Проаналізовано труднощі обробки з'єднувальних деталей валів, удосконалено методи обробки. Основна увага приділяється запобіжним заходам при обробці азотованої поверхні. За допомогою притуплення кромок деталей перед азотуванням покращується напружена ситуація під час азотування, що ефективно вирішує проблему легкого обламування кромок деталей при обробці після азотування та забезпечує якість обробки деталей.
ЧАСТИНА 1
вступ
Азотування – це процес проникнення атомів азоту в поверхневий шар заготовки, який змінює хімічний склад поверхневого шару та утворює шар, що складається в основному з нітридів, тим самим покращуючи поверхневу твердість, зносостійкість, стійкість до втоми та анти{0}}задирні властивості деталей[1]. Після газового азотування поверхнева твердість деталей може досягати 1000 HV (близько 70 HRC) під навантаженням 50 Н, і вона може зберігати високу твердість і високу зносостійкість при температурі 600 градусів. Після азотування поверхня деталей може отримати більшу залишкову напругу стиску, а також може бути значно покращена втомна міцність [2], що не має аналогів при інших хімічних термічних обробках. Азотування поділяється на газове азотування, рідинне азотування та іонне азотування. Зараз наша компанія використовує в основному газове азотування. Порівняно з рідким азотуванням, газове азотування забезпечує легший контроль за атмосферою (з використанням аміаку як середовища для азотування), утворює менше шкідливих газів, які загрожують здоров’ю людини та навколишньому середовищу, і демонструє більш стабільну якість, що робить його більш широким використанням. Зазвичай використовуються матеріали для азотованих деталей: 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) і 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) і зазвичай використовуються в додатках, що вимагають зносостійкості, наприклад, у з’єднаннях, опорах і коромислах.
Азотування поділяється на загальне азотування та локальне азотування. Під час проектування слід якомога більше уникати локального азотування. Якщо потрібне локалізоване азотування, можна використати один із наведених нижче методів для обробки проти -азотування: ① Дозвольте допуск на механічну обробку більш ніж у два рази більше глибини азотування. ② Нанесіть шар олова товщиною 0,003–0,015 мм. ③ Покрийте непористий шар міді товщиною понад 0,02 мм. ④ Покрийте шар нікелю товщиною 0,02–0,04 мм. ⑤ Нанесіть покриття проти -азотування.
Шорсткість поверхні деталей до азотування повинна відповідати вимогам креслення. Як правило, значення шорсткості поверхні Ra слід контролювати в межах від 0,4 до 0,8 мкм. Поверхня має бути чистою, без плям масла, плям іржі та вм’ятин, особливо гострих країв. Припуск на обробку заготовки повинен відповідати специфікаціям процесу. Як правило, припуск на шліфування з одного боку азотованої поверхні конструктивних деталей має бути менше або дорівнювати 0,05 мм.
Температура процесу азотування відносно низька, зазвичай 460–650 градусів. Контроль атмосфери азотування дуже важливий. Аномальна атмосфера може призвести до таких дефектів, як недостатня глибина шару азотування, сітчаста структура шару азотування та пухка сполука [3]. Оскільки азотування не піддається загартуванню чи іншим обробкам, які викликають велику деформацію, деформація невелика, що є головною перевагою процесу азотування та дуже корисно для деталей, які не будуть оброблятися після азотування. Основною причиною розмірної нестабільності азотування є зміна структури та залишкової напруги, а також мікро-пластична деформація, яка виникає в умовах експлуатації. Як правило, деформація азотованої поверхні позитивно корелює з товщиною азотованого шару, яка становить приблизно 1/10 товщини азотованого шару деталі. При складанні технологічного процесу слід повністю враховувати вплив деформації на розміри. Розміри з невеликими допусками повинні бути точно оброблені після азотування.
ЧАСТИНА 2
Аналіз труднощів обробки з'єднувальних деталей вала
З’єднувальний вал, показаний на малюнку 1, використовується в пристрої зворотного зв’язку за потоком гідравлічного двигуна сервоприводу, такого як люк зброї та заслінка. Це з’єднувальний міст між перекидною пластиною та датчиком. Його функція полягає в тому, щоб точно передавати крутний момент кута повороту перекосної пластини на датчик і контролювати потік гідравлічного двигуна. Деталь виготовлена з нержавіючої сталі 0Cr17Ni4Cu4Nb-дисперсійного зміцнення. Зовнішні круглі поверхні правого та лівого торців (φмм та φмм відповідно) потребують азотуванні на глибину 0,1–0,3 мм. Твердість азотованої поверхні повинна бути більше або дорівнювати 58 HRC, тоді як твердість не-азотованої поверхні та серцевини має становити 31–39 HRC. Точки переходу між двома ущільнювальними канавками та однією канавкою стопорного кільця на зовнішній круглій поверхні вимагають полірування з радіусом R0,1–R0,2 мм. Через високу твердість і крихкість азотованої поверхні складність механічної обробки полягає в механічній обробці азотованої поверхні та обробці перехідних галтелів між азотованою та не-азотованою поверхнями. Невідповідний процес і методи обробки можуть призвести до проблем з якістю, наприклад до сколів на гострих краях. Тому раціональність технологічного плану має вирішальне значення.
Рисунок 1 З’єднувальний вал
ЧАСТИНА 3
Вибір методів оздоблення
Азотовані поверхні мають високу твердість, високу міцність, високу крихкість, зносостійкість і корозійну стійкість і мають хорошу хімічну стабільність, але їх оброблюваність відносно погана. Азотовані поверхні є типовими твердими і крихкими матеріалами. Неправильні методи обробки можуть пошкодити структуру поверхневого шару заготовки, що робить високоякісну -обробку азотованих поверхонь технічною проблемою.
Основними методами обробки азотованих поверхонь є точіння, фрезерування, шліфування. Враховуючи зносостійкість і термін служби інструменту, пластини PCBN (полікристалічний кубічний нітрид бору) слід використовувати для точіння та фрезерування, коли це можливо. Полікристалічні вставки з кубічного нітриду бору мають твердість 3500–4500 HV і температуру термостійкості 1250–1350 градусів. Вони виявляють виняткову хімічну інертність, гарну в’язкість і теплопровідність, низький коефіцієнт тертя та сильні анти{7}}адгезійні властивості, що робить їх особливо придатними для обробки загартованої сталі, матеріалів на основі{-кобальту та-нікелю, які важко різати [4, 5]. При проектуванні траєкторії інструменту інструмент має входити ззовні заготовки до твердої частини, уникаючи шляху від твердої частини до зовнішньої сторони. Незважаючи на це, неможливо повністю усунути відколи країв.
Шліфування має бути кращим методом обробки, якщо це дозволяє структура деталі. При виборі шліфувальних кругів, як правило, слід уникати тих, що мають надмірно високу твердість. Надмірна твердість призводить до швидкого підвищення температури в точці контакту, спричиняючи термічне навантаження на поверхню заготовки при високих температурах шліфування, що в кінцевому підсумку призводить до залишкової напруги розтягування та високого ризику тріщин при шліфуванні. Білі шліфувальні круги з плавленого оксиду алюмінію забезпечують гарну продуктивність різання, але їх менша в’язкість дозволяє легко осипати абразивне зерно. Для азотованого поверхневого шліфування круги з білого плавленого оксиду алюмінію перевершують круги з монокристалічного плавленого оксиду алюмінію [6-8].
Методи зовнішнього циліндричного шліфування поділяються на поздовжнє і поперечне шліфування. Хоча поздовжнє шліфування має нижчу ефективність, воно забезпечує кращу якість поверхні та нижчу шорсткість поверхні. Хоча поперечне шліфування є більш ефективним, воно потребує більшої сили шліфування та вищих температур, що вимагає достатньої кількості ріжучої рідини. Для азотованого поверхневого шліфування перевагу надають поздовжньому шліфуванню, незважаючи на його нижчу ефективність, оскільки тепло легше розсіюється під час процесу шліфування, що зменшує ймовірність появи тріщин при шліфуванні.
ЧАСТИНА 4
Потік процесу
Під час складання специфікацій процесу для деталей із азотованої нержавіючої сталі слід повністю враховувати поділ етапів обробки та вибір методів анти{0}}азотування. Водночас у відповідних місцях має бути організовано-процеси зняття напруги, щоб усунути деформацію деталей, спричинену напругою під час обробки. Шліфування слід максимально використовувати для обробки азотованої поверхні. Шліфування створює напругу стиску на поверхні заготовки, тоді як токарна обробка та фрезерування створюють напругу розтягування. Шліфування швидше забезпечує цілісність поверхні деталі. У загальному вигляді процес можна розділити на наступні етапи:
(1) Формування заготовки зубчастого колеса: заготівля — це кування або пруток.
(2) Груба механічна обробка: видалення значної кількості надлишкового матеріалу.
(3) Обробка розчином і дисперсійне зміцнення: забезпечення вимог до твердості не-азотованої поверхні.
(4) Напів-чистова обробка: видалення чорного окалини з тер-обробленої поверхні, залишаючи невеликий припуск для фінішної обробки.
(5) Зняття напруги: для складних, тонкостінних, точних деталей із великим-діаметром обробку зняття напруги слід проводити після чорнової або напів{3}}чистової обробки, щоб зменшити деформацію під час азотування (може знадобитися кілька обробок). Перед зняттям напруги слід залишити певний припуск на обробку.
(6) Мідне покриття: мідне покриття застосовується для захисту із загальною товщиною мідного покриття 30–50 мкм.
(7) Напів{1}}чистова обробка: шар міді на азотованій поверхні видаляється, завершуючи механічну обробку поверхні для азотування.
(8) Газове азотування: азотування поверхні завершено. Для особливо точних або легко деформованих деталей перед азотуванням залишають певний припуск на шліфування, а після азотування мідь видаляють шліфуванням.
(9) Видалення міді: усі шари міді на поверхні деталі видаляються.
(10) Оздоблення: азотована поверхня та точні розміри завершені.
ЧАСТИНА 5
Хід обробки та існуючі проблеми до оптимізації процесу
Основний процес обробки з’єднувального вала перед оптимізацією процесу: токарна обробка з ЧПУ зовнішнього діаметра φ10 мм і канавки → грубе фрезерування зовнішнього діаметра φ5 мм і контуру деталі → міднення → токарна обробка з ЧПУ для видалення шару міді з поверхні зовнішнього діаметра φ10 мм → вертикальний обробний центр для видалення шару міді з поверхні зовнішнього діаметра φ5 мм → азотування → зняття міді → зовнішнє циліндричне шліфування зовнішнього діаметра φ10 мм → полірування галточки.
Оскільки радіус скруглення R0,15 мм на стику зовнішнього діаметра φ10 мм і канавки шириною 3,4 мм, а також радіус R0,5 мм на гострому краї з’єднання зовнішнього діаметра φ5 мм, після обробки на зовнішньому циліндричному шліфувальному верстаті та координатно-шліфувальному верстаті R0,15 мм і R0,5 мм більше не є повними. Незважаючи на те, що після шліфування утворюються гострі краї, полірування необхідне, щоб відповідати вимогам до філе. Однак допуск галочки невеликий, і його легко перевищити під час полірування. Крім того, через надмірне видалення припуску під час полірування галточки дуже ймовірно, що на краях з’являться відколи. При цьому кільцева канавка на зовнішньому колі зазнає невеликої деформації після азотування. Якщо перед азотуванням кільцева канавка оброблена до кінцевого розміру, необхідного за кресленням, отвір кільцевої канавки зменшиться після азотування, що призведе до відхилень у розмірах.
ЧАСТИНА 6
Оптимізована схема процесу
(1) Метод оптимізації для зовнішнього кола φ10 мм: щоб забезпечити цілісність округлених кутів після шліфування, закруглені кути на переході між зовнішнім колом φ10 мм і ущільнювальною канавкою необхідно геометрично обробити під час грубої обробки. До округленого кута додається конічний перехід із глибиною конічної поверхні відповідно до припуску на шліфування та кутом конічної поверхні відповідно до 10 градусів -20 градусів. Конічна поверхня та сторона ущільнювальної канавки мають перехід із закругленими кутами (остаточні закруглені кути вимагаються кресленням). Це гарантує, що після видалення припуску на шліфування під час фінішної обробки перехідні закруглені кути повністю збережуться, а відколи країв не будуть спричинені надмірним видаленням припуску на закруглених кутах під час наступного полірування. Фактична перевірка показує, що після додавання захисної перехідної конічної поверхні явище відколів повністю усувається, забезпечуючи якість обробки деталей. На малюнку 2 показано точіння з ЧПК зовнішнього кола та ущільнювальної канавки до вдосконалення процесу. На малюнку 3 показано геометричну обробку гострого краю ущільнювальної канавки після вдосконалення процесу.
Малюнок 2: Точіння з ЧПУ зовнішнього кола та ущільнювальної канавки до вдосконалення процесу
Рисунок 3: Геометрична обробка гострого краю ущільнювальної канавки після вдосконалення процесу
(2) Метод оптимізації для зовнішнього кола φ5 мм: той самий метод обробки використовується для зовнішнього кола φ5 мм. Конічна поверхня під кутом 12 градусів додана до перехідного скруглення R(0,5±0,1) мм, щоб зробити область переходу між азотованою та не-азотованою поверхнею більш гладкою. Це покращує умови напруги під час обробки зовнішнього кола φ3,5 мм на координатній шліфувальній машині та усуває явище відколів країв. На малюнках 4 і 5 показано геометричну обробку циліндричного галтеля φ3,6 мм до і після вдосконалення процесу відповідно. Рисунок 4. Геометрична обробка циліндричного філе φ3,6 мм перед удосконаленням процесу
Рисунок 5. Геометрична обробка циліндричного філе φ3,6 мм після вдосконалення процесу
(3) Компенсація деформації ущільнювальної канавки: краї ущільнювальної канавки стиснуться через деформацію розширення. Це викликано ефектом гострих країв процесу азотування. При високій концентрації азоту деформація об’ємного розширення більша, ніж в інших місцях [9, 10]. Ущільнювальна канавка шириною 3,4 мм і канавка стопорного кільця шириною 1,1 мм мають великі допуски. Зміни ширини канавки до і після азотування наведені в таблиці 1. На основі цього допуски на розміри перед азотуванням регулюються для забезпечення остаточних вимог до розмірів. Таблиця 1. Зміни ширини канавки до та після азотування (одиниці: мм)
Таблиця 1 показує, що зміна ширини канавки до і після азотування для канавки 3,4 мм становить 0,026–0,035 мм, таким чином визначаючи, що допуск на ширину канавки перед азотуванням має бути стиснутий до 3,4 мм; зміна ширини канавки до і після азотування для канавки 1,1 мм становить 0,010–0,027 мм, таким чином визначаючи, що допуск на ширину канавки перед азотуванням має бути стиснутий до 1,1 мм. Після стиснення допусків кінцеві розміри ширини канавок деталей знаходяться в допустимих межах.
ЧАСТИНА 7
Висновок
Азотовані поверхні мають високу твердість і високу зносостійкість, а їх експлуатаційні характеристики зберігаються при високих температурах. Тому деталі з азотованої нержавіючої сталі широко використовуються в авіа-двигунах. Обробка азотованих поверхонь відносно складна, вимагає високих стандартів щодо зносостійкості інструменту, вибору параметрів різання та планування траєкторій різання. Завдяки збільшенню захисного конічного перехідного галтя та стисненню допусків на розміри перед азотуванням було вирішено проблеми низької ефективності обробки, легкого сколювання країв і зменшення ширини канавок після азотування деталей з нержавіючої сталі, подолавши труднощі обробки таких деталей. Швидкість проходження деталей зросла приблизно з 50% до вдосконалення до 100%, досягаючи хороших результатів.
