Analüüsitakse võlli osade ühendamise raskusi ja täiustatakse töötlemismeetodeid. Keskendutakse ettevaatusabinõudele nitreeritud pinna töötlemisel. Detailide servade nüristamine enne nitridimist parandab pingeolukorda nitridimisel, mis lahendab tõhusalt probleemi, et detailide servad on pärast nitridimist töötlemisel kergesti lahti murduvad ning tagab detailide töötlemiskvaliteedi.
1. OSA
Sissejuhatus
Nitridimine on protsess, mille käigus infiltreeritakse lämmastikuaatomid tooriku pinnakihti, mis muudab pinnakihi keemilist koostist ja moodustab peamiselt nitriididest koosneva kihi, parandades seeläbi osade pinna kõvadust, kulumiskindlust, väsimuskindlust ja{0}}lõpumisvastaseid omadusi[1]. Pärast gaasnitriidimist võib osade pinna kõvadus ulatuda 50 N koormuse all 1000 HV-ni (umbes 70 HRC) ning see võib siiski säilitada kõrge kõvaduse ja kõrge kulumiskindluse temperatuuril 600 kraadi. Pärast nitridimist võib osade pind saada suuremat jääksurvepinget ja ka väsimustugevust saab oluliselt parandada[2], mis on võrreldamatu muude keemiliste kuumtöötlustega. Nitridimine liigitatakse muu hulgas gaasi-, vedel- ja ioonnitridimiseks. Meie ettevõte kasutab praegu peamiselt gaasinitriidi. Võrreldes vedela nitrideerimisega pakub gaasnitridimine kergemat atmosfääri kontrolli (kasutades nitridimiskeskkonnana ammoniaaki), toodab vähem kahjulikke gaase, mis ohustavad inimeste tervist ja keskkonda, ning on stabiilsema kvaliteediga, muutes selle laialdasema kasutuse. Tavaliselt kasutatavad materjalid nitreeritud osade jaoks on 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4NiMo18,800TiAl8), TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) ja 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) ning neid kasutatakse tavaliselt kulumiskindlust nõudvates rakendustes, nagu liigendid, toed ja nookurid.
Nitridimine jaguneb üldiseks ja lokaalseks nitridimiseks. Projekteerimisel tuleks võimalikult palju vältida lokaalset nitridimist. Kui lokaalne nitreerimine on vajalik, võib nitriidivastaseks töötlemiseks kasutada ühte järgmistest meetoditest: ① Lubage töötlemisvaru üle kahekordse nitridimissügavuse. ② Plaati tinakiht paksusega 0,003–0,015 mm. ③ Katke mitte-poorne vasekiht paksusega üle 0,02 mm. ④ Katke niklikiht paksusega 0,02–0,04 mm. ⑤ Kandke peale nitriidivastane-kate.
Osade pinnakaredus enne nitridimist peaks vastama joonise nõuetele. Üldjuhul tuleks pinna kareduse väärtust Ra reguleerida vahemikus 0,4–0,8 μm. Pind peab olema puhas, õliplekkide, roostelaikude ja mõlkideta, eriti teravate servadeta. Tooriku töötlemisvaru peaks vastama protsessi spetsifikatsioonidele. Üldjuhul peab lihvimisvaru konstruktsiooniosade nitreeritud pinna ühel küljel olema 0,05 mm või väiksem.
Nitridimisprotsessi temperatuur on suhteliselt madal, tavaliselt 460–650 kraadi. Nitriidi atmosfääri kontroll on väga oluline. Ebanormaalne atmosfäär võib põhjustada selliseid defekte nagu ebapiisav nitriidikihi sügavus, nitridkihi võrgustruktuur ja lahtine ühend [3]. Kuna nitridimisel ei toimu karastamist ega muid suuri deformatsioone põhjustavaid töötlusi, on deformatsioon väike, mis on nitridimisprotsessi peamine eelis ja on väga kasulik osadele, mida pärast nitridimist ei töödelda. Nitriidi mõõtmete ebastabiilsuse peamine põhjus on struktuuri muutus ja jääkpinge, samuti kasutustingimustes tekkiv mikro{7}plastiline deformatsioon. Üldjuhul on nitreeritud pinna deformatsioon positiivses korrelatsioonis nitreeritud kihi paksusega, mis on umbes 1/10 detaili nitreeritud kihi paksusest. Protsessi voolu koostamisel tuleks täielikult ära tunda deformatsiooni mõju mõõtmetele. Väikeste tolerantidega mõõtmed tuleb pärast nitridimist täpselt töödelda.
2. OSA
Ühendusvõlli osade töötlemise raskuste analüüs
Joonisel 1 kujutatud ühendusvõlli kasutatakse servo muutuva hüdromootori voolu tagasisideseadmes, nagu relva luuk ja klapp. See on ühendussild alusplaadi koostu ja anduri vahel. Selle ülesanne on andurile täpselt edastada pöördeplaadi pöördemoment ja jälgida hüdromootori voolu. Osa on valmistatud 0Cr17Ni4Cu4Nb sademe{8}}karastavast roostevabast terasest. Parema ja vasaku otsa (vastavalt φmm ja φmm) ringikujulised välispinnad tuleb nitreerida 0,1–0,3 mm sügavuseni. Nitriiditud pinna kõvadus peab olema suurem või võrdne 58 HRC, samas kui nitriidita pinna ja südamiku kõvadus peaks olema 31–39 HRC. Üleminekupunktid kahe tihendussoone ja ühe kinnitusrõnga soone vahel välisel ringikujulisel pinnal vajavad poleerimist raadiusega R0,1–R0,2 mm. Nitreeritud pinna suure kõvaduse ja rabeduse tõttu seisneb töötlemisraskus nitriditud pinna töötlemises ja nitriiditud ja mitte{21}}nitreeritud pindade vaheliste üleminekufileede töötlemises. Sobimatu protsessi kulg ja töötlemismeetodid võivad põhjustada kvaliteediprobleeme, nagu teravate servade lõhestumine. Seetõttu on protsessiplaani ratsionaalsus ülioluline.
Joonis 1 Ühendusvõll
3. OSA
Viimistlusmeetodite valik
Nitreeritud pindadel on kõrge kõvadus, kõrge tugevus, kõrge rabedus, kulumiskindlus ja korrosioonikindlus ning hea keemiline stabiilsus, kuid nende töödeldavus on suhteliselt halb. Nitreeritud pinnad on tüüpilised kõvad ja rabedad materjalid. Valed töötlemismeetodid võivad kahjustada töödeldava detaili pinnakihi struktuuri, muutes nitreeritud pindade kvaliteetse-töötluse tehniliseks väljakutseks.
Peamised nitreeritud pindade töötlemismeetodid on treimine, freesimine ja lihvimine. Arvestades tööriista kulumiskindlust ja tööriista tööiga, tuleks võimaluse korral kasutada treimiseks ja freesimiseks PCBN-i (polükristalliline kuupboornitriid) plaate. Polükristalliliste kuubikujuliste boornitriidide kõvadus on 3500–4500 HV ja kuumakindlustemperatuur 1250–1350 kraadi. Neil on erakordne keemiline inertsus, hea sitkus ja soojusjuhtivus, madal hõõrdetegur ja tugevad nakkumisvastased omadused, mistõttu need sobivad eriti hästi karastatud terase, koobalt-põhiste ja raskesti lõigatavate nikli{9}}põhiste materjalide töötlemiseks [4, 5]. Tööriistatee kujundamisel peaks tööriist sisenema tooriku välisküljelt tahke osa poole, vältides liikumist tahkest osast väljapoole. Sellegipoolest ei saa serva lõhkumist täielikult kõrvaldada.
Lihvimine peaks olema eelistatud töötlemismeetod, kui detaili struktuur seda võimaldab. Lihvketaste valimisel tuleks üldiselt vältida liiga kõrge kõvadusega kettaid. Liigne kõvadus põhjustab kokkupuutepunktis kiire temperatuuri tõusu, põhjustades kõrgel lihvimistemperatuuril tooriku pinnale termilist pinget, mille tulemuseks on jääktõmbepinge ja suur lihvimispragude oht. Valge sulatatud alumiiniumoksiidi lihvkettad pakuvad head lõikejõudlust, kuid nende madalam sitkus võimaldab hõlpsat abrasiivsete terade eemaldamist. Nitreeritud pinna lihvimisel on valge sulatatud alumiiniumoksiidi rattad paremad kui ühe-kristalliga sulatatud alumiiniumoksiidi kettad [6–8].
Välised silindrilised lihvimismeetodid jagunevad pikisuunaliseks ja põiki lihvimiseks. Kuigi pikisuunalise lihvimise efektiivsus on madalam, annab see parema pinnakvaliteedi ja väiksema pinna kareduse. Põiklihvimine, kuigi tõhusam, nõuab suuremat lihvimisjõudu ja kõrgemat temperatuuri, mistõttu on vaja piisavat lõikevedelikku. Nitreeritud pindlihvimisel eelistatakse pikisuunalist lihvimist, vaatamata selle madalamale efektiivsusele, kuna kuumus hajub lihvimisprotsessi käigus kergemini, vähendades lihvimispragude tekkimise tõenäosust.
4. OSA
Protsessi voog
Nitriidiga roostevabast terasest osade protsessispetsifikatsioonide koostamisel tuleks täielikult arvesse võtta töötlemisetappide jaotust ja nitriidivastaste meetodite valikut. Samaaegselt tuleks sobivates kohtades korraldada pinge maandamise protsessid, et kõrvaldada töötlemispingest põhjustatud deformatsioon. Nitreeritud pinna töötlemisel tuleks võimalikult palju kasutada lihvimist. Lihvimine tekitab tooriku pinnale survepinge, treimine ja freesimine aga tõmbepinget. Lihvimine tagab suurema tõenäosusega detaili pinna terviklikkuse. Protsessi voo võib üldiselt jagada järgmisteks etappideks:
(1) Hammasratta tooriku vormimine: toorik on sepis- või vardavaru.
(2) Jäme töötlemine: märkimisväärse koguse liigse materjali eemaldamine.
(3) Lahuse töötlemine ja sademega karastamine: nitreerimata pinna kõvadusnõuete tagamine.
(4) Pool{1}}viimistlus: musta katlakivi eemaldamine kuumtöödeldud pinnalt, jättes viimistlemiseks väikese ruumi.
(5) Stressi leevendav töötlemine: keeruliste, õhukeseseinaliste, täpsete ja suure{2}}läbimõõduga osade puhul tuleks pinget vähendav töötlemine läbi viia pärast töötlemist või poolviimistlemist, et vähendada deformatsiooni nitriidi ajal (vajalik võib olla mitu töötlemist). Enne stressi leevendamist tuleks jätta teatud töötlusvaru.
(6) Vaskplaat: kaitseks kasutatakse vaskplaati, mille üldine vaskplaadi paksus on 30–50 μm.
(7) Pool{1}}viimistlus: nitreeritud pinnalt eemaldatakse vasekiht, mis viib nitriidi pinna töötlemise lõpule.
(8) Gaasnitridimine: pinnanitridimine on lõpetatud. Eriti täpsete või kergesti deformeeruvate detailide puhul jäetakse enne nitridimist teatud lihvimisvaru ja pärast nitridimist eemaldatakse vask lihvimise teel.
(9) Vase eemaldamine: kõik detaili pinnal olevad vasekihid eemaldatakse.
(10) Viimistlus: nitreeritud pind ja täppismõõtmed on viimistletud.
5. OSA
Töötlemisvoog ja olemasolevad probleemid enne protsessi optimeerimist
Ühendusvõlli põhiline töötlemisvoog enne protsessi optimeerimist oli: φ10 mm välisläbimõõdu ja soone CNC treimine → φ5 mm välisläbimõõdu ja detaili kontuuri jäme freesimine → vaskplaat → CNC treimine vasekihi eemaldamiseks φ10 mm välisläbimõõdu pinnalt → ni mm. vase eemaldamine → välisläbimõõduga φ10mm silindriline välislihvimine → filee poleerimine.
Kuna filee raadius R0,15mm φ10mm välisläbimõõdu ja 3,4mm laiuse soone ristumiskohas ning raadius R0,5mm φ5mm välisläbimõõduga ristmiku teravas servas, ei ole pärast töötlemist välisel silindrilisel lihvimismasinal ja koordinaatlihvimismasinal R0,15mm ja R0,5mm pikemad. Kuigi pärast lihvimist tekivad teravad servad, on fileenõuete täitmiseks vajalik poleerimine. Siiski on filee tolerants väike ja poleerimisel on tolerantsust lihtne ületada. Peale selle, kuna filee poleerimisel eemaldatakse liiga palju varusid, on servade lõhenemine väga tõenäoline. Vahepeal läbib välisringi rõngakujuline soon pärast nitridimist kergelt deformatsiooni. Kui rõngakujuline soon on enne nitridimist töödeldud joonisel nõutud lõpliku suuruseni, siis pärast nitridimist rõngassoone avaus kahaneb, mille tulemuseks on mõõtmete kõrvalekalded.
6. OSA
Optimeeritud protsessiskeem
(1) Optimeerimismeetod φ10 mm välisringi jaoks: ümarate nurkade terviklikkuse tagamiseks pärast lihvimist tuleb φ10 mm välisringi ja tihendussoone üleminekul olevaid ümaraid nurki töötlemata töötlemise ajal geomeetriliselt töödelda. Ümardatud nurgale on lisatud kooniline üleminek, kusjuures koonilise pinna sügavus vastavalt lihvimisvarule ja koonilise pinna nurk vastavalt 10 kraadi -20 kraadi . Kooniline pind ja tihendussoone külg on ümardatud nurkadega (joonisel nõutavad lõplikud ümarad nurgad). See tagab, et pärast lihvimisvaru eemaldamist viimistlemisel säilivad ülemineku ümarad nurgad täielikult ning järgneval poleerimisel ei teki servalaastude liigsest ümardatud nurkadest varude eemaldamist. Tegelik kontrollimine näitab, et pärast kaitsva ülemineku koonilise pinna lisamist elimineeritakse hakkimisnähtus täielikult, tagades osade töötlemise kvaliteedi. Joonisel 2 on näidatud välimise ringi ja tihendussoonte CNC-pööramine enne protsessi täiustamist. Joonis 3 näitab tihendussoonte terava serva geomeetrilist töötlust pärast protsessi täiustamist.
Joonis 2: Välisringi ja tihendussoonte CNC-pööramine enne protsessi täiustamist
Joonis 3: Tihendussoonte terava serva geomeetriline töötlemine pärast protsessi täiustamist
(2) Optimeerimismeetod φ5 mm välisringi jaoks: sama töötlemismeetodit kasutatakse φ5 mm välisringi jaoks. 12-kraadine kooniline pind lisatakse R(0,5 ± 0,1) mm üleminekufilee juurde, et muuta üleminekuala nitreeritud ja mitte{7}}nitreeritud pindade vahel sujuvamaks. See parandab pingeolukorda φ3,5 mm välisringi töötlemisel koordinaatlihvimismasinal ja välistab serva lõhkumise nähtuse. Joonistel 4 ja 5 on näidatud φ3,6 mm silindrilise filee geomeetriline töötlemine vastavalt enne ja pärast protsessi täiustamist. Joonis 4. φ3,6 mm silindrilise filee geomeetriline töötlemine enne protsessi täiustamist
Joonis 5. φ3,6 mm silindrilise filee geomeetriline töötlemine pärast protsessi täiustamist
(3) Tihendussoone deformatsiooni kompenseerimine: tihendussoone servad tõmbuvad kokku paisumisdeformatsiooni tõttu. Selle põhjuseks on nitriidiprotsessi terav servaefekt. Kõrge lämmastiku kontsentratsiooni korral on mahupaisumise deformatsioon suurem kui teistes kohtades [9, 10]. Tihendussoonel laiusega 3,4 mm ja kinnitusrõnga soonel laiusega 1,1 mm on suured tolerantsid. Soone laiuse muutused enne ja pärast nitridimist on toodud tabelis 1. Sellest lähtuvalt kohandatakse mõõtmete tolerantsid enne nitridimist, et tagada lõplikud mõõtmete nõuded. Tabel 1. Soone laiuse muutused enne ja pärast nitriidimist (ühik: mm)
Tabelis 1 on näidatud, et 3,4 mm soone soone laiuse muutus enne ja pärast nitridimist on 0,026–0,035 mm, mis määrab, et soone laiuse tolerants enne nitridimist tuleb kokku suruda 3,4 mm-ni; 1,1 mm soone soone laiuse muutus enne ja pärast nitridimist on 0,010–0,027 mm, mis määrab, et soone laiuse tolerants enne nitridimist tuleb kokku suruda 1,1 mm-ni. Pärast tolerantside kokkusurumist on osade lõplikud soone laiuse mõõtmed kõik lubatud piirides.
7. OSA
Järeldus
Nitreeritud pindadel on kõrge kõvadus ja kulumiskindlus ning nende jõudlus püsib kõrgel temperatuuril hea. Seetõttu kasutatakse nitriditud roostevabast terasest osi laialdaselt lennuki-mootoritoodetes. Nitreeritud pindade töötlemine on suhteliselt keeruline, nõudes kõrgeid nõudeid tööriista kulumiskindlusele, lõikeparameetrite valikule ja lõiketeede planeerimisele. Suurendades kaitsvat koonusekujulist üleminekufileed ja surudes kokku mõõtmete tolerantsid enne nitridimist, lahendati roostevabast terasest detailide nitridimise järgselt madala töötlusefektiivsuse, servade kerge hakkimise ja soone laiuse vähenemise probleemid, mis ületasid selliste detailide töötlemise raskused. Osade läbimismäär tõusis umbes 50%-lt enne täiustamist 100%-ni, saavutades head tulemused.
