Analizowane są trudności w przetwarzaniu łączących części wałów i ulepszane są metody przetwarzania. Skupiono się na środkach ostrożności podczas obróbki azotowanej powierzchni. Dzięki stępieniu krawędzi części przed azotowaniem poprawia się sytuacja naprężeń podczas azotowania, co skutecznie rozwiązuje problem łatwego łamania się krawędzi części podczas obróbki po azotowaniu i zapewnia jakość obróbki części.
CZĘŚĆ 1
Wstęp
Azotowanie to proces infiltracji atomów azotu w warstwę powierzchniową przedmiotu obrabianego, który zmienia skład chemiczny warstwy powierzchniowej i tworzy warstwę złożoną głównie z azotków, poprawiając w ten sposób twardość powierzchni, odporność na zużycie, odporność-na zmęczenie i właściwości zapobiegające zacieraniu się części[1]. Po azotowaniu gazowym twardość powierzchniowa części może osiągnąć 1000 HV (około 70 HRC) pod obciążeniem 50 N i nadal może utrzymywać wysoką twardość i wysoką odporność na zużycie w temperaturze 600 stopni. Po azotowaniu powierzchnia części może uzyskać większe szczątkowe naprężenia ściskające, a także można znacznie poprawić wytrzymałość zmęczeniową [2], co nie ma sobie równych w przypadku innych chemicznych obróbek cieplnych. Azotowanie dzieli się między innymi na azotowanie gazowe, azotowanie ciekłe i azotowanie jonowe. Nasza firma obecnie wykorzystuje przede wszystkim azotowanie gazowe. W porównaniu do azotowania ciekłego, azotowanie gazowe zapewnia łatwiejszą kontrolę atmosfery (wykorzystując amoniak jako medium azotujące), wytwarza mniej szkodliwych gazów zagrażających zdrowiu ludzkiemu i środowisku oraz charakteryzuje się stabilniejszą jakością, co czyni je szerzej stosowanym. Powszechnie stosowane materiały na części azotowane obejmują 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) i 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) i są zwykle stosowane w zastosowaniach wymagających odporności na zużycie, takich jak przeguby, wsporniki i wahacze.
Azotowanie dzieli się na azotowanie ogólne i azotowanie miejscowe. Podczas projektowania należy w miarę możliwości unikać miejscowego azotowania. Jeśli konieczne jest azotowanie miejscowe, można zastosować jedną z następujących metod zapobiegania-azotowaniu: ① Należy uwzględnić naddatek obróbkowy większy niż dwukrotność głębokości azotowania. ② Pokryć warstwą cyny o grubości 0,003–0,015 mm. ③ Nałóż nieporowatą-warstwę miedzi o grubości większej niż 0,02 mm. ④ Nałóż warstwę niklu o grubości 0,02–0,04 mm. ⑤ Nałóż powłokę antyazotującą.
Chropowatość powierzchni części przed azotowaniem powinna odpowiadać wymaganiom rysunku. Ogólnie rzecz biorąc, wartość chropowatości powierzchni Ra powinna być kontrolowana w zakresie od 0,4 do 0,8 μm. Powierzchnia powinna być czysta i wolna od plam oleju, plam rdzy i wgnieceń, zwłaszcza ostrych krawędzi. Naddatek na obróbkę przedmiotu obrabianego powinien odpowiadać specyfikacjom procesu. Ogólnie rzecz biorąc, naddatek na szlifowanie po jednej stronie azotowanej powierzchni części konstrukcyjnych powinien być mniejszy lub równy 0,05 mm.
Temperatura procesu azotowania jest stosunkowo niska, zwykle 460–650 stopni. Kontrola atmosfery azotowania jest bardzo ważna. Nieprawidłowa atmosfera może prowadzić do defektów, takich jak niewystarczająca głębokość warstwy azotującej, struktura sieci warstw azotujących i luźne związki [3]. Ponieważ azotowanie nie podlega hartowaniu ani innym obróbkom powodującym duże odkształcenia, odkształcenie jest niewielkie, co jest główną zaletą procesu azotowania i jest bardzo korzystne w przypadku części, które nie będą poddawane obróbce po azotowaniu. Główną przyczyną niestabilności wymiarowej azotowania jest zmiana struktury i naprężeń szczątkowych, a także mikro-odkształcenie plastyczne występujące w warunkach pracy. Generalnie odkształcenie powierzchni azotowanej jest dodatnio skorelowane z grubością warstwy azotowanej, która stanowi około 1/10 grubości warstwy azotowanej części. Kompilując przebieg procesu, należy w pełni uwzględnić wpływ odkształceń na wymiary. Wymiary z małymi tolerancjami muszą zostać poddane precyzyjnej obróbce po azotowaniu.
CZĘŚĆ 2
Analiza trudności obróbki skrawaniem łączących części wałów
Wał łączący pokazany na rysunku 1 jest stosowany w urządzeniu sprzężenia zwrotnego przepływu serwosilnika hydraulicznego, takim jak właz i klapa broni. Jest to mostek łączący zespół tarczy sterującej i czujnik. Jego funkcją jest dokładne przekazywanie momentu obrotowego kąta obrotu zespołu tarczy sterującej na czujnik i monitorowanie przepływu silnika hydraulicznego. Część wykonana jest ze stali nierdzewnej{{8}utwardzanej wydzieleniowo 0Cr17Ni4Cu4Nb. Zewnętrzne powierzchnie kołowe prawego i lewego końca (odpowiednio φmm i φmm) należy azotować na głębokość 0,1–0,3 mm. Twardość powierzchni azotowanej powinna być większa lub równa 58 HRC, natomiast twardość powierzchni nieazotowanej i rdzenia powinna wynosić 31–39 HRC. Miejsca przejścia pomiędzy dwoma rowkami uszczelniającymi a jednym rowkiem pierścienia ustalającego na zewnętrznej powierzchni kołowej wymagają polerowania promieniem R0,1–R0,2 mm. Ze względu na dużą twardość i kruchość azotowanej powierzchni trudność w obróbce polega na obróbce azotowanej powierzchni i obróbce zaokrągleń przejściowych pomiędzy-azotowaną i nieazotowaną powierzchnią. Niewłaściwy przebieg procesu i metody obróbki mogą prowadzić do problemów z jakością, takich jak odpryski na ostrych krawędziach. Dlatego też racjonalność planu procesu jest kluczowa.
Rysunek 1 Wał łączący
CZĘŚĆ 3
Wybór metod wykańczania
Powierzchnie azotowane charakteryzują się wysoką twardością, dużą wytrzymałością, dużą kruchością, odpornością na zużycie i odpornością na korozję oraz dobrą stabilnością chemiczną, ale ich obrabialność jest stosunkowo słaba. Powierzchnie azotowane są typowymi materiałami twardymi i kruchymi. Niewłaściwe metody obróbki mogą uszkodzić strukturę warstwy powierzchniowej przedmiotu obrabianego, przez co obróbka-wysokiej jakości powierzchni azotowanych staje się wyzwaniem technicznym.
Główne metody obróbki powierzchni azotowanych to toczenie, frezowanie i szlifowanie. Biorąc pod uwagę odporność na zużycie i trwałość narzędzia, do toczenia i frezowania należy, jeśli to możliwe, stosować płytki PCBN (polikrystaliczny sześcienny azotek boru). Wkładki z polikrystalicznego sześciennego azotku boru mają twardość 3500–4500 HV i odporność na temperaturę 1250–1350 stopni. Wykazują wyjątkową obojętność chemiczną, dobrą wytrzymałość i przewodność cieplną, niski współczynnik tarcia i silne-właściwości antyadhezyjne, dzięki czemu są szczególnie odpowiednie do obróbki stali hartowanej, materiałów na bazie kobaltu-i materiałów na bazie niklu-, które są trudne do skrawania [4, 5]. W projektowaniu ścieżki narzędzia narzędzie powinno wchodzić od zewnątrz przedmiotu obrabianego w kierunku części pełnej, unikając ścieżki od części pełnej na zewnątrz. Mimo to nie można całkowicie wyeliminować odprysków na krawędziach.
Szlifowanie powinno być preferowaną metodą obróbki, jeśli pozwala na to konstrukcja części. Przy wyborze ściernic należy zasadniczo unikać tych o zbyt dużej twardości. Nadmierna twardość prowadzi do szybkiego wzrostu temperatury w punkcie styku, powodując naprężenia termiczne na powierzchni przedmiotu obrabianego przy wysokich temperaturach szlifowania, co ostatecznie skutkuje szczątkowymi naprężeniami rozciągającymi i wysokim ryzykiem pęknięć szlifierskich. Ściernice z białego topionego tlenku glinu zapewniają dobrą wydajność cięcia, ale ich mniejsza wytrzymałość pozwala na łatwe usuwanie ziaren ściernych. W przypadku azotowanego szlifowania powierzchni, tarcze z białego stopionego tlenku glinu są lepsze niż tarcze z monokrystalicznego tlenku glinu [6-8].
Metody szlifowania powierzchni walcowych zewnętrznych dzielą się na szlifowanie wzdłużne i szlifowanie poprzeczne. Chociaż szlifowanie wzdłużne ma niższą wydajność, zapewnia lepszą jakość powierzchni i mniejszą chropowatość powierzchni. Szlifowanie poprzeczne, choć bardziej wydajne, wymaga większej siły szlifowania i wyższych temperatur, co powoduje konieczność zapewnienia wystarczającego dopływu chłodziwa. W przypadku szlifowania powierzchni azotowanych preferowane jest szlifowanie wzdłużne, pomimo mniejszej wydajności, ponieważ ciepło jest łatwiej odprowadzane w procesie szlifowania, co zmniejsza prawdopodobieństwo pęknięć szlifierskich.
CZĘŚĆ 4
Przepływ procesu
Przy opracowywaniu specyfikacji procesu dla azotowanych części ze stali nierdzewnej należy w pełni uwzględnić podział etapów przetwarzania i wybór metod antyazotowania. Jednocześnie procesy odprężania-należy zorganizować w odpowiednich miejscach, aby wyeliminować deformację części spowodowaną naprężeniami procesowymi. W przypadku azotowanej obróbki powierzchni należy w miarę możliwości stosować szlifowanie. Szlifowanie powoduje naprężenie ściskające na powierzchni przedmiotu obrabianego, natomiast toczenie i frezowanie wytwarza naprężenia rozciągające. Szlifowanie z większym prawdopodobieństwem zapewni integralność powierzchni części. Przebieg procesu można ogólnie podzielić na następujące etapy:
(1) Formowanie półfabrykatu przekładni: Półfabrykat jest odkuwką lub prętem.
(2) Obróbka zgrubna: usunięcie znacznej ilości nadmiaru materiału.
(3) Obróbka roztworowa i utwardzanie wydzieleniowe: Zapewnienie wymagań dotyczących twardości-nieazotowanej powierzchni.
(4) Pół-wykończenie: usunięcie czarnej zgorzeliny z-obrobionej cieplnie powierzchni, pozostawiając niewielki naddatek na wykończenie.
(5) Obróbka odprężająca: W przypadku skomplikowanych,-cienkich, precyzyjnych części o dużej-średnicy, obróbkę odprężającą należy przeprowadzić po obróbce zgrubnej lub półwykończeniowej-, aby zmniejszyć odkształcenie podczas azotowania (może być konieczne wielokrotne zabiegi). Przed odprężeniem należy pozostawić pewien naddatek na obróbkę.
(6) Miedziowanie: W celu ochrony stosuje się miedziowanie, a całkowita grubość miedziowania wynosi 30–50 μm.
(7) Pół-wykończeniowy: warstwa miedzi z azotowanej powierzchni jest usuwana, co kończy obróbkę powierzchni przed azotowaniem.
(8) Azotowanie gazowe: Azotowanie powierzchniowe zostało zakończone. W przypadku części szczególnie precyzyjnych lub łatwo odkształcalnych, przed azotowaniem pozostawia się pewien naddatek na szlifowanie, a miedź usuwa się poprzez szlifowanie po azotowaniu.
(9) Usuwanie miedzi: Usuwane są wszystkie warstwy miedzi na powierzchni części.
(10) Wykończenie: azotowana powierzchnia i precyzyjne wymiary są wykończone.
CZĘŚĆ 5
Przebieg obróbki i istniejące problemy przed optymalizacją procesu
Głównym przebiegiem obróbki wału łączącego przed optymalizacją procesu było: toczenie CNC średnicy zewnętrznej φ10mm i rowka → frezowanie zgrubne średnicy zewnętrznej φ5mm i zarysu części → miedziowanie → toczenie CNC w celu usunięcia warstwy miedzi z powierzchni średnicy zewnętrznej φ10mm → pionowe centrum obróbcze w celu usunięcia warstwy miedzi z powierzchni średnicy zewnętrznej φ5mm → azotowanie → odpędzanie miedzi → zewnętrzne szlifowanie cylindryczne średnicy zewnętrznej φ10mm → polerowanie filetu.
Ponieważ promień zaokrąglenia R0,15mm na styku średnicy zewnętrznej φ10mm i rowka o szerokości 3,4mm oraz promień R0,5mm na ostrej krawędzi złącza średnicy zewnętrznej φ5mm, po obróbce na szlifierce zewnętrznej do walców i szlifierce współrzędnościowej, R0.15mm i R0.5mm nie są już kompletne. Chociaż po szlifowaniu powstają ostre krawędzie, w celu spełnienia wymagań dotyczących zaokrągleń wymagane jest polerowanie. Jednak tolerancja filetowania jest niewielka i łatwo ją przekroczyć podczas polerowania. Ponadto, ze względu na nadmierne usuwanie naddatków podczas polerowania filetów, bardzo prawdopodobne jest wystąpienie odprysków na krawędziach. Tymczasem pierścieniowy rowek na zewnętrznym okręgu ulegnie lekkiemu odkształceniu po azotowaniu. Jeśli pierścieniowy rowek zostanie obrobiony do ostatecznego rozmiaru wymaganego na rysunku przed azotowaniem, otwór pierścieniowego rowka skurczy się po azotowaniu, co spowoduje odchylenia wymiarowe.
CZĘŚĆ 6
Zoptymalizowany schemat procesu
(1) Metoda optymalizacji dla zewnętrznego okręgu φ10mm: Aby zapewnić integralność zaokrąglonych naroży po szlifowaniu, zaokrąglone naroża na przejściu między zewnętrznym okręgiem φ10mm a rowkiem uszczelniającym muszą zostać poddane geometrycznej obróbce podczas obróbki zgrubnej. Do zaokrąglonego narożnika dodaje się stożkowe przejście o głębokości powierzchni stożkowej zgodnie z naddatkiem na szlifowanie i kącie powierzchni stożkowej według 10 stopni -20 stopni. Powierzchnia stożkowa i bok rowka uszczelniającego są przejściowe za pomocą zaokrąglonych narożników (ostateczne zaokrąglone narożniki wymagane na rysunku). Dzięki temu po usunięciu naddatku na szlifowanie podczas wykańczania, zaokrąglone naroża przejściowe zostaną całkowicie zachowane, a odpryski na krawędziach nie będą spowodowane nadmiernym usunięciem naddatku na zaokrąglonych narożach podczas późniejszego polerowania. Rzeczywista weryfikacja pokazuje, że po dodaniu ochronnej stożkowej powierzchni przejściowej zjawisko odpryskiwania zostaje całkowicie wyeliminowane, zapewniając jakość obróbki części. Rysunek 2 przedstawia toczenie CNC zewnętrznego koła i rowka uszczelniającego przed udoskonaleniem procesu. Rysunek 3 przedstawia obróbkę geometryczną ostrej krawędzi rowka uszczelniającego po udoskonaleniu procesu.
Rysunek 2: Toczenie CNC zewnętrznego okręgu i rowka uszczelniającego przed udoskonaleniem procesu
Rysunek 3: Obróbka geometryczna ostrej krawędzi rowka uszczelniającego po udoskonaleniu procesu
(2) Metoda optymalizacji dla koła zewnętrznego o średnicy φ5 mm: Tę samą metodę obróbki stosuje się dla koła zewnętrznego o średnicy φ5 mm. Do zaokrąglenia przejściowego R(0,5±0,1) mm dodano powierzchnię stożkową o kącie 12 stopni, aby obszar przejściowy pomiędzy powierzchniami azotowanymi i nieazotowanymi- był gładszy. Poprawia to stan naprężeń podczas obróbki koła zewnętrznego φ3,5mm na szlifierce współrzędnościowej i eliminuje zjawisko odpryskiwania krawędzi. Rysunki 4 i 5 przedstawiają obróbkę geometryczną zaokrąglenia cylindrycznego φ3,6 mm odpowiednio przed i po udoskonaleniu procesu. Rysunek 4. Obróbka geometryczna zaokrąglenia cylindrycznego φ3,6mm przed udoskonaleniem procesu
Rysunek 5. Obróbka geometryczna zaokrąglenia cylindrycznego φ3,6mm po udoskonaleniu procesu
(3) Kompensacja odkształcenia rowka uszczelniającego: Krawędzie rowka uszczelniającego kurczą się w wyniku odkształcenia rozszerzającego. Jest to spowodowane efektem ostrej krawędzi procesu azotowania. Przy wysokim stężeniu azotu deformacja rozszerzalności objętościowej jest większa niż w innych lokalizacjach [9, 10]. Rowek pod uszczelkę o szerokości 3,4 mm i rowek pod pierścień ustalający o szerokości 1,1 mm charakteryzują się dużymi tolerancjami. Zmiany szerokości rowka przed i po azotowaniu przedstawiono w tabeli 1. Na tej podstawie dopasowywane są tolerancje wymiarowe przed azotowaniem, aby zapewnić ostateczne wymagania wymiarowe. Tabela 1. Zmiany szerokości rowka przed i po azotowaniu (jednostka: mm)
Z tabeli 1 wynika, że zmiana szerokości rowka przed i po azotowaniu dla rowka 3,4 mm wynosi 0,026–0,035 mm, co oznacza, że tolerancję szerokości rowka przed azotowaniem należy zmniejszyć do 3,4 mm; zmiana szerokości rowka przed i po azotowaniu dla rowka 1,1 mm wynosi 0,010–0,027 mm, co oznacza, że tolerancja szerokości rowka przed azotowaniem powinna zostać zmniejszona do 1,1 mm. Po ściśnięciu tolerancji ostateczne wymiary szerokości rowka części mieszczą się w dopuszczalnych granicach.
CZĘŚĆ 7
Wniosek
Powierzchnie azotowane charakteryzują się dużą twardością i odpornością na zużycie, a ich właściwości użytkowe pozostają dobre w wysokich temperaturach. Dlatego części z azotowanej stali nierdzewnej są szeroko stosowane w-produktach silników lotniczych. Obróbka powierzchni azotowanych jest stosunkowo trudna i wymaga wysokich standardów w zakresie odporności narzędzia na zużycie, doboru parametrów skrawania i planowania ścieżek skrawania. Zwiększając ochronne stożkowe zaokrąglenie przejściowe i zaciskając tolerancje wymiarowe przed azotowaniem, rozwiązano problemy związane z niską wydajnością obróbki, łatwym wykruszaniem się krawędzi i zmniejszoną szerokością rowka po azotowaniu części ze stali nierdzewnej, przezwyciężając trudności związane z obróbką takich części. Wskaźnik przepuszczalności części wzrósł z około 50% przed udoskonaleniem do 100%, osiągając dobre wyniki.
