De verwerkingsproblemen bij het verbinden van asonderdelen worden geanalyseerd en de verwerkingsmethoden worden verbeterd. De nadruk ligt op de voorzorgsmaatregelen voor het bewerken van het genitreerde oppervlak. Door de randen van de onderdelen vóór het nitreren stomp te maken, wordt de spanningssituatie tijdens het nitreren verbeterd, wat effectief het probleem oplost dat de randen van de onderdelen gemakkelijk afbreken bij het bewerken na het nitreren, en de verwerkingskwaliteit van de onderdelen garandeert.
DEEL 1
Invoering
Nitreren is het proces waarbij stikstofatomen in de oppervlaktelaag van een werkstuk worden geïnfiltreerd, waardoor de chemische samenstelling van de oppervlaktelaag verandert en een laag wordt gevormd die voornamelijk uit nitriden bestaat, waardoor de oppervlaktehardheid, slijtvastheid, vermoeidheidsweerstand en anti{0}}vreteigenschappen van de onderdelen worden verbeterd[1]. Na gasnitreren kan de oppervlaktehardheid van de onderdelen 1000 HV (ongeveer 70 HRC) bereiken onder een belasting van 50 N, en kan deze nog steeds een hoge hardheid en hoge slijtvastheid behouden bij een temperatuur van 600 graden. Na het nitreren kan het oppervlak van de onderdelen een grotere restdrukspanning krijgen en kan de vermoeiingssterkte aanzienlijk worden verbeterd[2], wat ongeëvenaard is door andere chemische warmtebehandelingen. Nitreren wordt onder meer onderverdeeld in gasnitreren, vloeibaar nitreren en ionennitreren. Momenteel maakt ons bedrijf vooral gebruik van gasnitreren. Vergeleken met vloeibaar nitreren biedt gasnitreren een gemakkelijkere controle van de atmosfeer (met behulp van ammoniak als nitreringsmedium), produceert het minder schadelijke gassen die de menselijke gezondheid en het milieu bedreigen, en vertoont het een stabielere kwaliteit, waardoor het op grotere schaal wordt gebruikt. Veelgebruikte materialen voor genitreerde onderdelen zijn onder meer 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) en 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo), en worden doorgaans gebruikt in toepassingen die slijtvastheid vereisen, zoals gewrichten, steunen en tuimelaars.
Nitreren is onderverdeeld in algemeen nitreren en gelokaliseerd nitreren. Gelokaliseerde nitrering moet tijdens het ontwerp zoveel mogelijk worden vermeden. Als plaatselijk nitreren noodzakelijk is, kan een van de volgende methoden worden gebruikt voor anti-nitreerbehandeling: ① Houd rekening met een bewerkingstolerantie van meer dan tweemaal de nitreerdiepte. ② Breng een tinlaag aan met een dikte van 0,003–0,015 mm. ③ Breng een niet-poreuze koperlaag aan met een dikte van meer dan 0,02 mm. ④ Breng een nikkellaag aan met een dikte van 0,02–0,04 mm. ⑤ Breng een anti-nitreerlaag aan.
De oppervlakteruwheid van de onderdelen vóór het nitreren moet voldoen aan de eisen van de tekening. Over het algemeen moet de oppervlakteruwheidswaarde Ra tussen 0,4 en 0,8 μm worden geregeld. Het oppervlak moet schoon zijn en vrij van olievlekken, roestvlekken en deuken, vooral scherpe randen. De bewerkingstoeslag van het werkstuk moet voldoen aan de processpecificaties. Over het algemeen moet de slijptoeslag aan één zijde van het genitreerde oppervlak van structurele onderdelen kleiner dan of gelijk aan 0,05 mm zijn.
De temperatuur van het nitreerproces is relatief laag, doorgaans 460-650 graden. Controle van de nitreeratmosfeer is erg belangrijk. Een abnormale atmosfeer kan leiden tot defecten zoals onvoldoende diepte van de nitreerlaag, netwerkstructuur van de nitreerlaag en losse verbindingen [3]. Omdat nitreren geen afschrikken of andere behandelingen ondergaat die grote vervormingen veroorzaken, is de vervorming klein, wat een groot voordeel is van het nitreren en zeer gunstig is voor onderdelen die na nitreren niet zullen worden verwerkt. De belangrijkste reden voor de dimensionale instabiliteit van nitreren is de verandering in structuur en restspanning, evenals de micro-plastische vervorming die optreedt onder gebruiksomstandigheden. Over het algemeen is de vervorming van het genitreerde oppervlak positief gecorreleerd met de dikte van de genitreerde laag, die ongeveer 1/10 is van de dikte van de genitreerde laag van het onderdeel. Bij het samenstellen van de processtroom moet de invloed van vervorming op de afmetingen volledig onderkend worden. Afmetingen met kleine toleranties moeten na het nitreren met precisie worden bewerkt.
DEEL 2
Analyse van de moeilijkheden bij het bewerken van verbindingsasonderdelen
De in figuur 1 getoonde verbindingsas wordt gebruikt in het stroomfeedbackapparaat van de servovariabele hydraulische motor, zoals een wapenluik en een klep. Het is de verbindingsbrug tussen het tuimelschijfsamenstel en de sensor. Zijn functie is het nauwkeurig overbrengen van het draaihoekkoppel van de tuimelschijf naar de sensor en het bewaken van de stroom van de hydraulische motor. Het onderdeel is gemaakt van 0Cr17Ni4Cu4Nb precipitatie-hardend roestvrij staal. De buitenste cirkelvormige oppervlakken van de rechter- en linkeruiteinden (respectievelijk φmm en φmm) moeten worden genitreerd tot een diepte van 0,1–0,3 mm. De hardheid van het genitreerde oppervlak moet groter dan of gelijk zijn aan 58 HRC, terwijl de hardheid van het niet-niet-genitreerde oppervlak en de kern 31–39 HRC moet zijn. De overgangspunten tussen de twee afdichtingsgroeven en één borgringgroef op het buitenste cirkelvormige oppervlak vereisen polijsten met een straal van R0,1–R0,2 mm. Vanwege de hoge hardheid en brosheid van het genitreerde oppervlak liggen de bewerkingsproblemen in de bewerking van het genitreerde oppervlak en de behandeling van de overgangsfilets tussen de genitreerde en niet-genitreerde oppervlakken. Onjuiste processtroom en bewerkingsmethoden kunnen tot kwaliteitsproblemen leiden, zoals afbrokkeling van scherpe randen. Daarom is de rationaliteit van het procesplan cruciaal.
Figuur 1 Verbindingsas
DEEL 3
Selectie van afwerkingsmethoden
Genitreerde oppervlakken bezitten een hoge hardheid, hoge sterkte, hoge brosheid, slijtvastheid en corrosieweerstand, en hebben een goede chemische stabiliteit, maar hun bewerkbaarheid is relatief slecht. Genitreerde oppervlakken zijn typische harde en brosse materialen. Onjuiste bewerkingsmethoden kunnen de structuur van de oppervlaktelaag van het werkstuk beschadigen, waardoor hoogwaardige bewerking van genitreerde oppervlakken een technische uitdaging wordt.
De belangrijkste bewerkingsmethoden voor genitreerde oppervlakken zijn draaien, frezen en slijpen. Met het oog op de slijtvastheid en standtijd van het gereedschap moeten PCBN-wisselplaten (polykristallijn kubisch boornitride) waar mogelijk worden gebruikt voor draaien en frezen. Polykristallijne kubieke boornitride inzetstukken hebben een hardheid van 3500–4500 HV en een hittebestendigheidstemperatuur van 1250–1350 graden. Ze vertonen uitzonderlijke chemische inertheid, goede taaiheid en thermische geleidbaarheid, een lage wrijvingscoëfficiënt en sterke anti-adhesie-eigenschappen, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor het bewerken van gehard staal, op kobalt-gebaseerde materialen en op nikkel-gebaseerde materialen die moeilijk te snijden zijn [4, 5]. Bij het ontwerp van een gereedschapsbaan moet het gereedschap vanaf de buitenkant van het werkstuk naar het massieve deel gaan, waarbij het pad van het massieve deel naar de buitenkant wordt vermeden. Toch kan het afbrokkelen van de randen niet volledig worden geëlimineerd.
Slijpen zou de voorkeursbewerkingsmethode moeten zijn als de structuur van het onderdeel dit toelaat. Bij het selecteren van slijpstenen moeten in het algemeen slijpstenen met een te hoge hardheid worden vermeden. Overmatige hardheid leidt tot een snelle temperatuurstijging op het contactpunt, waardoor bij hoge slijptemperaturen thermische spanningen op het werkstukoppervlak ontstaan, wat uiteindelijk resulteert in resttrekspanningen en een hoog risico op slijpscheuren. Slijpschijven van wit gesmolten aluminiumoxide bieden goede snijprestaties, maar hun lagere taaiheid zorgt ervoor dat de schuurkorrels gemakkelijk kunnen worden afgestoten. Voor het slijpen van genitreerde oppervlakken zijn witgesmolten aluminiumoxideschijven superieur aan enkel-kristalgesmolten aluminiumoxideschijven [6-8].
Externe cilindrische slijpmethoden zijn onderverdeeld in longitudinaal slijpen en dwarsslijpen. Hoewel langsslijpen een lager rendement heeft, produceert het een betere oppervlaktekwaliteit en een lagere oppervlakteruwheid. Dwarsslijpen is weliswaar efficiënter, maar vereist een grotere slijpkracht en hogere temperaturen, waardoor een voldoende toevoer van snijvloeistof noodzakelijk is. Voor genitreerd vlakslijpen wordt de voorkeur gegeven aan longitudinaal slijpen, ondanks het lagere rendement ervan, omdat de warmte gemakkelijker wordt afgevoerd tijdens het slijpproces, waardoor de kans op slijpscheuren kleiner wordt.
DEEL 4
Processtroom
Bij het opstellen van de processpecificaties voor genitreerde roestvrijstalen onderdelen moet rekening worden gehouden met de verdeling van de verwerkingsfasen en de selectie van anti-nitreringsmethoden. Tegelijkertijd moeten spanningsverlichtingsprocessen-op de juiste locaties worden ingericht om vervorming van onderdelen als gevolg van verwerkingsstress te elimineren. Bij de bewerking van genitreerde oppervlakken moet zoveel mogelijk gebruik worden gemaakt van slijpen. Slijpen genereert drukspanning op het werkstukoppervlak, terwijl draaien en frezen trekspanning genereren. Slijpen waarborgt waarschijnlijker de integriteit van het oppervlak van het onderdeel. De processtroom kan grofweg in de volgende fasen worden verdeeld:
(1) Vorming van een onbewerkt tandwiel: het onbewerkte materiaal is een smeedstuk of staafmateriaal.
(2) Ruwe bewerking: het verwijderen van een aanzienlijke hoeveelheid overtollig materiaal.
(3) Oplossingsbehandeling en precipitatieharding: Garanderen van de hardheidseisen van het niet-genitreerde oppervlak.
(4) Semi-afwerking: het verwijderen van de zwarte aanslag van het warmte-behandelde oppervlak, waarbij er een kleine ruimte overblijft voor afwerking.
(5) Spanningsverlichtingsbehandeling: Voor complexe, dun- precisieonderdelen en onderdelen met een grote- diameter moet een spanningsverlichtingsbehandeling worden uitgevoerd na het voorbewerken of semi-nabewerken om de vervorming tijdens het nitreren te verminderen (meerdere behandelingen kunnen nodig zijn). Er moet een bepaalde bewerkingstoeslag worden aangehouden voordat de spanning wordt verminderd.
(6) Koperbeplating: Ter bescherming wordt koperbeplating toegepast, met een totale koperplaatdikte van 30-50 μm.
(7) Semi-nabewerking: de koperlaag op het genitreerde oppervlak wordt verwijderd, waarmee de oppervlaktebewerking voor het nitreren is voltooid.
(8) Gasnitreren: het oppervlaktenitreren is voltooid. Voor bijzonder precieze of gemakkelijk vervormbare onderdelen wordt vóór het nitreren een bepaalde slijptoeslag aangehouden en wordt het koper na het nitreren door slijpen verwijderd.
(9) Koperverwijdering: Alle koperlagen op het oppervlak van het onderdeel worden verwijderd.
(10) Afwerking: Het genitreerde oppervlak en de precisieafmetingen zijn afgewerkt.
DEEL 5
Bewerkingsstroom en bestaande problemen vóór procesoptimalisatie
De belangrijkste bewerkingsstroom van de verbindingsas vóór procesoptimalisatie was: CNC draaien van de φ10 mm buitendiameter en groef → ruw frezen van de φ5 mm buitendiameter en onderdeelomtrek → koperbeplating → CNC draaien om de koperlaag van het oppervlak van de φ10 mm buitendiameter te verwijderen → verticaal bewerkingscentrum om de koperlaag van het oppervlak van de φ5 mm buitendiameter te verwijderen → nitreren → koperstrippen → extern cilindrisch slijpen van de φ10 mm buitendiameter → polijsten van de filet.
Omdat de afrondingsradius R0,15 mm op de kruising van de φ10 mm buitendiameter en de 3,4 mm brede groef, en de straal R0,5 mm op de scherpe rand van de φ5 mm buitendiameterverbinding, na bewerking op de externe cilindrische slijpmachine en coördinatenslijpmachine, R0,15 mm en R0,5 mm zijn niet langer compleet. Hoewel er na het slijpen scherpe randen ontstaan, is polijsten vereist om aan de filetvereisten te voldoen. De filettolerantie is echter klein en het is gemakkelijk om de tolerantie tijdens het polijsten te overschrijden. Bovendien is het zeer waarschijnlijk dat er bij de randen afbrokkeling optreedt als gevolg van het overmatig verwijderen van toeslag tijdens het polijsten van de hoek. Ondertussen zal de ringvormige groef op de buitenste cirkel na het nitreren een lichte vervorming ondergaan. Als de ringvormige groef vóór het nitreren tot de door de tekening vereiste uiteindelijke maat wordt bewerkt, zal de opening van de ringvormige groef na het nitreren krimpen, wat resulteert in maatafwijkingen.
DEEL 6
Geoptimaliseerd processchema
(1) Optimalisatiemethode voor φ10 mm buitencirkel: Om de integriteit van de afgeronde hoeken na het slijpen te garanderen, moeten de afgeronde hoeken bij de overgang tussen de φ10 mm buitencirkel en de afdichtingsgroef geometrisch worden verwerkt tijdens de ruwe bewerking. Aan de afgeronde hoek wordt een conische overgang toegevoegd, waarbij de diepte van het conische oppervlak afhankelijk is van de slijptoeslag en de hoek van het conische oppervlak volgens 10 graden -20 graden. Het conische oppervlak en de zijkant van de afdichtingsgroef zijn voorzien van afgeronde hoeken (de laatste afgeronde hoeken vereist door de tekening). Dit zorgt ervoor dat na het verwijderen van de slijptoeslag tijdens het afwerken de afgeronde overgangshoeken volledig behouden blijven en dat de randchips niet worden veroorzaakt door overmatig verwijderen van de slijptoeslag bij de afgeronde hoeken tijdens het daaropvolgende polijsten. Uit daadwerkelijke verificatie blijkt dat na het toevoegen van het beschermende conische overgangsoppervlak het chipfenomeen volledig is geëlimineerd, waardoor de bewerkingskwaliteit van de onderdelen wordt gegarandeerd. Figuur 2 toont het CNC-draaien van de buitenste cirkel en de afdichtingsgroef vóór procesverbetering. Figuur 3 toont de geometrische behandeling van de scherpe rand van de afdichtingsgroef na procesverbetering.
Figuur 2: CNC draaien van de buitencirkel en afdichtingsgroef vóór procesverbetering
Figuur 3: Geometrische behandeling van de scherpe rand van de afdichtingsgroef na procesverbetering
(2) Optimalisatiemethode voor de buitenste cirkel van φ5 mm: Dezelfde behandelingsmethode wordt gebruikt voor de buitenste cirkel van φ5 mm. Er wordt een conisch oppervlak van 12 graden toegevoegd aan de R(0,5±0,1)mm-overgangsrand om het overgangsgebied tussen de genitreerde en niet-niet-genitreerde oppervlakken gladder te maken. Dit verbetert de spanningsomstandigheden bij het bewerken van de φ3,5 mm buitencirkel op de coördinatenslijper en elimineert het fenomeen van randafbrokkeling. Figuren 4 en 5 tonen de geometrische behandeling van de φ3,6 mm cilindrische filet respectievelijk vóór en na procesverbetering. Figuur 4. Geometrische behandeling van de φ3,6 mm cilindrische filet vóór procesverbetering
Figuur 5. Geometrische behandeling van de cilindrische filet van φ3,6 mm na procesverbetering
(3) Compensatie van vervorming van de afdichtingsgroef: De randen van de afdichtingsgroef zullen krimpen als gevolg van uitzettingsvervorming. Dit wordt veroorzaakt door het scherpe randeffect van het nitreringsproces. Bij hoge stikstofconcentraties is de volume-expansievervorming groter dan op andere locaties [9, 10]. De afdichtgroef met een breedte van 3,4 mm en de borgringgroef met een breedte van 1,1 mm hebben grote toleranties. De veranderingen in de groefbreedte vóór en na het nitreren worden weergegeven in Tabel 1. Op basis hiervan worden de maattoleranties vóór het nitreren aangepast om aan de uiteindelijke maatvereisten te voldoen. Tabel 1. Veranderingen in groefbreedte vóór en na het nitreren (eenheid: mm)
Tabel 1 laat zien dat de verandering in de groefbreedte voor en na het nitreren voor een groef van 3,4 mm 0,026–0,035 mm bedraagt, waarmee wordt bepaald dat de groefbreedtetolerantie vóór het nitreren moet worden gecomprimeerd tot 3,4 mm; de verandering in groefbreedte vóór en na het nitreren voor een groef van 1,1 mm is 0,010–0,027 mm, wat bepaalt dat de groefbreedtetolerantie vóór het nitreren moet worden gecomprimeerd tot 1,1 mm. Na het comprimeren van de toleranties liggen de uiteindelijke groefbreedte-afmetingen van de onderdelen allemaal binnen aanvaardbare grenzen.
DEEL 7
Conclusie
Genitreerde oppervlakken hebben een hoge hardheid en hoge slijtvastheid en blijven goed presteren bij hoge temperaturen. Daarom worden genitreerde roestvrijstalen onderdelen veel gebruikt in vliegtuigmotoren-. Het bewerken van genitreerde oppervlakken is relatief moeilijk en vereist hoge normen voor de slijtvastheid van het gereedschap, de selectie van snijparameters en de planning van snijpaden. Door de beschermende conische overgangsfilet te vergroten en de maattoleranties vóór het nitreren te comprimeren, werden de problemen van lage bewerkingsefficiëntie, gemakkelijk afbrokkelen van randen en verminderde groefbreedte na het nitreren van roestvrijstalen onderdelen opgelost, waardoor de bewerkingsproblemen van dergelijke onderdelen werden overwonnen. Het slagingspercentage van onderdelen steeg van ongeveer 50% vóór de verbetering naar 100%, waarbij goede resultaten werden behaald.
