Jsou analyzovány potíže se zpracováním částí spojovacího hřídele a jsou vylepšeny způsoby zpracování. Důraz je kladen na opatření pro obrábění nitridovaného povrchu. Otupením hran dílů před nitridací se zlepší napěťová situace při nitridaci, což efektivně řeší problém, že se hrany dílů při obrábění po nitridaci snadno odlamují a zajišťuje kvalitu zpracování dílů.
ČÁST 1
Zavedení
Nitridace je proces infiltrace atomů dusíku do povrchové vrstvy obrobku, který mění chemické složení povrchové vrstvy a vytváří vrstvu složenou převážně z nitridů, čímž se zlepšuje povrchová tvrdost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti únavě a vlastnosti dílů proti -zadírání[1]. Po nitridaci plynem může povrchová tvrdost dílů dosáhnout 1000 HV (asi 70 HRC) při zatížení 50 N a stále si může udržet vysokou tvrdost a vysokou odolnost proti opotřebení při teplotě 600 stupňů. Po nitridaci může povrch dílů získat větší zbytkové tlakové napětí a také může být výrazně zlepšena únavová pevnost[2], což je nesrovnatelné s jinými chemickými tepelnými úpravami. Nitridace se mimo jiné dělí na plynovou nitridaci, kapalnou nitridaci a iontovou nitridaci. Naše společnost v současnosti využívá především plynové nitridace. Ve srovnání s kapalnou nitridací nabízí plynová nitridace snazší regulaci atmosféry (pomocí čpavku jako nitridačního média), produkuje méně škodlivých plynů, které ohrožují lidské zdraví a životní prostředí, a vykazuje stabilnější kvalitu, díky čemuž se více používá. Mezi běžně používané materiály pro nitridované díly patří 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4T218Co),Al0NTMi18Co00A 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) a 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) a obvykle se používají v aplikacích vyžadujících odolnost proti opotřebení, jako jsou klouby, podpěry a vahadla.
Nitridace se dělí na celkovou nitridaci a lokalizovanou nitridaci. Během návrhu by se mělo co nejvíce vyhnout lokalizované nitridaci. Pokud je nutná lokalizovaná nitridace, lze pro anti-nitridační úpravu použít jednu z následujících metod: ① Počítejte s přídavkem na obrábění větší než dvojnásobek hloubky nitridace. ② Naneste vrstvu cínu o tloušťce 0,003–0,015 mm. ③ Pokovte -porézní měděnou vrstvu o tloušťce větší než 0,02 mm. ④ Naneste vrstvu niklu o tloušťce 0,02–0,04 mm. ⑤ Naneste anti{13}}nitridační povlak.
Drsnost povrchu dílů před nitridací by měla odpovídat požadavkům výkresu. Obecně by hodnota drsnosti povrchu Ra měla být řízena mezi 0,4 a 0,8 μm. Povrch by měl být čistý a bez olejových skvrn, skvrn od rzi a promáčklin, zejména ostrých hran. Přídavek na obrábění obrobku by měl odpovídat specifikaci procesu. Obecně by přídavek na broušení na jedné straně nitridovaného povrchu konstrukčních dílů měl být menší nebo rovný 0,05 mm.
Teplota procesu nitridace je relativně nízká, obecně 460–650 stupňů. Řízení nitridační atmosféry je velmi důležité. Abnormální atmosféra může vést k defektům, jako je nedostatečná hloubka nitridační vrstvy, síťová struktura nitridační vrstvy a uvolněná směs [3]. Vzhledem k tomu, že nitridace neprochází kalením nebo jinými úpravami, které způsobují velkou deformaci, je deformace malá, což je hlavní výhodou nitridačního procesu a je velmi výhodné pro díly, které nebudou po nitridaci zpracovány. Hlavním důvodem rozměrové nestability nitridace je změna struktury a zbytkového napětí, stejně jako mikro-plastická deformace, ke které dochází za provozních podmínek. Obecně platí, že deformace nitridovaného povrchu pozitivně koreluje s tloušťkou nitridované vrstvy, která je asi 1/10 tloušťky nitridované vrstvy součásti. Při sestavování toku procesu by měl být plně rozpoznán vliv deformace na rozměry. Rozměry s malými tolerancemi musí být po nitridaci přesně opracovány.
ČÁST 2
Analýza obtíží při obrábění dílů spojovacích hřídelí
Spojovací hřídel zobrazený na obrázku 1 se používá v zařízení pro zpětnou vazbu průtoku servoměnného hydromotoru, jako je poklop zbraně a klapka. Je to spojovací můstek mezi sestavou cykliky a snímačem. Jeho funkcí je přesně přenášet točivý moment úhlu natočení sestavy cykliky na snímač a sledovat průtok hydraulického motoru. Díl je vyroben z 0Cr17Ni4Cu4Nb precipitační-tvrditelné nerezové oceli. Vnější kruhové povrchy pravého a levého konce (φmm, resp. φmm) musí být nitridovány do hloubky 0,1–0,3 mm. Tvrdost nitridovaného povrchu by měla být větší nebo rovna 58 HRC, zatímco tvrdost -nitridovaného povrchu a jádra by měla být 31–39 HRC. Přechodové body mezi dvěma těsnicími drážkami a jednou drážkou pojistného kroužku na vnějším kruhovém povrchu vyžadují leštění s poloměrem R0,1–R0,2 mm. Vzhledem k vysoké tvrdosti a křehkosti nitridovaného povrchu spočívá obtížnost obrábění v opracování nitridovaného povrchu a v úpravě přechodových zaoblení mezi nitridovaným a -nenitridovaným povrchem. Nevhodný postup procesu a metody obrábění mohou vést k problémům s kvalitou, jako je vylamování ostrých hran. Proto je zásadní racionalita plánu procesu.
Obrázek 1 Spojovací hřídel
ČÁST 3
Výběr metod povrchové úpravy
Nitridované povrchy mají vysokou tvrdost, vysokou pevnost, vysokou křehkost, odolnost proti opotřebení a korozi a mají dobrou chemickou stabilitu, ale jejich obrobitelnost je relativně špatná. Nitridované povrchy jsou typické tvrdé a křehké materiály. Nesprávné metody obrábění mohou poškodit strukturu povrchové vrstvy obrobku, což činí vysoce kvalitní obrábění nitridovaných povrchů technickou výzvou.
Hlavní metody obrábění nitridovaných povrchů jsou soustružení, frézování a broušení. S ohledem na odolnost nástroje proti opotřebení a životnost nástroje by se destičky PCBN (polykrystalický kubický nitrid boru) měly používat pro soustružení a frézování, kdykoli je to možné. Polykrystalické vložky z kubického nitridu bóru mají tvrdost 3500–4500 HV a teplotu tepelné odolnosti 1250–1350 stupňů. Vykazují výjimečnou chemickou inertnost, dobrou houževnatost a tepelnou vodivost, nízký koeficient tření a silné anti{7}}adhezní vlastnosti, díky čemuž jsou zvláště vhodné pro obrábění tvrzené oceli, materiálů na bázi kobaltu-a niklu-, které se obtížně řezají [4, 5]. Při návrhu dráhy nástroje by měl nástroj vstupovat z vnějšku obrobku směrem k pevné části a vyhýbat se dráze od pevné části směrem ven. I tak nelze zcela eliminovat vylamování hran.
Broušení by mělo být preferovanou metodou obrábění, pokud to struktura součásti umožňuje. Při výběru brusných kotoučů je třeba se obecně vyhnout těm s příliš vysokou tvrdostí. Nadměrná tvrdost vede k rychlému nárůstu teploty v místě kontaktu, což způsobuje tepelné namáhání povrchu obrobku při vysokých teplotách broušení, což má v konečném důsledku za následek zbytkové napětí v tahu a vysoké riziko trhlin při broušení. Bílé brusné kotouče z taveného oxidu hlinitého nabízejí dobrý řezný výkon, ale jejich nižší houževnatost umožňuje snadné vypadávání brusného zrna. Pro nitridované povrchové broušení jsou kotouče z bílého taveného oxidu hlinitého lepší než kotouče z jednokrystalického taveného oxidu hlinitého [6-8].
Vnější válcové způsoby broušení se dělí na podélné broušení a příčné broušení. Zatímco podélné broušení má nižší účinnost, poskytuje lepší kvalitu povrchu a nižší drsnost povrchu. Příčné broušení je sice účinnější, ale vyžaduje větší brusnou sílu a vyšší teploty, což vyžaduje dostatečný přísun řezné kapaliny. Pro nitridované povrchové broušení je preferováno podélné broušení i přes jeho nižší účinnost, protože při procesu broušení se snadněji odvádí teplo, čímž se snižuje pravděpodobnost vzniku trhlin při broušení.
ČÁST 4
Procesní tok
Při sestavování specifikací procesu pro díly z nitridované nerezové oceli je třeba plně zvážit rozdělení fází zpracování a výběr anti-metod. Současně by měly být na vhodných místech uspořádány procesy odlehčení-napětí, aby se eliminovala deformace součásti způsobená namáháním při zpracování. Broušení by se mělo co nejvíce používat pro opracování nitridovaného povrchu. Broušení vytváří tlakové napětí na povrchu obrobku, zatímco soustružení a frézování vytváří napětí v tahu. Broušení pravděpodobněji zajistí integritu povrchu součásti. Průběh procesu lze obecně rozdělit do následujících fází:
(1) Tváření předlisku: Polotovar je výkovek nebo tyčový materiál.
(2) Hrubé obrábění: Odstranění značného množství přebytečného materiálu.
(3) Ošetření roztokem a precipitační vytvrzování: Zajištění požadavků na tvrdost ne-nitridovaného povrchu.
(4) Polo-dokončování: Odstranění černé škály z tepelně-zpracovaného povrchu, ponechání malého prostoru pro konečnou úpravu.
(5) Ošetření pro odstranění pnutí: U složitých, tenkostěnných, přesných a velkých-průměrů by mělo být ošetření pro odstranění pnutí provedeno po hrubování nebo polodokončování, aby se snížila deformace během nitridace (může být zapotřebí více ošetření). Před uvolněním napětí by měl být ponechán určitý přídavek na obrábění.
(6) Pomědění: Pomědění se používá pro ochranu s celkovou tloušťkou pomědění 30–50 μm.
(7) Polodokončování: Měděná vrstva na nitridovaném povrchu je odstraněna, čímž je dokončeno opracování povrchu pro nitridaci.
(8) Plynová nitridace: Povrchová nitridace je dokončena. U zvláště přesných nebo snadno deformovatelných dílů je před nitridací ponechán určitý přídavek na broušení a po nitridaci se měď odstraní broušením.
(9) Odstranění mědi: Všechny vrstvy mědi na povrchu součásti jsou odstraněny.
(10) Dokončení: Nitridovaný povrch a přesné rozměry jsou dokončeny.
ČÁST 5
Tok obrábění a existující problémy před optimalizací procesu
Hlavní obráběcí tok spojovací hřídele před optimalizací procesu byl: CNC soustružení vnějšího průměru φ10mm a drážky → hrubé frézování vnějšího průměru φ5mm a obrysu dílu → pomědění → CNC soustružení pro odstranění vrstvy mědi z povrchu vnějšího průměru φ10mm → vertikální obráběcí centrum pro odstranění vrstvy mědi z povrchu φ5mm vnější průměr měděného vnějšího průměru cylindrické nitě → cylindrický pásek φ10mm vnější průměr → leštění zaoblení.
Protože poloměr zaoblení R0,15 mm na spoji vnějšího průměru φ10 mm a drážky o šířce 3,4 mm a poloměr R0,5 mm na ostré hraně spoje vnějšího průměru φ5 mm, po obrobení na vnější válcové brusce a souřadnicové brusce již nejsou R0,15 mm a R0,5 kompletní. I když se po broušení vytvoří ostré hrany, pro splnění požadavků na zaoblení je nutné leštění. Tolerance zaoblení je však malá a během leštění je snadné toleranci překročit. Kromě toho v důsledku nadměrného odstraňování přídavku při leštění koutů velmi pravděpodobně dochází k vylamování hran. Mezitím se prstencová drážka na vnějším kruhu po nitridaci mírně deformuje. Pokud je prstencová drážka před nitridací obrobena na konečný rozměr požadovaný výkresem, otvor prstencové drážky se po nitridaci smrští, což má za následek rozměrové odchylky.
ČÁST 6
Optimalizované schéma procesu
(1) Metoda optimalizace pro vnější kruh φ10 mm: Aby byla zajištěna celistvost zaoblených rohů po broušení, je třeba zaoblené rohy na přechodu mezi vnějším kruhem φ10 mm a těsnicí drážkou geometricky zpracovat během hrubého obrábění. K zaoblenému rohu je přidán kuželový přechod s hloubkou kuželové plochy podle přídavku na broušení a úhlem kuželové plochy podle 10 stupňů -20 stupňů. Kuželová plocha a strana těsnící drážky jsou přechody zaoblenými rohy (výkresem požadované finální zaoblení). Tím je zajištěno, že po odstranění přídavku na broušení při dokončování zůstanou přechodové zaoblené rohy zcela zachovány a třísky hran nebudou způsobeny přílišným odstraněním přídavku na zaoblených rozích při následném leštění. Skutečné ověření ukazuje, že po přidání ochranné přechodové kuželové plochy je zcela eliminován jev vylamování, což zajišťuje kvalitu obrábění dílů. Obrázek 2 ukazuje CNC soustružení vnějšího kruhu a těsnící drážky před vylepšením procesu. Obrázek 3 ukazuje geometrickou úpravu ostré hrany těsnicí drážky po zlepšení procesu.
Obrázek 2: CNC soustružení vnějšího kruhu a těsnící drážky před vylepšením procesu
Obrázek 3: Geometrická úprava ostré hrany těsnicí drážky po zlepšení procesu
(2) Metoda optimalizace pro vnější kruh φ5 mm: Stejná metoda úpravy se používá pro vnější kruh φ5 mm. Na přechodové zaoblení R(0,5±0,1)mm je přidán 12stupňový kónický povrch, aby byla přechodová oblast mezi nitridovanými a -nenitridovanými povrchy hladší. To zlepšuje stav namáhání při obrábění vnějšího kruhu φ3,5 mm na souřadnicové brusce a eliminuje jev vylamování hrany. Obrázky 4 a 5 ukazují geometrickou úpravu φ3,6 mm válcového zaoblení před a po zlepšení procesu, v tomto pořadí. Obrázek 4. Geometrická úprava φ3,6mm válcového zaoblení před vylepšením procesu
Obrázek 5. Geometrická úprava φ3,6 mm válcového zaoblení po zlepšení procesu
(3) Kompenzace deformace těsnicí drážky: Okraje těsnicí drážky se smrští v důsledku deformace roztažením. To je způsobeno efektem ostré hrany procesu nitridace. Při vysoké koncentraci dusíku je objemová expanzní deformace větší než v jiných lokalitách [9, 10]. Těsnicí drážka o šířce 3,4 mm a drážka pro pojistný kroužek o šířce 1,1 mm mají velké tolerance. Změny šířky drážky před a po nitridaci jsou uvedeny v tabulce 1. Na základě toho jsou přizpůsobeny rozměrové tolerance před nitridací, aby byly zajištěny konečné rozměrové požadavky. Tabulka 1. Změny šířky drážky před a po nitridaci (jednotka: mm)
Tabulka 1 ukazuje, že změna šířky drážky před a po nitridaci pro drážku 3,4 mm je 0,026–0,035 mm, což určuje, že tolerance šířky drážky před nitridací by měla být stlačena na 3,4 mm; změna šířky drážky před a po nitridaci pro drážku 1,1 mm je 0,010–0,027 mm, což určuje, že tolerance šířky drážky před nitridací by měla být stlačena na 1,1 mm. Po stlačení tolerancí jsou konečné rozměry šířky drážky všech součástí v přijatelných mezích.
ČÁST 7
Závěr
Nitridované povrchy mají vysokou tvrdost a vysokou odolnost proti opotřebení a jejich výkon zůstává dobrý i při vysokých teplotách. Proto jsou díly z nitridované nerezové oceli široce používány v produktech leteckých-motorů. Obrábění nitridovaných povrchů je poměrně obtížné, vyžaduje vysoké nároky na odolnost nástroje proti opotřebení, volbu řezných parametrů a plánování řezných drah. Zvětšením ochranného kuželového přechodového zaoblení a stlačením rozměrových tolerancí před nitridací byly vyřešeny problémy nízké účinnosti obrábění, snadného vylamování hran a zmenšení šířky drážky po nitridaci dílů z nerezové oceli, čímž byly překonány obtíže při obrábění těchto dílů. Rychlost průchodu dílů se zvýšila z přibližně 50 % před zlepšením na 100 %, čímž bylo dosaženo dobrých výsledků.
