Bearbetningssvårigheterna med att ansluta axeldelar analyseras och bearbetningsmetoderna förbättras. Fokus ligger på försiktighetsåtgärderna för bearbetning av den nitrerade ytan. Genom att trubba kanterna på delarna före nitrering förbättras spänningssituationen vid nitrering, vilket effektivt löser problemet med att delarnas kanter är lätta att bryta av vid bearbetning efter nitrering, och säkerställer delarnas bearbetningskvalitet.
DEL 1
Introduktion
Nitrering är processen att infiltrera kväveatomer i ytskiktet på ett arbetsstycke, vilket ändrar den kemiska sammansättningen av ytskiktet och bildar ett skikt som huvudsakligen består av nitrider, vilket förbättrar ythårdheten, slitstyrkan, utmattningsbeständigheten och delarnas anti-klumpningsegenskaper[1]. Efter gasnitrering kan delarnas ythårdhet nå 1000 HV (cirka 70 HRC) under en belastning på 50 N, och den kan fortfarande bibehålla hög hårdhet och hög slitstyrka vid en temperatur på 600 grader. Efter nitrering kan delarnas yta erhålla större kvarvarande tryckspänning, och utmattningshållfastheten kan också förbättras avsevärt[2], vilket är oöverträffat av andra kemiska värmebehandlingar. Nitrering kategoriseras i bland annat gasnitrering, flytande nitrering och jonnitrering. Vårt företag använder för närvarande främst gasnitrering. Jämfört med flytande nitrering erbjuder gasnitrering enklare atmosfärskontroll (med ammoniak som nitreringsmedium), producerar färre skadliga gaser som hotar människors hälsa och miljön, och uppvisar mer stabil kvalitet, vilket gör den mer allmänt använd. Vanligt använda material för nitrerade delar inkluderar 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH1, 80M 1, 80 TM 1, 80 TM 1, 00 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) och 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo), och används vanligtvis i applikationer som kräver slitstyrka, såsom leder, stöd och vipparmar.
Nitrering delas in i övergripande nitrering och lokal nitrering. Lokal nitrering bör undvikas så mycket som möjligt under projekteringen. Om lokal nitrering är nödvändig kan en av följande metoder användas för anti-nitreringsbehandling: ① Tillåt bearbetningsmängd på mer än två gånger nitreringsdjupet. ② Platta ett plåtskikt med en tjocklek på 0,003–0,015 mm. ③ Platta ett icke-poröst kopparskikt med en tjocklek på mer än 0,02 mm. ④ Platta ett nickelskikt med en tjocklek på 0,02–0,04 mm. ⑤ Applicera en anti-nitreringsbeläggning.
Ytråheten på delarna före nitrering bör uppfylla kraven i ritningen. I allmänhet bör ytjämnheten Ra kontrolleras mellan 0,4 och 0,8 μm. Ytan ska vara ren och fri från oljefläckar, rostfläckar och bucklor, särskilt vassa kanter. Arbetsstyckets bearbetningstillåtelse bör uppfylla processspecifikationerna. I allmänhet bör sliptillåten på ena sidan av den nitrerade ytan av konstruktionsdelar vara mindre än eller lika med 0,05 mm.
Nitreringsprocesstemperaturen är relativt låg, vanligtvis 460–650 grader. Nitreringsatmosfären är mycket viktig. Onormal atmosfär kan leda till defekter som otillräckligt nitreringsskiktsdjup, nitreringsskiktsnätverksstruktur och lös sammansättning [3]. Eftersom nitrering inte genomgår härdning eller andra behandlingar som orsakar stor deformation är deformationen liten, vilket är en stor fördel med nitreringsprocessen och är mycket fördelaktigt för delar som inte kommer att bearbetas efter nitrering. Den främsta orsaken till den dimensionella instabiliteten vid nitrering är förändringen i struktur och kvarvarande spänning, såväl som den mikro-plastiska deformationen som uppstår under driftförhållanden. I allmänhet är deformationen av den nitrerade ytan positivt korrelerad med tjockleken på det nitrerade skiktet, vilket är ungefär 1/10 av tjockleken på det nitrerade skiktet av delen. Vid sammanställning av processflödet bör inverkan av deformation på dimensionerna vara fullt erkänd. Dimensioner med små toleranser måste precisionsbearbetas efter nitrering.
DEL 2
Analys av svårigheterna vid bearbetning av förbindande axeldelar
Anslutningsaxeln som visas i figur 1 används i flödesåterkopplingsanordningen hos den servovariable hydraulmotorn, såsom vapenlucka och klaff. Det är den förbindande bryggan mellan swashplate-enheten och sensorn. Dess funktion är att exakt överföra rotationsvinkelmomentet för swashplate-enheten till sensorn och övervaka flödet av hydraulmotorn. Delen är gjord av 0Cr17Ni4Cu4Nb nederbörds-härdande rostfritt stål. De yttre cirkulära ytorna på höger och vänster ände (φmm respektive φmm) måste nitreras till ett djup av 0,1–0,3 mm. Hårdheten på den nitrerade ytan bör vara större än eller lika med 58 HRC, medan hårdheten på den icke-nitrerade ytan och kärnan bör vara 31–39 HRC. Övergångspunkterna mellan de två tätningsspåren och ett hållarringsspår på den yttre cirkulära ytan kräver polering med en radie på R0,1–R0,2 mm. På grund av den nitrerade ytans höga hårdhet och sprödhet ligger bearbetningssvårigheten i bearbetningen av den nitrerade ytan och behandlingen av övergångsfiléerna mellan de nitrerade och icke-nitrerade ytorna. Olämpliga processflöden och bearbetningsmetoder kan leda till kvalitetsproblem som flisning vid vassa kanter. Därför är rationaliteten i processplanen avgörande.
Figur 1 Anslutningsaxel
DEL 3
Val av efterbehandlingsmetoder
Nitrerade ytor har hög hårdhet, hög hållfasthet, hög sprödhet, slitstyrka och korrosionsbeständighet och har god kemisk stabilitet, men deras bearbetbarhet är relativt dålig. Nitrerade ytor är typiska hårda och spröda material. Felaktiga bearbetningsmetoder kan skada ytskiktsstrukturen på arbetsstycket, vilket gör bearbetning av hög-kvalitet av nitrerade ytor till en teknisk utmaning.
De huvudsakliga bearbetningsmetoderna för nitrerade ytor är svarvning, fräsning och slipning. Med tanke på verktygets slitstyrka och livslängd bör PCBN-skär (polykristallin kubisk bornitrid) användas för svarvning och fräsning när det är möjligt. Polykristallina kubiska bornitridinsatser har en hårdhet på 3500–4500 HV och en värmebeständighetstemperatur på 1250–1350 grader. De uppvisar exceptionell kemisk tröghet, god seghet och värmeledningsförmåga, en låg friktionskoefficient och starka anti-vidhäftningsegenskaper, vilket gör dem särskilt lämpliga för bearbetning av härdat stål, kobolt-baserade material och nickel-baserade material som är svåra att skära [4, 5]. Vid utformning av verktygsbanan ska verktyget komma in från utsidan av arbetsstycket mot den fasta delen, undvika vägen från den fasta delen mot utsidan. Ändå kan kantflisning inte helt elimineras.
Slipning bör vara den föredragna bearbetningsmetoden när detaljstrukturen tillåter. Vid val av slipskivor bör de med alltför hög hårdhet i allmänhet undvikas. Överdriven hårdhet leder till en snabb temperaturhöjning vid kontaktpunkten, vilket orsakar termisk spänning på arbetsstyckets yta vid höga sliptemperaturer, vilket i slutändan resulterar i kvarvarande dragspänning och hög risk för slipsprickor. Vit smälta aluminiumoxidslipskivor ger bra skärprestanda, men deras lägre seghet möjliggör enkel slipning av nötande korn. För nitrerad ytslipning är vita smälta aluminiumskivor överlägsna enkristallsmälta aluminiumoxidskivor [6-8].
Externa cylindriska slipmetoder är uppdelade i longitudinell slipning och tvärgående slipning. Medan longitudinell slipning har lägre effektivitet, ger den bättre ytkvalitet och lägre ytjämnhet. Tvärslipning, även om den är effektivare, kräver större slipkraft och högre temperaturer, vilket kräver en tillräcklig tillförsel av skärvätska. För nitrerad ytslipning är longitudinell slipning att föredra, trots dess lägre effektivitet, eftersom värmen lättare avleds under slipningsprocessen, vilket minskar sannolikheten för slipsprickor.
DEL 4
Processflöde
När man sammanställer processspecifikationerna för nitrerade rostfria ståldelar, bör uppdelningen av bearbetningssteg och valet av anti-nitreringsmetoder beaktas fullt ut. Samtidigt bör spännings-avlastningsprocesser anordnas på lämpliga platser för att eliminera deformation av delar som orsakas av bearbetningsspänning. Slipning bör användas så mycket som möjligt för nitrerad ytbearbetning. Slipning genererar tryckspänning på arbetsstyckets yta, medan svarvning och fräsning genererar dragspänning. Slipning är mer sannolikt att säkerställa delytans integritet. Processflödet kan generellt delas in i följande steg:
(1) Formning av kugghjulsämne: Ämnet är ett smide eller stång.
(2) Grovbearbetning: Ta bort en betydande mängd överskottsmaterial.
(3) Lösningsbehandling och utfällningshärdning: Säkerställande av hårdhetskraven för den icke-nitrerade ytan.
(4) Halv-finishing: Ta bort den svarta skalan från den värme-behandlade ytan, och lämna en liten utrymme för efterbehandling.
(5) Avspänningsbehandling: För komplexa, tunna-väggiga detaljer med precision och stor-diameter bör avspänningsbehandling utföras efter grovbearbetning eller halv-bearbetning för att minska deformationen under nitrering (flera behandlingar kan vara nödvändiga). En viss bearbetningsersättning bör lämnas före avspänning.
(6) Kopparplätering: Kopparplätering används för skydd, med en total kopparplätering tjocklek på 30–50 μm.
(7) Halv-finbearbetning: Kopparskiktet på den nitrerade ytan avlägsnas, vilket slutför ytbearbetningen för nitrering.
(8) Gasnitrering: Ytnitreringen är klar. För särskilt exakta eller lätt deformerbara delar lämnas en viss malningsmån före nitrering och kopparn avlägsnas genom slipning efter nitrering.
(9) Kopparborttagning: Alla kopparlager på delens yta tas bort.
(10) Efterbehandling: Den nitrerade ytan och precisionsmåtten är färdiga.
DEL 5
Bearbetningsflöde och befintliga problem före processoptimering
Det huvudsakliga bearbetningsflödet för anslutningsaxeln före processoptimering var: CNC-svarvning av φ10 mm ytterdiameter och spår → grovfräsning av φ5 mm ytterdiameter och delkontur → kopparplätering → CNC-svarvning för att ta bort kopparskiktet från ytan på φ10 mm ytterdiametern → den vertikala ytan av kopparskiktet → 5 mm ytterdiameter → nitrering → kopparstrippning → extern cylindrisk slipning av φ10 mm ytterdiameter → polering av filén.
Eftersom kälradien R0,15 mm vid förbindelsen mellan den φ10 mm yttre diametern och den 3,4 mm breda skåran, och radien R0,5 mm vid den skarpa kanten av φ5 mm ytterdiameterövergången, efter bearbetning på den externa cylindriska slipmaskinen och koordinatslipmaskinen, är R0,15 mm inte längre kompletta. Även om vassa kanter produceras efter slipning krävs polering för att uppfylla filékraven. Filétoleransen är dock liten och det är lätt att överskrida toleransen vid polering. Dessutom, på grund av det överdrivna avlägsnandet av utsläpp under filépolering, är det mycket sannolikt att flisning uppstår vid kanterna. Samtidigt kommer det ringformiga spåret på den yttre cirkeln att genomgå en liten deformation efter nitrering. Om det ringformade spåret bearbetas till den slutliga storlek som krävs enligt ritningen före nitrering, kommer öppningen av det ringformade spåret att krympa efter nitrering, vilket resulterar i dimensionsavvikelser.
DEL 6
Optimerat processschema
(1) Optimeringsmetod för φ10 mm yttre cirkel: För att säkerställa integriteten hos de rundade hörnen efter slipning måste de rundade hörnen vid övergången mellan φ10 mm yttre cirkeln och tätningsspåret bearbetas geometriskt under grovbearbetning. En konisk övergång läggs till det rundade hörnet, med djupet på den koniska ytan enligt sliptillåten och vinkeln på den koniska ytan enligt 10 grader -20 grader. Den koniska ytan och sidan av tätningsspåret övergår med rundade hörn (de slutliga rundade hörnen som krävs enligt ritningen). Detta säkerställer att de rundade övergångshörnen bevaras helt och hållet efter att sliptillägget tagits bort under efterbehandlingen, och kantspån kommer inte att orsakas av överdriven borttagning av utrymme vid de rundade hörnen under efterföljande polering. Faktisk verifiering visar att efter att ha lagt till den koniska skyddsövergångsytan elimineras flisningsfenomenet helt, vilket säkerställer bearbetningskvaliteten på delarna. Figur 2 visar CNC-svarvningen av den yttre cirkeln och tätningsspåret före processförbättring. Figur 3 visar den geometriska behandlingen av tätningsspårets skarpa kant efter processförbättring.
Figur 2: CNC-svarvning av den yttre cirkeln och tätningsspåret före processförbättring
Figur 3: Geometrisk behandling av tätningsspårets vassa kant efter processförbättring
(2) Optimeringsmetod för φ5 mm yttre cirkel: Samma behandlingsmetod används för φ5 mm yttre cirkel. En 12 graders konisk yta läggs till vid övergångsfilén R(0,5±0,1)mm för att göra övergångsområdet mellan de nitrerade och icke-nitrerade ytorna jämnare. Detta förbättrar spänningstillståndet vid bearbetning av den φ3,5 mm yttre cirkeln på koordinatslipen och eliminerar fenomenet med kantflisning. Figurerna 4 och 5 visar den geometriska behandlingen av den φ3,6 mm cylindriska filén före respektive efter processförbättring. Figur 4. Geometrisk behandling av den φ3,6 mm cylindriska filén före processförbättring
Figur 5. Geometrisk behandling av den φ3,6 mm cylindriska filén efter processförbättring
(3) Deformationskompensation för tätningsspåret: Kanterna på tätningsspåret kommer att krympa på grund av expansionsdeformation. Detta orsakas av nitreringsprocessens skarpa kanteffekt. Med hög kvävekoncentration är volymexpansionsdeformationen större än på andra platser [9, 10]. Tätningsspåret med en bredd på 3,4 mm och hållarringsspåret med en bredd på 1,1 mm har stora toleranser. Förändringarna i spårbredden före och efter nitrering visas i Tabell 1. Utifrån detta justeras dimensionstoleranserna före nitrering för att säkerställa de slutliga dimensionskraven. Tabell 1. Förändringar i spårbredden före och efter nitrering (Enhet: mm)
Tabell 1 visar att förändringen i spårbredden före och efter nitrering för ett 3,4 mm spår är 0,026–0,035 mm, vilket bestämmer att spårbreddstoleransen före nitrering bör komprimeras till 3,4 mm; förändringen i spårbredden före och efter nitrering för ett 1,1 mm spår är 0,010–0,027 mm, vilket bestämmer att spårbreddstoleransen före nitrering bör komprimeras till 1,1 mm. Efter komprimering av toleranserna är de slutliga spårbreddsdimensionerna för delarna alla inom acceptabla gränser.
DEL 7
Slutsats
Nitrerade ytor har hög hårdhet och hög slitstyrka, och deras prestanda förblir bra vid höga temperaturer. Därför används delar av nitrerat rostfritt stål i stor utsträckning i flygmotorprodukter. Att bearbeta nitrerade ytor är relativt svårt och kräver höga krav på slitstyrka, val av skärparametrar och planering av skärbanor. Genom att öka den skyddande koniska övergångsfilén och komprimera dimensionstoleranserna före nitrering, löstes problemen med låg bearbetningseffektivitet, lätt flisning av kanter och minskad spårbredd efter nitrering av rostfria delar, vilket övervann bearbetningssvårigheterna för sådana delar. Genomgången av delar ökade från cirka 50 % före förbättringen till 100 %, vilket gav goda resultat.
