм). Количество слоев может быть любым с получением суммарной толщины покрытия более 1 мм.
Более широкие возможности восстановления стальных или чугунных деталей такими же
покрытиями предоставляет способ [13], который позволяет, кроме этого, изменять назначение изделия, например, сделать стальную деталь коррозионностойкой, т.е. отвечает свойствам в разделе 5 (таблица 1). В основе способа [13] лежит возможность перераспределения содержания углерода в чугунном или стальном слое за счет его диффузии в малоуглеродистый сплав. Для получения качественного покрытия необходимо, кроме ограничения толщины каждого слоя, чередовать их положение так, чтобы во всех случаях смежный слой был из малоуглеродистой стали, а поверхностный имел характеристики, учитывающие условия эксплуатации изделий после их восстановления.
Рассмотренный в [23] способ гальвано -механического хромирования реализован в [8] для нанесения слоев покрытия при восстановлении геометрии металлических изделий. Здесь путем изменения технологических режимов удалось создать поверхностные слои, первый из которых быстро осаждается на изношенные участки заготовки и приближает полученный профиль к заданной геометрии детали, но качество такого поверхностного слоя не удовлетворяет эксплуатационным требованиям (трещи-нообразование, растягивающие напряжения и др.). На завершающем этапе оставшийся припуск на покрытие (10 - 20% от общей величины) наносят при увеличенном давлении на упрочняющий элемент (а значит и по удлиненному циклу) при скорости осаждения не превышающей 1 - 1,2 мкм/мин, что значительно меньше, чем на начальной стадии получения покрытия, но здесь обеспечиваются требуемые эксплуатационные свойства поверхностного слоя изделия. Способ по [8] дает возможность ускоренно получать качественное покрытие, причем без предшествующей (весьма трудоемкой и не всегда осуществимой) операции механического выравнивания профиля заготовки относительно геометрии детали ,ускоренно получить восстановленные изделия с минимальной погрешностью (до 4 - 5 квалитета) и микронеровностями (несколько десятых микрона), что можно рассматривать как расширение эксплуатационных возможностей изделия.
По патенту [11] путем последовательного нанесения и удаления покрытий удается получить качественный информационный массив (например, на платах) для всех участков детали (включая труднодоступные для инструмента места), в том числе на тонкостенных покрытиях на диэлектрическом основании, где съем материала основания не возможен. Известно, что при формировании печатных плат электрохи-
миеским методом тонкие технологические проводники растворяются раньше, чем через них пройдет ток, обеспечивающий удаление расположенных за ними участков покрытия. Для получения качественных деталей перед изготовлением печатной платы на заготовку, имеющую тонкое покрытие фотожелатиновым слоем или фоторезистом устанавливают диэлектрический шаблон с окнами в месте расположения тонких проводников. В этих местах наращивают слой проводника до величины, при которой такой участок в процессе анодного растворения удаленного контура, хотя и растворяется, но до конца получения профиля платы сохраняет возможность подвода тока к изолированным участкам платы и только после этого может окончательно удаляться. Способ осуществляют с использованием тонкостенных диэлектрических шаблонов с просечками по форме проводников тока к информационным знакам. Шаблоны плотно прижимают к заготовке платы, подводят к нему плоский (или фасонный, повторяющий общий контур участков токоподво-да) электрод - инструмент (зазор ограничивают 20 - 30 мкм) и при обратной полярности тока подают поливом электролит. В окнах шаблона образуется покрытие из материала инструмента с переменной толщиной (у границ знаков - до толщины шаблона). Затем снимают шаблон, меняют полярность, увеличивают зазор между электродом - инструментом и заготовкой до 0,1 - 0,3 мм, включают принудительную прокачку электролита со скоростью 1 - 2 м/с, что позволяет по нанесенному контуру получить профиль печатной платы, отвечающую стандартам на информационные изделия, и в конце процесса полностью устранить токоподвод к знакам.
В рассматриваемом разделе 5 (табл. 1) приведена достаточно подробная информация по нанесению покрытий изменяющих эксплуатационное назначение изделия. Так по патенту [14] стальной или чугунной детали удается придать характеристики, свойственные в основном наносимому материалу (например, повышение защиты от коррозии стальных деталей с чугунным покрытием, улучшение антифрикционных характеристик и др.). По [14], управляя режимами нагрева и охлаждений зоны нанесения покрытий, удается получить износостойкие слои переменной толщины, устраняющие поверхностные дефекты (в том числе концентраторы напряжений) и обеспечивающие требуемые эксплуатационные качества восстановленной детали. В основу изобретения положены режимы термообработки материалов, ко-
торые гарантируют формирование требуемых свойств покрытия.
Нанесение чугунного покрытия на алюминиевые сплавы стало возможным при применении патента [15], где используется комбинированная электроэрозионная и химическая обработка (берутся известные флюсы, рекомендованные для сварки алюминиевых сплавов). Здесь решена задача получения высокотемпературных слоев на легких металлах с низкой температурой плавления. Без флюса нагрев в зоне покрытия вызывал появление под туго-
плавкой окисной пленкой местных разрушений материала основы, что вызывало брак деталей.
Удаление покрытий
В промышленности имеются случаи, когда покрытие нарушает эксплуатационные требования и его необходимо удалить (например, для считывания информации с деталей, имеющих лакокрасочные покрытия, для ремонта, контроля и испытаний, обеспечения токоподвода и др.). В табл. 2 приведены типовые способы удаления покрытий с целью восстановления или обеспечения эксплуатационных свойств изделия.
Таблица 2
Обеспечение эксплуатационных свойств изделий путем удаления покрытий
№ Удаляемое покрытие Основные способы Источник
п/п нанесение удаление информации
1 Диэлектрические защитные и декоративные:
-тонкие Химические преобразования зачистка [19]
(окислы, фоторезисторы, лаки) травление [3, 6]
Механическое покрытие, напыление зачистка виброобработка травление [6]
-толстые Окрашивание Зачистка [19]
Осаждение Травление [6]
Напыление Обмазка Ударное механическое Справочники
2 Диэлектрические загрязнения:
-с высокой адгезией Осаждение продуктов обработки и частиц из окружающей среды Промывка в химически нейтральных и агрессивных средах при различной температуре [7, 22]
Зачистка [19]
-уплотненный сыпучий или хрупкий сплошной материал Налипание на стенки тары. Участки местного покрытия керамикой на литой заготовке после литья в керамические формы Виброобработка Магнито-импульсная очистка Механические ударные воздействия [16, 20]
3 Металлические:
-тонкие Химический Травление [3, 6]
Гальванический Зачистка [2,19]
Металлизация Плакирование Электрические методы обработки [22]
Напыление Лужение и др. Гидроабразивная обработка [17, 21]
-толстые Наплавка Напыление Лучевой (плазменная резка и др) [5]
Электроэрозионное покрытие Гальваномеханическое покрытие Зачистка [3, 4, 19]
Сборка из металлических элементов Механические Ударные воздействия [3]
Разборка [6]
Диэлектрические покрытия достаточно полно рассмотрены в справочной, учебной и монографической литературе. Однако локальная зачистка диэлектрических покрытий и за-
грязнений на металлическом материале [19] позволяет удалить наружный слой, не повреждая участок обработки (в том числе, не нару-
шая шероховатости). Схема осуществления способа приведена на рис. 2.
Способ по [19] осуществляется в 2 этапа: вначале электрод - щетку 1 подключают к источнику тока 4 при обратной полярности (деталь 5 - катод), а силу тока между пучками проволоки 2 и деталью 5 контролируют по амперметру 3 и поддерживают постоянной через регулировку напряжения (3 - 5В). Ток протекает сначала через электролит, минуя диэлектрик 6.
Рис. 2. Схема локальной зачистки токопроводящей детали
металлической щеткой: 1 - электрод - щетка; 2 - пучок проволоки; 3 - амперметр; 4 - источник постоянного тока;
5 - деталь; 6 - диэлектрическое покрытие
После появления в начале обрабатываемого участка металлического контакта между деталью и проволокой полярность переключают на обратную и зачищают заготовку до стабилизации величины тока (для щетки диаметром 200 мм с пучками из латунной проволоки диаметром 0,15 мм при начальном прижиме пучка 0,2 мм сила тока составляет 3 - 4 А, а время обработки 4 - 5 секунд на 1 мм2 площади удаляемого покрытия).
Рис. 3. Схема взаимодействия элементов устройства при магнито-импульсном удалении толстых загрязнений с оболочек и тонких стенок: 1 - очищаемая деталь; 2 - загрязнение; 3 - боек; 4 - возбудитель электромагнитных воздействий; 5 - упругий элемент (пружина); 6 - зазор между бойком и деталью (настроечный элемент); 7 - батарея конденсаторов; 8 - источник тока; 9 - регулируемое
сопротивление (настроечный элемент); 10 - регулятор частоты ударов бойка (настроечный элемент); 11 - корпус для установки бойка; 12 - датчик регулятора частоты ударов; 13 - вектор ударного перемещения бойка; 14 - упор для создания колебаний на очищаемой детали
Для удаления уплотненных сыпучих загрязнений и участков хрупких керамических покрытий предложен способ по [20]. Схема применения приведена на рис. 3.
Технология очистки детали 1 со слоем загрязнения 2 осуществляют бойком 3 от возбудителя 4 электромагнитных колебаний. Настройку бойка 3 регулируют относительно детали 1 до образования зазора 6, меньшего, чем предельное перемещение бойка 3. Силу удара бойка 3 настраивают изменением емкости конденсаторов 7, для чего на образец детали 1 на стенде наносят серии ударов бойком 3, увеличивая емкость конденсаторов 7 (а, следовательно, и силы удара) до получения визуально наблюдаемой вмятины, после чего снижают емкость конденсаторов до исчезновения вмятины и принимают эту емкость за рабочую величину. Способ поясняется на примере очистки от формовочной земли тары со стенкой из алюминиевого сплава толщиной 1 мм и со слоем загрязнения 10 - 15 мм. В качестве макета стенки берут пластину из того же сплава толщиной 1 мм и с размерами 100 х 100 мм, наносят на нее слой загрязнения толщиной 10 - 15 мм устанавливают образец в жесткую рамку, содержащую конструктивные элементы жесткости по контуру пластины и бойком при единичных воздействиях возбудителя ударяют в центральную часть пластины. Первые удары производят при емкости конденсаторов 100 мФ, затем емкость повышают до 150 мФ и далее через 50 мФ. Визуально наблюдают отсутствие вмятин на поверхности пластины в месте удара бойком. В рассматриваемом случае при 200 мФ наблюдалась остаточная вмятина, после чего емкость конденсаторов была снижена до 180 мФ. При полученном режиме на установке были замерены амплитуды колебаний тары вблизи бойка 3. Амплитуда изменялась от 1 до 4 мм. При этом слой загрязнения был удален через 5 секунд с площади 600 см2. В случае удаления слоя загрязнения путем ударов вручную понадобилось бы 20 - 25 секунд (при этом возникали недопустимые вмятины в оболочке), а при магнитно-импульсной очистке время составило менее 1 - 2 секунд. Это показывает возможность интенсификации удаления слоя загрязнения до 15 раз. По предложенному способу очистки повреждений оболочки в таре не наблюдалось, повторная очистка тары не понадобилась.
Если деталь (рис. 3) имеет высокую жесткость и не удается придать ей колебательные движения, аналогичные показанным в [20], то для удаления сыпучих материалов (например, кусков руды из открытых вагонов в зимнее время) предлагается использовать по [16] специальный инструмент типа кольцевого бура, оснащенного ножами, спиральными шнеками,
вибраторами, приводами вращения буров. Удаление материалов выполняется несколькими параллельно работающими инструментами, которые формируют на всю глубину очищаемой емкости кольцевые каналы с кернами большого диаметра (800 - 1000 мм). Далее подачу и вращение инструментов прекращают, включают реверсивное вращение буров, что вызывает поворот режущих ножей с утопанием в сторону кернов и их подрезку в донной части. Затем перемещают керны вдоль оси до выхода их из каналов. одновременно создают вибрацию инструмента в поперечном направлении, что приводит к разрушению перегородок из очищаемого материала и удалению его из емкости под действием гравитационных сил. После подъема кернов в крайнее верхнее положение направление вращения инструментов реверсируют, ножи утопают и перестают удерживать керн, он падает, создавая вибрацию тары и разрушение крупных кусков очищаемого материала с последующим удалением его через люки в донной части емкости. Затем буры перемещают и повторяют процесс до полного удаления материала из емкости и со стенок тары.
Рассмотрен процесс удаления шаржированного слоя, возникающего при гидроабразивной резке, особенно, вязких материалов. Для этого создают комбинированный способ обработки [17], в котором за счет анодного растворения со стенок образующегося паза с абразивными вкраплениями удаляется слой не менее 2/3 размера зерна, после чего абразив осыпается и удаляется струей жидкости, подаваемой под давлением более 400 МПа. Устранение шаржированного слоя позволяет в ряде случаев исключить последующую обработку места разделения заготовки, особенно в случае использования этих поверхностей для формирования нерабочих элементов конструкции, где последующий съем припуска может отсутствовать.
В авторском свидетельстве [2] для анодного удаления локальных участков металлических покрытий токоподводами на базе серебра осуществлена подача тока к автономным участкам через токопроводящие пленки с содержанием серебра, что создало условия для удаления остатков предшествующей обработки.
При использовании способа по [2] достигается улучшение качества изделий путем удаления участков металлических покрытий, изолированных от основного токопровода на диэлектриках, или же удаления металлических остатков на стенках отверстий в диэлектриках. Для этого электрохимическую обработку ведут
в электролите, основой которого является орта-ботанный проявитель, например метол - гидро-хиноновый, содержащий в виде мельчайших взвешенных частиц серебро (0,0036 - 0,006 мас.% от общей массы электролита) при напряжении в начальный период времени в 10
- 12 В до того времени, когда величина тока уменьшится на 40 - 50 % от начального значения. После этого напряжение повышают до 20
- 24 В и ведут процесс до полного прекращения тока с последующей промывкой обрабатываемой поверхности в ультразвуковом поле. Токо-подвод к участкам покрытия в процессе их электрической обработки осуществляется за счет наличия на поверхности диэлектрика то-копроводящей пленки из частиц серебра, адге-зировавшихся из электролита. Серебро также анодно растворяется в процессе удаления металлических остатков, однако наличие в электролите реагента-восстановителя, как составной части отработанного проявителя, способствует образованию токопроводящей пленки вновь и таким образом процесс удаления металлических «островков», изолированных от токопровода, продолжается до полной очистки изделия.
Заключение
Показано влияние покрытий на эксплуатационные свойства изделий. Рассмотрены вопросы обоснованного нанесения и удаления поверхностных слоев в зависимости от условий работы деталей в механизме.
Приведены сведения по управлению процессом формирования поверхностного слоя путем нанесения или удаления покрытий с известными свойствами.
В работе, наряду с известными технологическими приемами для обеспечения высокого качества изделий с покрытиями, рассмотрены новые (на уровне изобретений) способы и устройства, направленные на получение повышенных эксплуатационных характеристик материалов, особенно востребованных при создании наукоемкой техники новых поколений.
Литература
1. А.с. 941143 (БИ) , МПК В 23 Р. Способ электрохимического маркирования [Текст]/ В.П. Смоленцев и др.
- №2951958; заявл. 07.07.1980; опубл. 07.07.1982, Бюл. № 25.
2. А.с. 1299719 (БИ) , МПКВ 23Н. Способ электрохимической обработки металлических покрытий на диэлектриках [Текст]/ В.П. Смоленцев и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский политехнический институт. - № 3901794; заявл. 19.03.1985; опубл 13.03.1987, Бюл. № 12.
3. Гадалов, В.Н. Химико-термическая, электрофизическая обработка металлов, сплавов и гальванических покрытий [Текст] / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, В.В.
Пешков, С.В. Сафонов. - М.: Аргмак - Медиа, 2013. - 320 с.
4. Григорьев, С.Н. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента [Текст]/ С.Н. Григорьев, М.А. Волосова. - М: Янус - К., 2007. - 324 с.
5. Кадырметов, А.М. Управление технологическим обеспечением процессов плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров [Текст]/ А.М. Кадырметов. - Воронеж: Научная книга, 2013. - 260 с.
6. Коптев, И.Т. Конструктивные особенности и технология изготовления деталей ракетных двигателей нового поколения [Текст]; под ред. И.Т. Коптева, В.П. Смо-ленцева / сб. научн. тр. - Воронеж: ВМЗ, 2014. - 190 с.
7. Суслов. А.Г. Наукоемкие технологии в машиностроении [Текст]; под. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2012. - 528 с.
8. Пат. 2224827 Российская Федерация, МПК С25Б. Способ гальваномеханического восстановления токопро-водящих деталей [Текст]/ Жачкин С.Ю. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2002102130; заявл. 23.01.2002; опубл. 27.02.2004, Бюл. № 6.
9. Пат. 2229966 Российская Федерация, МПК В 23Н. Электрод - инструмент для электрохимического маркирования и способ его изготовления [Текст]/ Смоленцев В.П. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2002120017; заявл. 22.07.2002; опубл. 01.06.2004, Бюл. № 16.
10. Пат. 2240910 Российская Федерация, МПК В23Р. Способ восстановления изделий из немагнитных материалов [Текст]/ Смоленцев В.П. Смоленцев Г.П., Некрасов А.Н. ; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2003135531; заявл. 05.12.2003; опубл. 27.11.2004, Бюл. № 33.
11. Пат. 2314367 Российская Федерация, МПК С25Б. Способ электрохимической обработки информационных изделий [Текст]/ Смоленцев В.П., Кириллов О.Н. и др. ; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2006109002; заявл. 21.03.2006; опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1.
12. Пат. 2318637 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ электроэрозионного восстановления чугунных деталей [Текст]/ Смоленцев В.П., Кириллов О.Н. и др. ; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2006113860; за-явл. 24.04.2006; опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7.
13. Пат. 2343049 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ получения многослойного покрытия на восстанавливаемой стальной или чугунной детали [Текст]/ Смоленцев В.П. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский механический завод. - № 2006140558; заявл. 16.11.2006; опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1.
14. Пат. 2396153 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ электроэрозионного восстановления деталей из стали или чугуна [Текст]/ Смоленцев В.П. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский механический завод. - № 2008120420; заявл. 22.05.2008; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22.
15. Пат. 2405662 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ нанесения чугунного покрытия на алюминиевые сплавы [Текст]/ Смоленцев В.П. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский механический завод. - № 2009116031; заявл. 27.04.2009.; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34.
16. Пат. 2441717 Российская Федерация, МПК В08В. Способ и устройство для очистки открытых емкостей от уплотненных сыпучих материалов [Текст]/ Смо-ленцев В.П. и др. ; заявитель и патентообладатель Воронежский механический завод - № 2010100363; заявл. 11.01.2010; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4.
17. Пат. 2465994 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ устранения эффекта шаржирования при гидроабразивном разделении вязких металлов [Текст]/ Смоленцев В.П., Гончаров Е.В., Печатан А.П.; заявитель и патентообладатель Воронежский механический завод - № 2011105507; заявл. 14.02.2011; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 31.
18. Пат. 2466835 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ эрозионно-термической обработки [Текст]/ Коденцев С.Н. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. -№ 2009143234; заявл. 21.11.2009.; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32.
19. Пат. 2515604 Российская Федерация, МПК В23Н. Способ локального удаления диэлектрических покрытий [Текст]/ Смоленцев В.П. и др.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2012104252; заявл. 07.02.2012.; опубл. 20 05.2014, Бюл. № 14.
20. Пат. 2516523 Российская Федерация, МПК В08В. Способ очистки изделий от загрязнений [Текст]; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2011148556; заявл. 29.11.2011; опубл. 20 05.2014, Бюл. № 14.
21. Суслов, А.Г. Машиностроение. Энциклопедия. Т.1-3; под ред. А.Г.Суслова. - М.: Машиностроение, 2000.
- 840 с.
22. Смоленцев, Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки [Текст]/ Е.В. Смоленцев. - М.: Машиностроение, 2005. - 509 с.
23. Чижов, М.И. Гальваномеханическое хромирование деталей машин [Текст]/ М.И. Чижов, В.П. Смоленцев.
- Воронеж: ВГТУ, 1998. - 162 с.
Воронежский государственный технический университет
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
THE ENHANCEMENT OF THE OPERATIONAL PROPERTIES OF PRODUCTS BY COATING
DEPOSITION AND REMOVAL
S.V. Safonov, S.N. Grigoriev, V.P. Smolentsev
The article presents the materials, concerning the creation of a mechanism for regulating the operational parameters of products through the focused use of the known and newly developed methods and means of modifying the surface layer of materials applied in modern competitive mechanical engineering products (primarily, those of the defense industry)
Key words: operational properties, coating, deposition, removal, modification, methods, facilities
