Sunt analizate dificultățile de prelucrare ale pieselor de legătură ale arborelui, iar metodele de prelucrare sunt îmbunătățite. Accentul este pus pe măsurile de precauție pentru prelucrarea suprafeței nitrurate. Prin tocirea marginilor pieselor înainte de nitrurare, se îmbunătățește situația de stres în timpul nitrurării, ceea ce rezolvă eficient problema că marginile pieselor se rupe ușor la prelucrarea după nitrurare și asigură calitatea prelucrării pieselor.
PARTEA 1
Introducere
Nitrurarea este procesul de infiltrare a atomilor de azot în stratul de suprafață al unei piese de prelucrat, care modifică compoziția chimică a stratului de suprafață și formează un strat compus în principal din nitruri, îmbunătățind astfel duritatea suprafeței, rezistența la uzură, rezistența la oboseală și proprietățile anti-de uzură ale pieselor[1]. După nitrurare cu gaz, duritatea suprafeței pieselor poate ajunge la 1000 HV (aproximativ 70 HRC) sub o sarcină de 50 N și poate menține în continuare duritatea ridicată și rezistența ridicată la uzură la o temperatură de 600 de grade. După nitrurare, suprafața pieselor poate obține o presiune de compresiune reziduală mai mare, iar rezistența la oboseală poate fi, de asemenea, îmbunătățită considerabil[2], ceea ce este de neegalat de alte tratamente termice chimice. Nitrurarea este clasificată în nitrurare gazoasă, nitrurare lichidă și nitrurare ionică, printre altele. În prezent, compania noastră utilizează în principal nitrurarea gazoasă. În comparație cu nitrurarea lichidă, nitrurarea cu gaz oferă un control mai ușor al atmosferei (folosind amoniacul ca mediu de nitrurare), produce mai puține gaze nocive care amenință sănătatea umană și mediul și prezintă o calitate mai stabilă, făcându-l astfel mai utilizat pe scară largă. Materialele utilizate în mod obișnuit pentru piesele nitrurate includ 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), TM25Ni18A, 8Co. 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) și 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) și sunt de obicei utilizate în aplicații care necesită rezistență la uzură, cum ar fi îmbinările, suporturile și culbutorii.
Nitrurarea este împărțită în nitrurare globală și nitrurare localizată. Nitrurarea localizată trebuie evitată pe cât posibil în timpul proiectării. Dacă este necesară nitrurarea localizată, poate fi utilizată una dintre următoarele metode pentru tratamentul anti-nitrurare: ① Permiteți o toleranță de prelucrare de mai mult de două ori adâncimea de nitrurare. ② Plasați un strat de tablă cu o grosime de 0,003–0,015 mm. ③ Placați un strat de cupru ne-poros cu o grosime mai mare de 0,02 mm. ④ Placați un strat de nichel cu o grosime de 0,02–0,04 mm. ⑤ Aplicați un strat anti-nitrurare.
Rugozitatea suprafeței pieselor înainte de nitrurare ar trebui să îndeplinească cerințele desenului. În general, valoarea rugozității suprafeței Ra trebuie controlată între 0,4 și 0,8 μm. Suprafața trebuie să fie curată și lipsită de pete de ulei, pete de rugină și adâncituri, în special marginile ascuțite. Alocația de prelucrare a piesei de prelucrat trebuie să respecte specificațiile procesului. În general, toleranța de șlefuire pe o parte a suprafeței nitrurate a pieselor structurale trebuie să fie mai mică sau egală cu 0,05 mm.
Temperatura procesului de nitrurare este relativ scăzută, în general 460-650 de grade. Controlul atmosferei de nitrurare este foarte important. Atmosfera anormală poate duce la defecte, cum ar fi adâncimea insuficientă a stratului de nitrurare, structura rețelei stratului de nitrurare și compusul liber [3]. Deoarece nitrurarea nu este supusă călirii sau altor tratamente care provoacă deformare mare, deformarea este mică, ceea ce reprezintă un avantaj major al procesului de nitrurare și este foarte benefică pentru piesele care nu vor fi prelucrate după nitrurare. Motivul principal pentru instabilitatea dimensională a nitrurării este modificarea structurii și a tensiunii reziduale, precum și deformarea micro-plastică care apare în condiții de funcționare. În general, deformarea suprafeței nitrurate este corelată pozitiv cu grosimea stratului nitrurat, care este de aproximativ 1/10 din grosimea stratului nitrurat al piesei. La compilarea fluxului de proces, influența deformării asupra dimensiunilor trebuie recunoscută pe deplin. Dimensiunile cu toleranțe mici trebuie prelucrate cu precizie după nitrurare.
PARTEA 2
Analiza dificultăților în prelucrarea pieselor de legătură ale arborelui
Arborele de legătură prezentat în figura 1 este utilizat în dispozitivul de feedback al debitului motorului hidraulic servovariabil, cum ar fi trapa și clapeta armei. Este puntea de legătură între ansamblul plăcii oscilante și senzor. Funcția sa este de a transmite cu precizie cuplul unghiului de rotație al ansamblului plăcii oscilante către senzor și de a monitoriza debitul motorului hidraulic. Piesa este realizată din oțel inoxidabil 0Cr17Ni4Cu4Nb care se întărește prin precipitare-. Suprafețele circulare exterioare ale capetelor drept și stâng (φmm și respectiv φmm) trebuie nitrurate la o adâncime de 0,1–0,3 mm. Duritatea suprafeței nitrurate ar trebui să fie mai mare sau egală cu 58 HRC, în timp ce duritatea suprafeței ne-nitrurate și a miezului ar trebui să fie de 31–39 HRC. Punctele de tranziție dintre cele două caneluri de etanșare și un canal inel de reținere de pe suprafața circulară exterioară necesită lustruire cu o rază de R0,1–R0,2 mm. Datorită durității și fragilității ridicate a suprafeței nitrurate, dificultatea de prelucrare constă în prelucrarea suprafeței nitrurate și în tratarea fileurilor de tranziție între suprafețele nitrurate și ne{21}}nitrurate. Fluxul de proces și metodele de prelucrare neadecvate pot duce la probleme de calitate, cum ar fi ciobirea muchiilor ascuțite. Prin urmare, raționalitatea planului de proces este crucială.
Figura 1 Arborele de conectare
PARTEA 3
Selectarea metodelor de finisare
Suprafețele nitrurate au duritate mare, rezistență ridicată, fragilitate ridicată, rezistență la uzură și rezistență la coroziune și au o stabilitate chimică bună, dar prelucrabilitatea lor este relativ slabă. Suprafețele nitrurate sunt materiale tipice dure și casante. Metodele de prelucrare necorespunzătoare pot deteriora structura stratului de suprafață a piesei de prelucrat, ceea ce face ca prelucrarea de-înaltă calitate a suprafețelor nitrurate să fie o provocare tehnică.
Principalele metode de prelucrare pentru suprafețele nitrurate sunt strunjirea, frezarea și șlefuirea. Având în vedere rezistența la uzura și durata de viață a sculei, inserturile PCBN (nitrură de bor cubic policristalină) ar trebui utilizate pentru strunjire și frezare ori de câte ori este posibil. Inserțiile cu nitrură de bor policristalină au o duritate de 3500–4500 HV și o temperatură de rezistență la căldură de 1250–1350 grade. Acestea prezintă o inerție chimică excepțională, o rezistență și o conductivitate termică bună, un coeficient scăzut de frecare și proprietăți puternice de anti-aderență, făcându-le deosebit de potrivite pentru prelucrarea oțelului întărit, a materialelor pe bază de-cobalt și a materialelor pe bază de-nichel care sunt greu de tăiat [4, 5]. În proiectarea traseului sculei, unealta trebuie să intre din exteriorul piesei de prelucrat către partea solidă, evitând calea din partea solidă spre exterior. Chiar și așa, ciobirea marginilor nu poate fi eliminată complet.
Slefuirea ar trebui să fie metoda de prelucrare preferată atunci când structura piesei o permite. La selectarea roților de șlefuit, cele cu duritate excesiv de mare trebuie, în general, evitate. Duritatea excesivă duce la o creștere rapidă a temperaturii la punctul de contact, provocând stres termic pe suprafața piesei de prelucrat la temperaturi ridicate de șlefuire, ducând în cele din urmă la tensiuni de tracțiune reziduale și un risc ridicat de fisuri de șlefuire. Roțile de șlefuit din alumină topită albă oferă performanțe bune de tăiere, dar duritatea lor mai scăzută permite îndepărtarea ușoară a granulelor abrazive. Pentru șlefuirea suprafețelor nitrurate, roțile de alumină topită albă sunt superioare roților de alumină topită cu un singur-cristal [6-8].
Metodele de șlefuire cilindrică externă sunt împărțite în șlefuire longitudinală și șlefuire transversală. În timp ce șlefuirea longitudinală are o eficiență mai mică, produce o calitate mai bună a suprafeței și o rugozitate mai mică a suprafeței. Măcinarea transversală, deși este mai eficientă, necesită o forță de șlefuire mai mare și temperaturi mai ridicate, necesitând un aport suficient de fluid de tăiere. Pentru șlefuirea suprafețelor nitrurate, se preferă șlefuirea longitudinală, în ciuda eficienței sale mai mici, deoarece căldura este mai ușor disipată în timpul procesului de șlefuire, reducând probabilitatea apariției fisurilor de măcinare.
PARTEA 4
Fluxul procesului
La compilarea specificațiilor de proces pentru piesele din oțel inoxidabil nitrurat, trebuie luate în considerare pe deplin împărțirea etapelor de procesare și selectarea metodelor anti-nitrurare. Simultan, procesele de-reducere a tensiunii ar trebui aranjate în locații adecvate pentru a elimina deformarea piesei cauzată de solicitarea de prelucrare. Măcinarea trebuie utilizată cât mai mult posibil pentru prelucrarea suprafețelor nitrurate. Șlefuirea generează stres de compresiune pe suprafața piesei de prelucrat, în timp ce strunjirea și frezarea generează stres de tracțiune. Slefuirea este mai probabil să asigure integritatea suprafeței piesei. Fluxul procesului poate fi, în general, împărțit în următoarele etape:
(1) Formarea semifabricatului: semifabricatul este un stoc de forjare sau bară.
(2) Prelucrare brută: Îndepărtarea unei cantități semnificative de material în exces.
(3) Tratarea cu soluție și întărirea prin precipitare: Asigurarea cerințelor de duritate ale suprafeței ne-nitrurate.
(4) Semi-finisare: îndepărtarea depunerilor negre de pe suprafața-tratată termic, lăsând o mică cantitate pentru finisare.
(5) Tratament de reducere a tensiunii: pentru piese complexe, cu pereți-subțiri, de precizie și cu diametru-mare, tratamentul de reducere a tensiunii trebuie efectuat după degroșare sau semi-finisare pentru a reduce deformarea în timpul nitrurării (pot fi necesare mai multe tratamente). O anumită alocație de prelucrare trebuie lăsată înainte de reducerea tensiunii.
(6) Placare cu cupru: placarea cu cupru este aplicată pentru protecție, cu o grosime totală a placajului cu cupru de 30–50 μm.
(7) Semi-finisare: stratul de cupru de pe suprafața nitrurata este îndepărtat, completând prelucrarea suprafeței pentru nitrurare.
(8) Nitrurarea cu gaz: Nitrurarea de suprafață este finalizată. Pentru piesele deosebit de precise sau ușor deformabile, înainte de nitrurare se lasă un anumit permis de șlefuire, iar cuprul este îndepărtat prin șlefuire după nitrurare.
(9) Îndepărtarea cuprului: Toate straturile de cupru de pe suprafața piesei sunt îndepărtate.
(10) Finisare: Suprafața nitrurata și dimensiunile de precizie sunt finisate.
PARTEA 5
Fluxul de prelucrare și problemele existente înainte de optimizarea procesului
Fluxul principal de prelucrare a arborelui de legătură înainte de optimizarea procesului a fost: strunjirea CNC a diametrului exterior φ10mm și canelura → frezarea brută a diametrului exterior φ5mm și conturul piesei → placarea cu cupru → strunjirea CNC pentru a îndepărta stratul de cupru de pe suprafața diametrului exterior φ10mm → stratul de prelucrare vertical de φ 10mm → îndepărtarea stratului de prelucrare vertical de φ 5mm → nitrurare → decapare a cuprului → șlefuire cilindrică externă a diametrului exterior φ10mm → lustruirea fileului.
Deoarece raza fileului R0.15mm la joncțiunea dintre diametrul exterior φ10mm și canelura lățime de 3.4mm și raza R0.5mm la marginea ascuțită a joncțiunii cu diametrul exterior φ5mm, după prelucrarea pe mașina de șlefuit cilindric extern și mașina de șlefuit R0.15mm nu mai sunt R0.15mm și nu mai sunt complete R0.15mm. Deși după șlefuire se produc muchii ascuțite, este necesară lustruirea pentru a îndeplini cerințele de filet. Cu toate acestea, toleranța fileului este mică și este ușor să depășiți toleranța în timpul lustruirii. În plus, din cauza eliminării excesive a permisului în timpul lustruirii filetului, este foarte probabil să apară ciobirea la margini. Între timp, șanțul inelar de pe cercul exterior va suferi o ușoară deformare după nitrurare. Dacă șanțul inelar este prelucrat la dimensiunea finală cerută de desen înainte de nitrurare, deschiderea șanțului inelar se va micșora după nitrurare, rezultând abateri dimensionale.
PARTEA 6
Schema de proces optimizată
(1) Metoda de optimizare pentru cercul exterior φ10mm: Pentru a asigura integritatea colțurilor rotunjite după șlefuire, colțurile rotunjite de la tranziția dintre cercul exterior φ10mm și canelura de etanșare trebuie prelucrate geometric în timpul prelucrării brute. La colțul rotunjit se adaugă o tranziție conică, cu adâncimea suprafeței conice în funcție de toleranța de șlefuire și unghiul suprafeței conice în funcție de 10 grade -20 grade. Suprafața conică și partea laterală a canelurii de etanșare sunt trecute cu colțuri rotunjite (colțurile rotunjite finale cerute de desen). Acest lucru asigură că, după îndepărtarea adaosului de șlefuire în timpul finisării, colțurile rotunjite de tranziție sunt complet conservate, iar așchiile de margine nu vor fi cauzate de îndepărtarea excesivă a toleranței la colțurile rotunjite în timpul lustruirii ulterioare. Verificarea efectivă arată că după adăugarea suprafeței conice de tranziție de protecție, fenomenul de așchiere este complet eliminat, asigurând calitatea de prelucrare a pieselor. Figura 2 arată rotirea CNC a cercului exterior și canelura de etanșare înainte de îmbunătățirea procesului. Figura 3 prezintă tratamentul geometric al marginii ascuțite a canelurii de etanșare după îmbunătățirea procesului.
Figura 2: Rotirea CNC a cercului exterior și canelura de etanșare înainte de îmbunătățirea procesului
Figura 3: Tratamentul geometric al marginii ascuțite a canelurii de etanșare după îmbunătățirea procesului
(2) Metoda de optimizare pentru cercul exterior φ5mm: Aceeași metodă de tratament este utilizată pentru cercul exterior φ5mm. O suprafață conică de 12 grade este adăugată la fileul de tranziție R(0,5±0,1)mm pentru a face zona de tranziție dintre suprafețele nitrurate și ne-nitrurate. Acest lucru îmbunătățește starea de stres la prelucrarea cercului exterior de φ3,5 mm pe polizorul de coordonate și elimină fenomenul de așchiere a marginilor. Figurile 4 și 5 arată tratamentul geometric al fileului cilindric de φ3,6 mm înainte și, respectiv, după îmbunătățirea procesului. Figura 4. Tratamentul geometric al fileului cilindric de φ3,6 mm înainte de îmbunătățirea procesului
Figura 5. Tratamentul geometric al fileului cilindric de φ3.6mm după îmbunătățirea procesului
(3) Compensarea deformării canelurii de etanșare: Marginile canelurii de etanșare se vor micșora din cauza deformării expansiunii. Acest lucru este cauzat de efectul de margine ascuțită al procesului de nitrurare. Cu o concentrație mare de azot, deformația de expansiune în volum este mai mare decât în alte locații [9, 10]. Canelura de etanșare cu o lățime de 3,4 mm și canelura inelului de reținere cu o lățime de 1,1 mm au toleranțe mari. Modificările lățimii canelurii înainte și după nitrurare sunt prezentate în Tabelul 1. Pe baza acesteia, toleranțele dimensionale înainte de nitrurare sunt ajustate pentru a asigura cerințele dimensionale finale. Tabelul 1. Modificări ale lățimii canelurii înainte și după nitrurare (unitate: mm)
Tabelul 1 arată că modificarea lățimii canelurii înainte și după nitrurare pentru o canelură de 3,4 mm este de 0,026–0,035 mm, determinând astfel că toleranța lățimii canelurii înainte de nitrurare ar trebui să fie comprimată la 3,4 mm; modificarea lățimii canelurii înainte și după nitrurare pentru o canelură de 1,1 mm este de 0,010–0,027 mm, determinând astfel că toleranța lățimii canelurii înainte de nitrurare ar trebui să fie comprimată la 1,1 mm. După comprimarea toleranțelor, dimensiunile finale ale lățimii canelurii ale pieselor sunt toate în limite acceptabile.
PARTEA 7
Concluzie
Suprafețele nitrurate posedă duritate ridicată și rezistență ridicată la uzură, iar performanța lor rămâne bună la temperaturi ridicate. Prin urmare, piesele din oțel inoxidabil nitrurat sunt utilizate pe scară largă în produsele pentru motoare aero-. Prelucrarea suprafețelor nitrurate este relativ dificilă, necesitând standarde înalte pentru rezistența la uzura sculelor, selectarea parametrilor de tăiere și planificarea traseelor de tăiere. Prin creșterea filetului de tranziție conic de protecție și comprimarea toleranțelor dimensionale înainte de nitrurare, s-au rezolvat problemele de eficiență scăzută de prelucrare, ciobirea ușoară a marginilor și lățimea redusă a canelurii după nitrurare a pieselor din oțel inoxidabil, depășind dificultățile de prelucrare a acestor piese. Rata de trecere a pieselor a crescut de la aproximativ 50% înainte de îmbunătățire la 100%, obținându-se rezultate bune.
