Анализират се трудностите при обработката на свързващите части на вала и се подобряват методите на обработка. Фокусът е върху предпазните мерки при обработка на азотирана повърхност. Чрез затъпяване на ръбовете на частите преди азотиране се подобрява ситуацията на напрежение по време на азотиране, което ефективно решава проблема, че ръбовете на частите са лесни за отчупване при обработка след азотиране, и гарантира качеството на обработката на частите.
ЧАСТ 1
Въведение
Азотирането е процес на проникване на азотни атоми в повърхностния слой на детайла, който променя химичния състав на повърхностния слой и образува слой, съставен основно от нитриди, като по този начин подобрява твърдостта на повърхността, устойчивостта на износване, устойчивостта на умора и свойствата против -надраскване на частите[1]. След газово азотиране повърхностната твърдост на частите може да достигне 1000 HV (около 70 HRC) при натоварване от 50 N и все още може да поддържа висока твърдост и висока устойчивост на износване при температура от 600 градуса. След азотиране, повърхността на частите може да получи по-голямо остатъчно напрежение на натиск и якостта на умора също може да бъде значително подобрена [2], което е несравнимо с други химически термични обработки. Азотирането се категоризира на газово азотиране, течно азотиране и йонно азотиране, между другото. В момента нашата компания използва предимно газово азотиране. В сравнение с течното азотиране, газовото азотиране предлага по-лесен контрол на атмосферата (използвайки амоняк като среда за азотиране), произвежда по-малко вредни газове, които застрашават човешкото здраве и околната среда, и показва по-стабилно качество, което го прави по-широко използван. Често използваните материали за азотирани части включват 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) и 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) и обикновено се използват в приложения, изискващи устойчивост на износване, като съединения, опори и кобилици.
Азотирането се разделя на общо азотиране и локализирано азотиране. Локализираното азотиране трябва да се избягва, доколкото е възможно, по време на проектирането. Ако е необходимо локализирано азотиране, може да се използва един от следните методи за обработка срещу -азотиране: ① Позволете допускане на механична обработка повече от два пъти дълбочината на азотиране. ② Покрийте слой калай с дебелина 0,003–0,015 mm. ③ Покрийте непорест меден слой с дебелина повече от 0,02 mm. ④ Покрийте никелов слой с дебелина 0,02–0,04 mm. ⑤ Нанесете анти{13}}азотиращо покритие.
Грапавостта на повърхността на частите преди азотиране трябва да отговаря на изискванията на чертежа. Като цяло стойността на грапавостта на повърхността Ra трябва да се контролира между 0,4 и 0,8 μm. Повърхността трябва да е чиста и без маслени петна, петна от ръжда и вдлъбнатини, особено остри ръбове. Допускът за обработка на детайла трябва да отговаря на спецификациите на процеса. Като цяло допустимото шлайфане от едната страна на азотираната повърхност на структурните части трябва да бъде по-малко или равно на 0,05 mm.
Температурата на процеса на азотиране е сравнително ниска, обикновено 460–650 градуса. Контролът на атмосферата на азотиране е много важен. Анормалната атмосфера може да доведе до дефекти като недостатъчна дълбочина на азотиращия слой, мрежеста структура на азотиращия слой и разхлабено съединение [3]. Тъй като азотирането не се подлага на закаляване или други обработки, които причиняват голяма деформация, деформацията е малка, което е основно предимство на процеса на азотиране и е много полезно за части, които няма да бъдат обработени след азотиране. Основната причина за нестабилността на размерите на азотирането е промяната в структурата и остатъчното напрежение, както и микро-пластичната деформация, която възниква при експлоатационни условия. Като цяло, деформацията на азотираната повърхност е в положителна корелация с дебелината на азотирания слой, която е около 1/10 от дебелината на азотирания слой на детайла. При съставянето на потока на процеса влиянието на деформацията върху размерите трябва да бъде напълно признато. Размерите с малки допуски трябва да бъдат прецизно обработени след азотиране.
ЧАСТ 2
Анализ на трудностите при обработката на свързващи части на вала
Свързващият вал, показан на фигура 1, се използва в устройството за обратна връзка на потока на серво променливия хидравличен двигател, като люк и клапа на оръжието. Това е свързващият мост между модула на наклонената плоча и сензора. Неговата функция е точно да предава въртящия момент на ъгъла на въртене на модула на наклонената плоча към сензора и да наблюдава потока на хидравличния мотор. Частта е изработена от 0Cr17Ni4Cu4Nb-неръждаема стомана с утаяване. Външните кръгли повърхности на десния и левия край (съответно φmm и φmm) трябва да бъдат азотирани до дълбочина от 0,1–0,3 mm. Твърдостта на азотираната повърхност трябва да бъде по-голяма или равна на 58 HRC, докато твърдостта на не-азотираната повърхност и сърцевината трябва да бъде 31–39 HRC. Точките на преход между двата уплътнителни канала и един жлеб на задържащия пръстен на външната кръгла повърхност изискват полиране с радиус от R0,1–R0,2 mm. Поради високата твърдост и крехкост на азотираната повърхност, трудността при машинната обработка се състои в машинната обработка на азотираната повърхност и обработката на преходните участъци между азотираната и не-азотираната повърхност. Неподходящият поток на процеса и методите на обработка могат да доведат до проблеми с качеството, като натрошаване на остри ръбове. Следователно рационалността на плана на процеса е от решаващо значение.
Фигура 1 Свързващ вал
ЧАСТ 3
Избор на методи за довършителни работи
Азотираните повърхности притежават висока твърдост, висока якост, висока крехкост, устойчивост на износване и устойчивост на корозия и имат добра химическа стабилност, но тяхната обработваемост е относително лоша. Азотираните повърхности са типични твърди и крехки материали. Неправилните методи на обработка могат да повредят структурата на повърхностния слой на детайла, което прави високо{2}}качествената обработка на азотирани повърхности техническо предизвикателство.
Основните методи за обработка на азотирани повърхности са струговане, фрезоване и шлайфане. Като се има предвид устойчивостта на износване и живота на инструмента, вложките от PCBN (поликристален кубичен борен нитрид) трябва да се използват за струговане и фрезоване, когато е възможно. Вложките от поликристален кубичен борен нитрид имат твърдост от 3500–4500 HV и температура на устойчивост на топлина от 1250–1350 градуса. Те показват изключителна химическа инертност, добра якост и топлопроводимост, нисък коефициент на триене и силни анти{7}}адхезионни свойства, което ги прави особено подходящи за обработка на закалена стомана, материали на основата на кобалт-и материали на основата на никел-, които са трудни за рязане [4, 5]. При проектирането на пътя на инструмента инструментът трябва да влиза от външната страна на детайла към твърдата част, като избягва пътя от твърдата част към външната страна. Въпреки това, натрошаването на ръбовете не може да бъде напълно елиминирано.
Шлифоването трябва да бъде предпочитаният метод на обработка, когато структурата на частта го позволява. При избора на шлифовъчни дискове по принцип трябва да се избягват тези с прекалено висока твърдост. Прекомерната твърдост води до бързо покачване на температурата в точката на контакт, причинявайки термично напрежение върху повърхността на детайла при високи температури на смилане, което в крайна сметка води до остатъчно напрежение на опън и висок риск от пукнатини при смилане. Шлифовъчните колела от стопен алуминиев оксид предлагат добра производителност при рязане, но по-ниската им якост позволява лесно отделяне на абразивни зърна. За азотирано повърхностно шлайфане колелата от стопен бял алуминиев оксид са по-добри от колелата от единичен-кристален алуминиев оксид [6-8].
Методите за външно цилиндрично шлайфане се разделят на надлъжно шлайфане и напречно шлайфане. Докато надлъжното шлайфане има по-ниска ефективност, то води до по-добро качество на повърхността и по-ниска грапавост на повърхността. Напречното шлайфане, макар и по-ефективно, изисква по-голяма сила на шлайфане и по-високи температури, което налага достатъчно снабдяване с режеща течност. За азотирано повърхностно шлайфане се предпочита надлъжното шлайфане, въпреки по-ниската му ефективност, тъй като топлината се разсейва по-лесно по време на процеса на шлайфане, намалявайки вероятността от пукнатини при шлайфане.
ЧАСТ 4
Поток на процеса
При съставянето на спецификациите на процеса за части от азотирана неръждаема стомана, трябва да се вземе предвид разделянето на етапите на обработка и изборът на методи за анти{0}}азотиране. Едновременно с това процесите-за освобождаване на напрежението трябва да бъдат организирани на подходящи места, за да се елиминира деформацията на частта, причинена от напрежението при обработката. Шлифоването трябва да се използва колкото е възможно повече за обработка на азотирана повърхност. Шлифоването генерира напрежение на натиск върху повърхността на детайла, докато струговането и фрезоването генерират напрежение на опън. По-вероятно е шлайфането да гарантира целостта на повърхността на детайла. Процесът най-общо може да бъде разделен на следните етапи:
(1) Формоване на заготовка за зъбно колело: Заготовката е изкован или прътов материал.
(2) Груба механична обработка: Отстраняване на значително количество излишен материал.
(3) Обработка с разтвор и утаително втвърдяване: Гарантиране на изискванията за твърдост на не-азотираната повърхност.
(4) Полу{1}}довършителни работи: Премахване на черния нагар от топлинно-обработената повърхност, оставяйки малко отпуск за довършителни работи.
(5) Третиране за облекчаване на напрежението: За сложни, тънко{1}}стенни, прецизни части и с голям-диаметър, третирането за облекчаване на напрежението трябва да се извърши след груба или полу-довършителна обработка, за да се намали деформацията по време на азотиране (може да са необходими многократни обработки). Преди облекчаване на напрежението трябва да се остави известен припуск за обработка.
(6) Медно покритие: Медното покритие се прилага за защита с обща дебелина на медното покритие от 30–50 μm.
(7) Полу-обработка: Медният слой върху азотираната повърхност се отстранява, завършвайки обработката на повърхността за азотиране.
(8) Газово азотиране: Повърхностното азотиране е завършено. За особено прецизни или лесно деформируеми части се оставя определен припуск за смилане преди азотиране, а медта се отстранява чрез смилане след азотиране.
(9) Отстраняване на мед: Всички медни слоеве на повърхността на частта се отстраняват.
(10) Завършване: Азотираната повърхност и прецизните размери са завършени.
ЧАСТ 5
Поток на обработка и съществуващи проблеми преди оптимизиране на процеса
Основният поток на обработка на свързващия вал преди оптимизирането на процеса беше: CNC струговане на φ10 mm външен диаметър и жлеб → грубо фрезоване на φ5 mm външен диаметър и очертания на детайла → медно покритие → CNC струговане за отстраняване на медния слой от повърхността на φ10 mm външен диаметър → вертикален обработващ център за отстраняване на медния слой от повърхността на φ5 mm външен диаметър → азотиране → отстраняване на мед → външно цилиндрично шлайфане на φ10 mm външен диаметър → полиране на филето.
Тъй като радиусът на филетата R0,15 mm на кръстовището на външния диаметър φ10 mm и жлеба с ширина 3,4 mm и радиусът R0,5 mm на острия ръб на съединението на външния диаметър φ5 mm, след обработка на външната машина за цилиндрично шлайфане и машината за координатно шлайфане, R0,15 mm и R0,5 mm вече не са завършени. Въпреки че след шлайфането се получават остри ръбове, е необходимо полиране, за да се изпълнят изискванията за филето. Въпреки това толерансът на филе е малък и е лесно да се надхвърли толерансът по време на полиране. Освен това, поради прекомерното отстраняване на резерва по време на полиране на филето, е много вероятно да се появят стърготини по краищата. Междувременно пръстеновидният жлеб на външния кръг ще претърпи лека деформация след азотиране. Ако пръстеновидният жлеб е машинно обработен до крайния размер, изискван от чертежа, преди азотиране, отворът на пръстеновидния жлеб ще се свие след азотиране, което ще доведе до отклонения в размерите.
ЧАСТ 6
Оптимизирана технологична схема
(1) Метод за оптимизация за φ10 mm външен кръг: За да се гарантира целостта на заоблените ъгли след шлайфане, заоблените ъгли на прехода между φ10 mm външен кръг и уплътнителния жлеб трябва да бъдат геометрично обработени по време на груба обработка. Добавя се коничен преход към заобления ъгъл, с дълбочина на коничната повърхност в съответствие с допустимото смилане и ъгъл на коничната повърхност в съответствие с 10 градуса -20 градуса. Конусовидната повърхност и страната на уплътнителния жлеб са заоблени със заоблени ъгли (крайните заоблени ъгли, изисквани от чертежа). Това гарантира, че след премахване на добавката за шлайфане по време на довършителната обработка, преходните заоблени ъгли са напълно запазени и стърготини по ръбовете няма да бъдат причинени от прекомерно премахване на добавката в заоблените ъгли по време на последващо полиране. Действителната проверка показва, че след добавяне на защитната преходна конична повърхност, феноменът на отчупване е напълно елиминиран, гарантирайки качеството на обработка на частите. Фигура 2 показва CNC струговане на външния кръг и уплътнителния жлеб преди подобряване на процеса. Фигура 3 показва геометричната обработка на острия ръб на уплътнителния канал след подобрение на процеса.
Фигура 2: CNC струговане на външния кръг и уплътнителния канал преди подобряване на процеса
Фигура 3: Геометрична обработка на острия ръб на уплътнителния канал след подобрение на процеса
(2) Метод за оптимизация за φ5 mm външен кръг: Същият метод на обработка се използва за φ5 mm външен кръг. Добавя се 12-градусова конична повърхност към преходния участък R(0,5±0,1) mm, за да направи преходната зона между азотираните и не-азотираните повърхности по-гладка. Това подобрява състоянието на напрежението при обработката на външния кръг φ3,5 mm на координатната шлифовъчна машина и елиминира феномена на отчупване на ръба. Фигури 4 и 5 показват геометричната обработка на φ3,6 mm цилиндрично филе преди и след подобрение на процеса, съответно. Фигура 4. Геометрична обработка на φ3,6 mm цилиндрично уплътнение преди подобряване на процеса
Фигура 5. Геометрична обработка на φ3,6 mm цилиндрично филе след подобрение на процеса
(3) Компенсация на деформация на уплътнителния жлеб: Ръбовете на уплътнителния жлеб ще се свият поради деформация при разширение. Това се дължи на ефекта на острия ръб на процеса на азотиране. При висока концентрация на азот, деформацията на обемното разширение е по-голяма, отколкото на други места [9, 10]. Уплътнителният жлеб с ширина 3,4 мм и жлебът на задържащия пръстен с ширина 1,1 мм имат големи допустими отклонения. Промените в ширината на канала преди и след азотиране са показани в таблица 1. Въз основа на това допустимите отклонения на размерите преди азотиране се коригират, за да се осигурят крайните изисквания за размерите. Таблица 1. Промени в ширината на канала преди и след азотиране (Единица: mm)
Таблица 1 показва, че промяната в ширината на канала преди и след азотиране за 3,4 mm канал е 0,026–0,035 mm, като по този начин се определя, че толерансът на ширината на канала преди азотиране трябва да бъде компресиран до 3,4 mm; промяната в ширината на канала преди и след азотиране за 1,1 mm канал е 0,010–0,027 mm, като по този начин се определя, че допустимото отклонение на ширината на канала преди азотиране трябва да бъде компресирано до 1,1 mm. След компресиране на допустимите отклонения, крайните размери на ширината на жлебовете на частите са в приемливи граници.
ЧАСТ 7
Заключение
Азотираните повърхности притежават висока твърдост и висока устойчивост на износване и тяхната производителност остава добра при високи температури. Поради това частите от азотирана неръждаема стомана се използват широко в продуктите на авио-двигателите. Обработката на азотирани повърхности е сравнително трудна и изисква високи стандарти за устойчивост на износване на инструмента, избор на параметри на рязане и планиране на траектории на рязане. Чрез увеличаване на защитното конично преходно уплътнение и компресиране на допустимите отклонения на размерите преди азотиране, проблемите с ниската ефективност на обработката, лесното отчупване на ръбове и намалената ширина на канала след азотиране на части от неръждаема стомана бяха решени, преодолявайки трудностите при обработката на такива части. Степента на преминаване на частите се увеличи от около 50% преди подобрението до 100%, постигайки добри резултати.
