Bearbeidingsvanskene ved å koble akseldeler analyseres, og prosesseringsmetodene forbedres. Fokuset er på forholdsregler for maskinering av den nitrerte overflaten. Ved å stumpe kantene på delene før nitrering, forbedres spenningssituasjonen under nitrering, noe som effektivt løser problemet med at kantene på delene er enkle å bryte av ved maskinering etter nitrering, og sikrer bearbeidingskvaliteten til delene.
DEL 1
Introduksjon
Nitrering er prosessen med å infiltrere nitrogenatomer inn i overflatelaget til et arbeidsstykke, noe som endrer den kjemiske sammensetningen av overflatelaget og danner et lag hovedsakelig sammensatt av nitrider, og forbedrer dermed overflatehardheten, slitestyrken, utmattelsesmotstanden og anti-fastheten til delene[1]. Etter gassnitrering kan overflatehardheten til delene nå 1000 HV (ca. 70 HRC) under en 50 N belastning, og den kan fortsatt opprettholde høy hardhet og høy slitestyrke ved en temperatur på 600 grader. Etter nitrering kan overflaten av delene oppnå større gjenværende trykkspenning, og utmattingsstyrken kan også forbedres betraktelig[2], som er uovertruffen av andre kjemiske varmebehandlinger. Nitrering er blant annet kategorisert i gassnitrering, flytende nitrering og ionitrering. Vårt firma bruker for tiden primært gassnitrering. Sammenlignet med flytende nitrering, gir gassnitrering enklere atmosfærekontroll (ved å bruke ammoniakk som nitreringsmedium), produserer færre skadelige gasser som truer menneskers helse og miljøet, og viser mer stabil kvalitet, noe som gjør det mer utbredt. Vanlig brukte materialer for nitrerte deler inkluderer 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH1,80Ni1,80M1, 80M1, 80M1, 8000 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) og 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo), og brukes vanligvis i applikasjoner som krever slitestyrke, som ledd, støtter og vippearmer.
Nitrering er delt inn i total nitrering og lokal nitrering. Lokalisert nitrering bør unngås så mye som mulig under prosjekteringen. Hvis lokalisert nitrering er nødvendig, kan en av følgende metoder brukes for anti-nitreringsbehandling: ① Tillat bearbeiding på mer enn dobbelt så høy nitreringsdybde. ② Plate et blikklag med en tykkelse på 0,003–0,015 mm. ③ Plate et ikke-porøst kobberlag med en tykkelse på mer enn 0,02 mm. ④ Plate et nikkellag med en tykkelse på 0,02–0,04 mm. ⑤ Påfør et anti-nitreringsbelegg.
Overflateruheten til delene før nitrering bør oppfylle kravene i tegningen. Generelt bør overflateruhetsverdien Ra kontrolleres mellom 0,4 og 0,8 μm. Overflaten skal være ren og fri for oljeflekker, rustflekker og bulker, spesielt skarpe kanter. Arbeidsstykkets bearbeidingsgodtgjørelse skal oppfylle prosessspesifikasjonene. Generelt bør slipetillegget på den ene siden av den nitrerte overflaten til konstruksjonsdeler være mindre enn eller lik 0,05 mm.
Nitreringsprosesstemperaturen er relativt lav, vanligvis 460–650 grader. Nitrering atmosfærekontroll er svært viktig. Unormal atmosfære kan føre til defekter som utilstrekkelig nitreringslagsdybde, nitreringslagsnettverksstruktur og løs forbindelse [3]. Siden nitrering ikke gjennomgår bråkjøling eller andre behandlinger som forårsaker stor deformasjon, er deformasjonen liten, noe som er en stor fordel med nitreringsprosessen og er svært gunstig for deler som ikke vil bli bearbeidet etter nitrering. Hovedårsaken til den dimensjonale ustabiliteten til nitrering er endringen i struktur og restspenning, samt den mikro-plastiske deformasjonen som oppstår under driftsforhold. Generelt er deformasjonen av den nitrerte overflaten positivt korrelert med tykkelsen av det nitrerte laget, som er omtrent 1/10 av tykkelsen til det nitrerte laget av delen. Ved kompilering av prosessflyten bør påvirkningen av deformasjon på dimensjonene anerkjennes fullt ut. Dimensjoner med små toleranser skal presisjonsbearbeides etter nitrering.
DEL 2
Analyse av vanskelighetene med å bearbeide koblingsakseldeler
Koblingsakselen vist i figur 1 brukes i strømtilbakekoblingsanordningen til den servovariable hydrauliske motoren, slik som våpenluke og klaff. Det er forbindelsesbroen mellom svingplateenheten og sensoren. Dens funksjon er å nøyaktig overføre rotasjonsvinkelmomentet til svingplateenheten til sensoren og overvåke flyten til den hydrauliske motoren. Delen er laget av 0Cr17Ni4Cu4Nb nedbør-herdende rustfritt stål. De ytre sirkulære overflatene på høyre og venstre ende (henholdsvis φmm og φmm) må nitreres til en dybde på 0,1–0,3 mm. Hardheten til den nitrerte overflaten bør være større enn eller lik 58 HRC, mens hardheten til den ikke-nitrerte overflaten og kjernen bør være 31–39 HRC. Overgangspunktene mellom de to tetningssporene og ett holderingsspor på den ytre sirkulære overflaten krever polering med en radius på R0,1–R0,2 mm. På grunn av den høye hardheten og sprøheten til den nitrerte overflaten, ligger maskineringsvanskeligheten i bearbeidingen av den nitrerte overflaten og behandlingen av overgangsfiletene mellom de nitrerte og ikke-nitrerte overflatene. Upassende prosessflyt og bearbeidingsmetoder kan føre til kvalitetsproblemer som flising ved skarpe kanter. Derfor er rasjonaliteten i prosessplanen avgjørende.
Figur 1 Koblingsaksel
DEL 3
Valg av etterbehandlingsmetoder
Nitrerte overflater har høy hardhet, høy styrke, høy sprøhet, slitestyrke og korrosjonsbestandighet, og har god kjemisk stabilitet, men deres bearbeidbarhet er relativt dårlig. Nitrete overflater er typiske harde og sprø materialer. Feil bearbeidingsmetoder kan skade overflatelagstrukturen til arbeidsstykket, noe som gjør bearbeiding av nitrerte overflater av høy-kvalitet til en teknisk utfordring.
De viktigste maskineringsmetodene for nitrerte overflater er dreiing, fresing og sliping. Med tanke på verktøyets slitestyrke og verktøylevetid, bør PCBN (polykrystallinsk kubisk bornitrid) innsatser brukes til dreiing og fresing når det er mulig. Polykrystallinske kubiske bornitridinnsatser har en hardhet på 3500–4500 HV og en varmebestandighetstemperatur på 1250–1350 grader. De viser eksepsjonell kjemisk treghet, god seighet og termisk ledningsevne, lav friksjonskoeffisient og sterke anti-adhesjonsegenskaper, noe som gjør dem spesielt egnet for maskinering av herdet stål, kobolt-baserte materialer og nikkel-baserte materialer som er vanskelige å kutte [4, 5]. Ved verktøybanedesign bør verktøyet gå inn fra utsiden av arbeidsstykket mot den faste delen, og unngå banen fra den faste delen mot utsiden. Allikevel kan kantavhugging ikke elimineres helt.
Sliping bør være den foretrukne bearbeidingsmetoden når delstrukturen tillater det. Når du velger slipeskiver, bør de med for høy hardhet generelt unngås. For høy hardhet fører til en rask temperaturøkning ved kontaktpunktet, og forårsaker termisk spenning på arbeidsstykkets overflate ved høye slipetemperaturer, noe som til slutt resulterer i gjenværende strekkspenning og høy risiko for slipesprekker. Slipeskiver av hvit smeltet alumina gir god skjæreytelse, men deres lavere seighet tillater enkel sliping av slipende korn. For nitrert overflatesliping er hvite smeltede aluminaskiver overlegne enn enkelt- smeltede aluminiumoxydskiver [6-8].
Eksterne sylindriske slipemetoder er delt inn i langsgående sliping og tverrgående sliping. Mens langsgående sliping har lavere effektivitet, gir det bedre overflatekvalitet og lavere overflateruhet. Tverrgående sliping, selv om den er mer effektiv, krever større slipekraft og høyere temperaturer, noe som krever tilstrekkelig tilførsel av skjærevæske. For nitrert overflatesliping foretrekkes langsgående sliping, til tross for dens lavere effektivitet, da varmen lettere spres under slipeprosessen, noe som reduserer sannsynligheten for slipesprekker.
DEL 4
Prosessflyt
Når du kompilerer prosessspesifikasjonene for nitrerte rustfrie ståldeler, bør inndelingen av behandlingstrinn og valg av anti-nitreringsmetoder vurderes fullt ut. Samtidig bør stress-avlastningsprosesser arrangeres på passende steder for å eliminere deldeformasjon forårsaket av prosesseringsspenning. Sliping bør brukes så mye som mulig for nitrert overflatebehandling. Sliping genererer trykkspenning på arbeidsstykkets overflate, mens dreiing og fresing genererer strekkspenning. Sliping er mer sannsynlig å sikre integriteten til deloverflaten. Prosessflyten kan generelt deles inn i følgende stadier:
(1) Forming av giremne: Emnet er et smi- eller stanglager.
(2) Grov bearbeiding: Fjerning av en betydelig mengde overflødig materiale.
(3) Løsningsbehandling og nedbørsherding: Sikre hardhetskravene til den ikke-nitrerte overflaten.
(4) Halv-finish: Fjerning av den svarte skalaen fra den varme-behandlede overflaten, og la det være en liten mengde etterbehandling.
(5) Avspenningsbehandling: For komplekse, tynne-veggede deler med presisjon og stor-diameter, bør avspenningsbehandling utføres etter grov- eller halv-bearbeiding for å redusere deformasjon under nitrering (flere behandlinger kan være nødvendig). En viss maskineringsgodtgjørelse bør stå igjen før stressavlastning.
(6) Kobberbelegg: Kobberbelegg påføres for beskyttelse, med en total kobberbeleggtykkelse på 30–50 μm.
(7) Halv-etterbehandling: Kobberlaget på den nitrerte overflaten fjernes, og fullfører overflatebearbeidingen for nitrering.
(8) Gassnitrering: Overflatenitrering er fullført. For spesielt presise eller lett deformerbare deler etterlates et visst slipetillegg før nitrering, og kobberet fjernes ved sliping etter nitrering.
(9) Kobberfjerning: Alle kobberlag på overflaten av delen fjernes.
(10) Etterbehandling: Den nitrerte overflaten og presisjonsdimensjonene er ferdige.
DEL 5
Maskineringsflyt og eksisterende problemer før prosessoptimalisering
Hovedbearbeidingsflyten til forbindelsesakselen før prosessoptimalisering var: CNC-dreiing av φ10mm ytre diameter og spor → grovfresing av φ5mm ytre diameter og delkontur → kobberplettering → CNC-dreiing for å fjerne kobberlaget fra overflaten av φ10mm ytre diameter → den vertikale machen den 5 mm ytre diameteren ytre diameter → nitrering → kobberstripping → ekstern sylindrisk sliping av φ10mm ytre diameter → polering av fileten.
Fordi filetradiusen R0,15mm ved krysset mellom φ10mm ytre diameter og 3,4mm brede spor, og radius R0,5mm ved den skarpe kanten av φ5mm ytre diameter krysset, etter maskinering på den ytre sylindriske slipemaskinen og koordinatslipemaskinen, er R0,15mm ikke lenger komplette og R0,15mm. Selv om det produseres skarpe kanter etter sliping, kreves det polering for å oppfylle filetkravene. Filettoleransen er imidlertid liten, og det er lett å overskride toleransen under polering. Videre, på grunn av overdreven fjerning av kvoter under filetpolering, er det stor sannsynlighet for at det oppstår flising i kantene. I mellomtiden vil det ringformede sporet på den ytre sirkelen gjennomgå en liten deformasjon etter nitrering. Hvis ringsporet maskineres til den endelige størrelsen som kreves av tegningen før nitrering, vil åpningen av ringsporet krympe etter nitrering, noe som resulterer i dimensjonsavvik.
DEL 6
Optimalisert prosessskjema
(1) Optimaliseringsmetode for φ10 mm ytre sirkel: For å sikre integriteten til de avrundede hjørnene etter sliping, må de avrundede hjørnene ved overgangen mellom φ10 mm ytre sirkel og tetningssporet behandles geometrisk under grovbearbeiding. En konisk overgang legges til det avrundede hjørnet, med dybden på den koniske overflaten i henhold til slipegodtgjørelsen og vinkelen på den koniske overflaten i henhold til 10 grader -20 grader. Den koniske overflaten og siden av tetningssporet er overført med avrundede hjørner (de siste avrundede hjørnene som kreves av tegningen). Dette sikrer at etter fjerning av slipegodtgjørelsen under etterbehandlingen, blir de avrundede overgangshjørnene fullstendig bevart, og kantsponene vil ikke være forårsaket av overdreven fjerning av kvoter ved de avrundede hjørnene under etterfølgende polering. Faktisk verifisering viser at etter å ha lagt til den beskyttende koniske overgangsoverflaten, er chipping-fenomenet fullstendig eliminert, noe som sikrer maskineringskvaliteten til delene. Figur 2 viser CNC-dreiningen av den ytre sirkelen og tetningssporet før prosessforbedring. Figur 3 viser den geometriske behandlingen av tetningssporets skarpe kant etter prosessforbedring.
Figur 2: CNC dreiing av ytre sirkel og tetningsspor før prosessforbedring
Figur 3: Geometrisk behandling av tetningssporets skarpe kant etter prosessforbedring
(2) Optimaliseringsmetode for φ5mm ytre sirkel: Den samme behandlingsmetoden brukes for φ5mm ytre sirkel. En 12 graders konisk overflate legges til ved overgangsfileten R(0,5±0,1)mm for å gjøre overgangsområdet mellom de nitrerte og ikke-nitrerte overflatene jevnere. Dette forbedrer spenningstilstanden ved bearbeiding av den φ3,5 mm ytre sirkelen på koordinatsliperen og eliminerer kantflisningsfenomenet. Figur 4 og 5 viser den geometriske behandlingen av den φ3,6 mm sylindriske fileten henholdsvis før og etter prosessforbedring. Figur 4. Geometrisk behandling av den φ3,6 mm sylindriske fileten før prosessforbedring
Figur 5. Geometrisk behandling av den φ3,6 mm sylindriske fileten etter prosessforbedring
(3) Kompensasjon for tetningsspordeformasjon: Kantene på tetningssporet vil krympe på grunn av ekspansjonsdeformasjon. Dette er forårsaket av den skarpe kanteffekten av nitreringsprosessen. Med høy nitrogenkonsentrasjon er volumekspansjonsdeformasjonen større enn andre steder [9, 10]. Tetningssporet med en bredde på 3,4 mm og holderingssporet med en bredde på 1,1 mm har store toleranser. Endringene i sporbredde før og etter nitrering er vist i tabell 1. På bakgrunn av dette justeres dimensjonstoleransene før nitrering for å sikre de endelige dimensjonskravene. Tabell 1. Endringer i rillebredde før og etter nitrering (Enhet: mm)
Tabell 1 viser at endringen i sporbredde før og etter nitrering for et 3,4 mm spor er 0,026–0,035 mm, og bestemmer dermed at toleransen for sporbredde før nitrering skal komprimeres til 3,4 mm; endringen i sporbredde før og etter nitrering for et 1,1 mm spor er 0,010–0,027 mm, og bestemmer dermed at toleransen for sporbredde før nitrering skal komprimeres til 1,1 mm. Etter å ha komprimert toleransene, er de endelige sporbreddedimensjonene til delene innenfor akseptable grenser.
DEL 7
Konklusjon
Nitrerte overflater har høy hardhet og høy slitestyrke, og deres ytelse forblir god ved høye temperaturer. Derfor er deler av nitrert rustfritt stål mye brukt i fly{1}}motorprodukter. Maskinering av nitrerte overflater er relativt vanskelig, og krever høye standarder for verktøysslitasjemotstand, valg av skjæreparametere og planlegging av skjærebaner. Ved å øke den beskyttende koniske overgangsfileten og komprimere dimensjonstoleransene før nitrering, ble problemene med lav maskineringseffektivitet, lett flising av kanter og redusert sporbredde etter nitrering av rustfrie ståldeler løst, og overvunnet maskineringsvanskene til slike deler. Beståelsesraten for deler økte fra ca. 50 % før forbedringen til 100 %, og oppnådde gode resultater.
