Elemezzük a tengelyrészek összekötésének feldolgozási nehézségeit, és javítjuk a feldolgozási módszereket. A hangsúly a nitridált felület megmunkálásával kapcsolatos óvintézkedéseken van. Az alkatrészek éleinek nitridálás előtti tompításával javul a nitridálás közbeni feszültséghelyzet, ami hatékonyan oldja meg azt a problémát, hogy a nitridálás utáni megmunkálás során az alkatrészek élei könnyen letörhetők, és biztosítja az alkatrészek feldolgozási minőségét.
1. RÉSZ
Bevezetés
A nitridálás az a folyamat, amikor nitrogénatomokat szivárogtatnak be a munkadarab felületi rétegébe, ami megváltoztatja a felületi réteg kémiai összetételét, és főként nitridekből álló réteget képez, ezáltal javítva az alkatrészek felületi keménységét, kopásállóságát, fáradtságállóságát és kopásállóságát[1]. Gáznitridálás után az alkatrészek felületi keménysége elérheti az 1000 HV-ot (kb. 70 HRC) 50 N terhelés mellett, és 600 fokos hőmérsékleten továbbra is nagy keménységet és magas kopásállóságot tud fenntartani. A nitridálás után az alkatrészek felülete nagyobb maradó nyomófeszültséghez juthat, és a kifáradási szilárdság is nagymértékben javulhat[2], amihez nincs párja más kémiai hőkezeléseknek. A nitridálást többek között gáznitridálásra, folyékony nitridálásra és ionnitridálásra osztják. Cégünk jelenleg elsősorban gáznitridálást alkalmaz. A folyékony nitridálással összehasonlítva a gáznitridálás könnyebb atmoszféra szabályozást tesz lehetővé (nitridáló közegként ammóniát használva), kevesebb olyan káros gázt termel, amely veszélyezteti az emberi egészséget és a környezetet, és stabilabb minőséget mutat, így szélesebb körben alkalmazható. A nitridált alkatrészekhez gyakran használt anyagok a következők: 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH18,5Mo8), TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) és 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo), és jellemzően kopásállóságot igénylő alkalmazásokban használatosak, például ízületeknél, támasztékoknál és lengőkaroknál.
A nitridálást általános és helyi nitridálásra osztják. A tervezés során lehetőség szerint kerülni kell a helyi nitridálást. Ha helyi nitridálásra van szükség, a következő módszerek egyike használható a nitridálás elleni kezeléshez: ① A nitridálási mélység kétszeresénél nagyobb megmunkálási ráhagyás megengedett. ② 0,003–0,015 mm vastagságú ónréteget vonjon le. ③ Vázoljon le egy nem-porózus rézréteget, amelynek vastagsága meghaladja a 0,02 mm-t. ④ Vonjon le egy 0,02–0,04 mm vastag nikkelréteget. ⑤ Vigyen fel nitridáló bevonatot-.
Az alkatrészek felületi érdességének nitridálás előtt meg kell felelnie a rajz követelményeinek. Általában az Ra felületi érdesség értékét 0,4 és 0,8 μm között kell szabályozni. A felület legyen tiszta, olajfoltoktól, rozsdafoltoktól és horpadásoktól, különösen éles szélektől mentes. A munkadarab megmunkálási ráhagyásának meg kell felelnie a folyamat specifikációinak. Általában a szerkezeti részek nitridált felületének egyik oldalán a csiszolási ráhagyás legfeljebb 0,05 mm lehet.
A nitridálási folyamat hőmérséklete viszonylag alacsony, általában 460-650 fok. A nitridáló légkör szabályozása nagyon fontos. A rendellenes atmoszféra olyan hibákhoz vezethet, mint például az elégtelen nitridáló réteg mélysége, a nitridáló réteg hálózati szerkezete és a laza vegyület [3]. Mivel a nitridálást nem hajtják végre kioltáson vagy egyéb nagy deformációt okozó kezeléseken, az alakváltozás kicsi, ami a nitridálási eljárás egyik fő előnye, és nagyon előnyös azoknál az alkatrészeknél, amelyeket a nitridálás után nem dolgoznak fel. A nitridálás méretbeli instabilitásának fő oka a szerkezet változása és a maradó feszültség, valamint az üzemi körülmények között fellépő mikro-plasztikus deformáció. Általában a nitridált felület deformációja pozitívan korrelál a nitridált réteg vastagságával, amely körülbelül 1/10-e az alkatrész nitridált rétege vastagságának. A folyamatfolyam összeállításakor teljes mértékben fel kell ismerni az alakváltozás méretekre gyakorolt hatását. A kis tűréssel rendelkező méreteket nitridálás után precíziós megmunkálásnak kell alávetni.
2. RÉSZ
Az összekötő tengelyalkatrészek megmunkálási nehézségeinek elemzése
Az 1. ábrán látható összekötő tengelyt a szervo változtatható hidraulikus motor áramlási visszacsatoló eszközében használják, mint például a fegyverfedél és a szárny. Ez az összekötő híd a lengőlemez szerelvény és az érzékelő között. Feladata, hogy pontosan továbbítsa a forgatólemez-szerelvény forgásszög-nyomatékát az érzékelőnek, és figyelje a hidraulikus motor áramlását. Az alkatrész 0Cr17Ni4Cu4Nb csapadék-edzésű rozsdamentes acélból készül. A jobb és bal oldali vég külső körfelületét (φmm, illetve φmm) 0,1-0,3 mm mélységig nitridálni kell. A nitridált felület keménysége nem lehet nagyobb, mint 58 HRC, míg a nem{14}}nitridált felület és a mag keménysége 31–39 HRC legyen. A külső körfelületen lévő két tömítőhorony és egy rögzítőgyűrű horony közötti átmeneti pontok polírozást igényelnek R0,1-R0,2 mm sugarú körben. A nitridált felület nagy keménysége és ridegsége miatt a megmunkálási nehézséget a nitridált felület megmunkálása, valamint a nitridált és a nem{21}}nitridált felületek közötti átmeneti szeletek kezelése jelenti. A nem megfelelő folyamatfolyamat és megmunkálási módszerek minőségi problémákhoz vezethetnek, például forgácsoláshoz éles széleken. Ezért a folyamatterv racionalitása kulcsfontosságú.
1. ábra Csatlakozó tengely
3. RÉSZ
Kidolgozási módszerek kiválasztása
A nitridált felületek nagy keménységgel, nagy szilárdsággal, nagy törékenységgel, kopásállósággal és korrózióállósággal rendelkeznek, és jó a kémiai stabilitásuk, de megmunkálhatóságuk viszonylag rossz. A nitridált felületek tipikus kemény és törékeny anyagok. A nem megfelelő megmunkálási módszerek károsíthatják a munkadarab felületi rétegének szerkezetét, így a nitridált felületek kiváló minőségű megmunkálása technikai kihívást jelent.
A nitridált felületek fő megmunkálási módszerei az esztergálás, marás és köszörülés. Figyelembe véve a szerszám kopásállóságát és élettartamát, lehetőség szerint esztergáláshoz és maráshoz PCBN (polikristályos köbös bór-nitrid) lapkákat kell használni. A polikristályos köbös bór-nitrid betétek keménysége 3500-4500 HV, hőállósági hőmérséklete 1250-1350 fok. Kivételes kémiai tehetetlenséggel, jó szívóssággal és hővezető képességgel, alacsony súrlódási együtthatóval és erős tapadásgátló tulajdonságokkal rendelkeznek, így különösen alkalmasak edzett acél, kobalt{8}} és nehezen vágható nikkel- alapú anyagok megmunkálására [4, 5]. A szerszámpálya tervezésénél a szerszámnak a munkadarabon kívülről kell bemennie a tömör rész felé, elkerülve a tömör részből kifelé vezető utat. Még így sem lehet teljesen kiküszöbölni az élletörést.
A köszörülés legyen az előnyben részesített megmunkálási módszer, ha az alkatrészszerkezet ezt lehetővé teszi. A köszörűkorongok kiválasztásakor általában kerülni kell a túl nagy keménységűeket. A túlzott keménység az érintkezési ponton gyors hőmérséklet-emelkedéshez vezet, ami magas csiszolási hőmérsékleten termikus feszültséget okoz a munkadarab felületén, ami végső soron maradék húzófeszültséget és a köszörülési repedések nagy kockázatát eredményezi. A fehér olvasztott alumínium-oxid csiszolókorongok jó vágási teljesítményt nyújtanak, de alacsonyabb szívósságuk lehetővé teszi a könnyű csiszolószemcsék leválását. A nitridált felületi csiszoláshoz a fehér olvasztott timföldkorongok jobbak, mint az egy-kristályos timföldkorongok [6-8].
A külső hengeres köszörülési módszereket hosszirányú és keresztirányú köszörülésre osztják. Míg a hosszirányú köszörülés hatékonysága alacsonyabb, jobb felületi minőséget és kisebb felületi érdesség érhető el. A keresztirányú köszörülés, bár hatékonyabb, nagyobb csiszolóerőt és magasabb hőmérsékletet igényel, ami elegendő vágófolyadék-ellátást tesz szükségessé. A nitridált felületi csiszoláshoz a hosszirányú köszörülést részesítjük előnyben, annak ellenére, hogy alacsonyabb hatásfokkal, mivel a hő könnyebben távozik az őrlési folyamat során, csökkentve az őrlési repedések valószínűségét.
4. RÉSZ
Folyamatfolyamat
A nitridált rozsdamentes acél alkatrészek eljárási előírásainak összeállításakor teljes mértékben figyelembe kell venni a feldolgozási szakaszok felosztását és a nitridálás elleni módszerek kiválasztását. Ezzel egyidejűleg a feszültségmentesítési folyamatokat megfelelő helyeken kell elhelyezni, hogy kiküszöböljük a feldolgozási feszültség okozta deformációt. A nitridált felület megmunkálásához lehetőleg köszörülést kell alkalmazni. A köszörülés nyomófeszültséget hoz létre a munkadarab felületén, míg az esztergálás és a marás húzófeszültséget. A köszörülés nagyobb valószínűséggel biztosítja az alkatrész felületének integritását. A folyamat folyamata általában a következő szakaszokra osztható:
(1) Fogaskerék-alakítás: A nyersdarab kovácsolt vagy rúdanyag.
(2) Nagyoló megmunkálás: Jelentős mennyiségű felesleges anyag eltávolítása.
(3) Oldatkezelés és csapadékos keményítés: A nem-nitridált felület keménységi követelményeinek biztosítása.
(4) Fél-kikészítés: A fekete vízkő eltávolítása a hőkezelt felületről, egy kis ráhagyás a befejezéshez.
(5) Feszültségcsökkentő kezelés: Összetett, vékony{1}}falú, precíziós és nagy{2}}átmérőjű részek esetén a feszültségmentesítő kezelést nagyolás vagy félcsiszolat után kell elvégezni a nitridálás közbeni deformáció csökkentése érdekében (többszöri kezelésre lehet szükség). A feszültségmentesítés előtt bizonyos megmunkálási ráhagyást kell hagyni.
(6) Rézbevonat: Védelemként rézbevonatot alkalmaznak, 30–50 μm teljes vastagságú rézbevonattal.
(7) Fél-kikészítés: A nitridált felületről eltávolítják a rézréteget, ezzel befejezve a nitridáláshoz szükséges felületi megmunkálást.
(8) Gáznitridálás: A felületi nitridálás befejeződött. A különösen precíz vagy könnyen deformálható alkatrészeknél a nitridálás előtt bizonyos csiszolási ráhagyást hagynak, a rezet pedig nitridálás után köszörüléssel távolítják el.
(9) Réz eltávolítása: Az alkatrész felületén lévő összes rézréteget eltávolítják.
(10) Kidolgozás: A nitridált felület és a precíziós méretek elkészültek.
5. RÉSZ
Megmunkálási folyamat és meglévő problémák a folyamatoptimalizálás előtt
Az összekötő tengely fő megmunkálási folyamata a folyamatoptimalizálás előtt a következő volt: φ10 mm-es külső átmérő és horony CNC esztergálása → φ5 mm-es külső átmérő és alkatrész körvonalának durva marása → rézbevonat → CNC esztergálás a rézréteg eltávolítására a φ10 mm külső átmérő felületéről → 5 mm-es réz megmunkálási középpont → a réz külső átmérőjének eltávolítása. rézcsupaszítás → a φ10mm-es külső átmérő külső hengeres csiszolása → a filé polírozása.
Mivel a φ10 mm-es külső átmérő és a 3,4 mm széles horony találkozásánál az R0,15 mm-es palánksugár, valamint a φ5 mm-es külső átmérőjű csomópont éles szélénél az R0,5 mm-es sugár a külső hengeres csiszológépen és koordinátacsiszológépen végzett megmunkálás után R0,15 mm-es és már nem teljes. Bár a csiszolás után éles élek keletkeznek, a filézési követelmények teljesítéséhez polírozás szükséges. A filé tűrése azonban kicsi, és a polírozás során könnyű túllépni. Ezen túlmenően, mivel a filé polírozása során túlzott mértékben eltávolítják a ráhagyást, nagyon valószínű, hogy a széleken forgácsolás lép fel. Eközben a külső körön lévő gyűrű alakú horony nitridálás után enyhén deformálódik. Ha a gyűrűs hornyot a nitridálás előtt a rajz által megkívánt végső méretre megmunkálják, akkor a gyűrűs horony nyílása a nitridálás után összezsugorodik, ami méreteltéréseket eredményez.
6. RÉSZ
Optimalizált folyamat séma
(1) Optimalizálási módszer φ10 mm-es külső körhöz: A lekerekített sarkok sértetlenségének biztosítása érdekében a csiszolás után a φ10 mm-es külső kör és a tömítőhorony közötti átmenetnél a lekerekített sarkokat geometriailag meg kell dolgozni a durva megmunkálás során. A lekerekített sarokba egy kúpos átmenet kerül hozzáadásra, a kúpos felület mélysége a csiszolási ráhagyás szerint, a kúpos felület szöge pedig 10 fok -20 fok. A kúpos felület és a tömítőhorony oldala lekerekített sarkokkal átmenet (a rajz által megkövetelt végső lekerekített sarkok). Ez biztosítja, hogy a csiszolási ráhagyás simítás közbeni eltávolítása után az átmeneti lekerekített sarkok teljesen megmaradnak, és a későbbi polírozás során a lekerekített sarkoknál nem keletkezik túlzott ráhagyás a peremforgácsok miatt. A tényleges ellenőrzés azt mutatja, hogy a védő átmeneti kúpos felület hozzáadása után a forgácsolási jelenség teljesen megszűnik, biztosítva az alkatrészek megmunkálási minőségét. A 2. ábra a külső kör és a tömítőhorony CNC-elforgatását mutatja a folyamat javítása előtt. A 3. ábra a tömítőhorony éles élének geometriai kezelését mutatja az eljárás javítása után.
2. ábra: A külső kör és a tömítőhorony CNC esztergálása a folyamat javítása előtt
3. ábra: A tömítőhorony éles élének geometriai kezelése folyamatjavítás után
(2) Optimalizálási módszer φ5 mm-es külső körhöz: Ugyanezt a kezelési módszert alkalmazzuk a φ5 mm-es külső körhöz. Egy 12 fokos kúpos felületet adunk az R(0,5±0,1) mm-es átmeneti szelethez, hogy a nitridált és a nem{7}}nitridált felületek közötti átmeneti terület simább legyen. Ez javítja a feszültségi állapotot a φ3,5 mm-es külső kör megmunkálásakor a koordinátacsiszolón, és kiküszöböli az élforgácsolás jelenségét. A 4. és 5. ábra a φ3,6 mm-es hengeres filé geometriai kezelését mutatja a folyamatjavítás előtt, illetve után. 4. ábra A φ3,6 mm-es hengeres filé geometriai kezelése folyamatjavítás előtt
5. ábra A φ3,6 mm-es hengeres filé geometriai kezelése folyamatjavítás után
(3) Tömítőhorony deformáció kompenzációja: A tömítőhorony szélei zsugorodnak a tágulási deformáció miatt. Ezt a nitridálási folyamat éles peremhatása okozza. Magas nitrogénkoncentráció mellett a térfogattágulási deformáció nagyobb, mint más helyeken [9, 10]. A 3,4 mm széles tömítőhorony és az 1,1 mm széles tartógyűrű horony nagy tűréssel rendelkezik. A nitridálás előtti és utáni horonyszélesség változásait az 1. táblázat mutatja. Ennek alapján a nitridálás előtti mérettűréseket úgy állítjuk be, hogy biztosítsák a végső méretigényeket. 1. táblázat: A horonyszélesség változásai nitridálás előtt és után (egység: mm)
Az 1. táblázat azt mutatja, hogy a horonyszélesség változása a nitridálás előtt és után egy 3,4 mm-es horony esetén 0,026–0,035 mm, így meghatározva, hogy a nitridálás előtti horonyszélesség-tűrést 3,4 mm-re kell összenyomni; a horonyszélesség változása a nitridálás előtt és után egy 1,1 mm-es horony esetén 0,010–0,027 mm, így meghatározva, hogy a nitridálás előtti horonyszélesség-tűrést 1,1 mm-re kell összenyomni. A tűrések összenyomása után az alkatrészek végleges horonyszélességi méretei az elfogadható határokon belül vannak.
7. RÉSZ
Következtetés
A nitridált felületek nagy keménységgel és kopásállósággal rendelkeznek, teljesítményük magas hőmérsékleten is jó marad. Ezért a nitridált rozsdamentes acél alkatrészeket széles körben használják a repülőgép-hajtóművekben{1}}. A nitridált felületek megmunkálása viszonylag nehéz, magas követelményeket követel meg a szerszámkopásállóság, a forgácsolási paraméterek megválasztása és a vágási útvonalak tervezése terén. A védőkúpos átmenet filé növelésével és a mérettűrések nitridálás előtti összenyomásával megoldódott az alacsony megmunkálási hatásfok, az élek könnyű leforgácsolása, valamint a rozsdamentes acél alkatrészek nitridálása utáni csökkentett horonyszélesség problémája, áthidalva az ilyen alkatrészek megmunkálási nehézségeit. Az alkatrészek áthaladási aránya a fejlesztés előtti körülbelül 50%-ról 100%-ra nőtt, jó eredményeket érve el.
