Анализируются технологические трудности соединения деталей валов и совершенствуются способы обработки. Основное внимание уделяется мерам предосторожности при обработке азотированной поверхности. За счет притупления кромок деталей перед азотированием улучшается стрессовая ситуация при азотировании, что эффективно решает проблему легкого отламывания кромок деталей при механической обработке после азотирования, и обеспечивает качество обработки деталей.
ЧАСТЬ 1
Введение
Азотирование — это процесс внедрения атомов азота в поверхностный слой детали, который изменяет химический состав поверхностного слоя и образует слой, состоящий в основном из нитридов, тем самым улучшая твердость поверхности, износостойкость, усталостную стойкость и противо-свойства защиты от истирания деталей[1]. После газового азотирования поверхностная твердость деталей может достигать 1000 HV (около 70 HRC) при нагрузке 50 Н, и при этом сохраняется высокая твердость и высокая износостойкость при температуре 600 градусов. После азотирования поверхность деталей может получить большее остаточное сжимающее напряжение, а усталостная прочность также может быть значительно улучшена [2], что не имеет себе равных при других химико-термических обработках. Азотирование подразделяется на газовое, жидкостное и ионное азотирование. Наша компания в настоящее время в основном использует газовое азотирование. По сравнению с жидкостным азотированием газовое азотирование обеспечивает более простой контроль атмосферы (с использованием аммиака в качестве среды азотирования), производит меньше вредных газов, которые угрожают здоровью человека и окружающей среде, и демонстрирует более стабильное качество, что делает его более широко используемым. Обычно используемые материалы для азотированных деталей включают 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) и 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) обычно используются в изделиях, требующих износостойкости, таких как соединения, опоры и коромысла.
Азотирование подразделяют на общее и локальное азотирование. При проектировании следует избегать, насколько это возможно, локализованного азотирования. Если необходимо локальное азотирование, для защиты от -азотирования можно использовать один из следующих методов: ① Допустить припуск на обработку, превышающий глубину азотирования более чем в два раза. ② Нанесите слой олова толщиной 0,003–0,015 мм. ③ Нанесите слой не-непористой меди толщиной более 0,02 мм. ④ Нанесите слой никеля толщиной 0,02–0,04 мм. ⑤ Нанесите анти-нитридирующее покрытие.
Шероховатость поверхности деталей перед азотированием должна соответствовать требованиям чертежа. Обычно значение шероховатости поверхности Ra следует контролировать в пределах от 0,4 до 0,8 мкм. Поверхность должна быть чистой, без масляных пятен, пятен ржавчины и вмятин, особенно острых краев. Припуск на обработку заготовки должен соответствовать техническим условиям процесса. Как правило, припуск на шлифование с одной стороны азотированной поверхности деталей конструкций должен быть не более 0,05 мм.
Температура процесса азотирования относительно низкая, обычно 460–650 градусов. Контроль атмосферы азотирования очень важен. Аномальная атмосфера может привести к таким дефектам, как недостаточная глубина слоя азотирования, сетчатая структура слоя азотирования и рыхлый компаунд [3]. Поскольку при азотировании не требуется закалка или другая обработка, вызывающая большую деформацию, деформация невелика, что является основным преимуществом процесса азотирования и очень полезно для деталей, которые не будут обрабатываться после азотирования. Основной причиной размерной нестабильности при азотировании является изменение структуры и остаточных напряжений, а также микро-пластическая деформация, возникающая в условиях эксплуатации. Как правило, деформация азотированной поверхности положительно коррелирует с толщиной азотированного слоя, которая составляет около 1/10 толщины азотированного слоя детали. При составлении технологической схемы следует полностью учитывать влияние деформации на размеры. Размеры с небольшими допусками должны быть точно обработаны после азотирования.
ЧАСТЬ 2
Анализ трудностей обработки соединительных деталей валов.
Соединительный вал, показанный на рисунке 1, используется в устройстве обратной связи по потоку серворегулируемого гидродвигателя, например, в люке для оружия и закрылке. Это соединительный мост между узлом автомата перекоса и датчиком. Его функция заключается в точной передаче крутящего момента угла поворота узла автомата перекоса на датчик и контроле потока гидравлического двигателя. Деталь изготовлена из дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали 0Х17Н4Cu4Nb. Наружные круговые поверхности правого и левого торцов (фмм и фмм соответственно) необходимо азотировать на глубину 0,1–0,3 мм. Твердость азотированной поверхности должна быть не менее 58 HRC, а твердость не-неазотированной поверхности и сердцевины должна составлять 31–39 HRC. Места перехода между двумя канавками уплотнения и одной канавкой стопорного кольца на наружной круговой поверхности требуют полировки радиусом R0,1–R0,2 мм. Из-за высокой твердости и хрупкости азотированной поверхности сложность механической обработки заключается в механической обработке азотированной поверхности и обработке переходных галтелей между азотированной и не-нитридированной поверхностями. Неправильный технологический процесс и методы обработки могут привести к проблемам с качеством, таким как сколы на острых кромках. Поэтому рациональность плана процесса имеет решающее значение.
Рисунок 1. Соединительный вал
ЧАСТЬ 3
Выбор методов отделки
Азотированные поверхности обладают высокой твердостью, высокой прочностью, высокой хрупкостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью, обладают хорошей химической стабильностью, однако их обрабатываемость сравнительно плохая. Азотированные поверхности являются типичными твердыми и хрупкими материалами. Неправильные методы обработки могут повредить структуру поверхностного слоя заготовки, что делает высококачественную-обработку азотированных поверхностей технической проблемой.
Основными методами обработки азотированных поверхностей являются точение, фрезерование и шлифование. Учитывая износостойкость и срок службы инструмента, пластины PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора) следует по возможности использовать для точения и фрезерования. Вставки из поликристаллического кубического нитрида бора имеют твердость 3500–4500 HV и температуру жаростойкости 1250–1350 градусов. Они обладают исключительной химической инертностью, хорошей ударной вязкостью и теплопроводностью, низким коэффициентом трения и сильными анти-адгезионными свойствами, что делает их особенно подходящими для обработки закаленной стали, материалов на основе кобальта- и материалов на основе никеля-, которые трудно резать [4, 5]. При проектировании траектории инструмента инструмент должен входить снаружи заготовки в сторону твердой части, избегая пути от твердой части наружу. Несмотря на это, полностью устранить сколы на кромках невозможно.
Шлифование должно быть предпочтительным методом обработки, если это позволяет структура детали. При выборе шлифовальных кругов, как правило, следует избегать кругов с чрезмерно высокой твердостью. Чрезмерная твердость приводит к быстрому повышению температуры в точке контакта, вызывая термические напряжения на поверхности заготовки при высоких температурах шлифования, что в конечном итоге приводит к остаточным растягивающим напряжениям и высокому риску образования трещин при шлифовании. Шлифовальные круги из белого плавленого глинозема обеспечивают хорошие режущие характеристики, но их более низкая прочность позволяет легко сбрасывать абразивное зерно. Для шлифования азотированных поверхностей круги из белого корунда превосходят круги из монокристаллического корунда [6-8].
Способы наружного круглого шлифования делятся на продольное и поперечное шлифование. Хотя продольное шлифование имеет меньшую эффективность, оно обеспечивает лучшее качество поверхности и меньшую шероховатость поверхности. Поперечное шлифование, хотя и более эффективно, требует большей силы шлифования и более высоких температур, что требует достаточного количества смазочно-охлаждающей жидкости. Для шлифования азотированных поверхностей предпочтительным является продольное шлифование, несмотря на его меньшую эффективность, так как в процессе шлифования тепло легче рассеивается, что снижает вероятность образования шлифовальных трещин.
ЧАСТЬ 4
Ход процесса
При составлении технологических спецификаций для азотированных деталей из нержавеющей стали следует полностью учитывать разделение стадий обработки и выбор методов защиты от азотирования. Одновременно с этим в соответствующих местах должны быть организованы процессы снятия напряжения-, чтобы исключить деформацию детали, вызванную технологическим напряжением. Шлифование следует максимально использовать при обработке азотированной поверхности. Шлифование создает сжимающее напряжение на поверхности заготовки, а точение и фрезерование создают растягивающее напряжение. Шлифование скорее обеспечит целостность поверхности детали. В целом технологический процесс можно разделить на следующие этапы:
(1) Формирование заготовки зубчатого колеса: Заготовка представляет собой поковку или пруток.
(2) Черновая обработка: удаление значительного количества лишнего материала.
(3) Обработка раствором и дисперсионное твердение: обеспечение требований к твердости не-азотированной поверхности.
(4) Полу-чистовая обработка: удаление черной окалины с термообработанной- поверхности, оставляя небольшой припуск на чистовую обработку.
(5) Обработка для снятия напряжений. Для сложных, тонкостенных-прецизионных деталей и деталей большого-диаметра обработку для снятия напряжений следует выполнять после черновой или полу-чистовой обработки, чтобы уменьшить деформацию во время азотирования (может потребоваться несколько обработок). Перед снятием напряжений следует оставить определенный припуск на механическую обработку.
(6) Меднение: Меднение применяется для защиты, общая толщина медного покрытия составляет 30–50 мкм.
(7) Полу-чистовая обработка: слой меди на азотированной поверхности удаляется, завершая обработку поверхности для азотирования.
(8) Газовое азотирование: азотирование поверхности завершено. Для особо точных или легкодеформируемых деталей перед азотированием оставляют определенный припуск на шлифовку, а медь удаляют шлифованием после азотирования.
(9) Удаление меди: все слои меди на поверхности детали удаляются.
(10) Отделка: Азотированная поверхность и точные размеры обработаны.
ЧАСТЬ 5
Процесс обработки и существующие проблемы до оптимизации процесса
Основная последовательность операций обработки соединительного вала до оптимизации процесса заключалась в следующем: токарная обработка на станке с ЧПУ наружного диаметра и канавки φ10 мм → черновое фрезерование наружного диаметра φ5 мм и контура детали → меднение → точение на станке с ЧПУ для удаления слоя меди с поверхности наружного диаметра φ10 мм → вертикальный обрабатывающий центр для удаления слоя меди с поверхности наружного диаметра φ5 мм → азотирование → зачистка меди → наружное круглое шлифование наружного диаметра φ10 мм → полировка галтели.
Поскольку радиус скругления R0,15 мм на стыке наружного диаметра φ10 мм и канавки шириной 3,4 мм, а также радиус R0,5 мм на острой кромке стыка внешнего диаметра φ5 мм, после обработки на внешнем круглошлифовальном станке и координатно-шлифовальном станке R0,15 мм и R0,5 мм больше не являются полными. Несмотря на то, что после шлифования образуются острые кромки, для удовлетворения требований к скруглению требуется полировка. Однако допуск скругления невелик, и во время полировки его легко превысить. Кроме того, из-за чрезмерного удаления припуска во время полировки галтели весьма вероятно появление сколов по краям. Между тем, после азотирования кольцевая канавка на внешнем круге подвергнется небольшой деформации. Если перед азотированием кольцевая канавка обрабатывается до окончательного размера, требуемого чертежом, отверстие кольцевой канавки после азотирования сожмется, что приведет к отклонениям размеров.
ЧАСТЬ 6
Оптимизированная технологическая схема
(1) Метод оптимизации для внешнего круга диаметром 10 мм: чтобы обеспечить целостность закругленных углов после шлифования, закругленные углы на переходе между внешним кругом диаметром 10 мм и уплотнительной канавкой необходимо геометрически обработать во время черновой обработки. К закругленному углу добавляется конический переход с глубиной конической поверхности в соответствии с припуском на шлифовку и углом конической поверхности в соответствии с 10-20 градусами. Коническая поверхность и боковая часть уплотнительной канавки соединены скругленными углами (последние закругления углов предусмотрены чертежом). Это гарантирует, что после снятия припуска на шлифовку при чистовой обработке переходные закругления углов полностью сохраняются, а сколы кромок не будут вызваны чрезмерным снятием припуска на закруглениях углов при последующей полировке. Реальная проверка показывает, что после добавления защитной переходной конической поверхности явление выкрашивания полностью устраняется, обеспечивая качество обработки деталей. На рис. 2 показана обработка на станке с ЧПУ внешнего круга и уплотнительной канавки перед усовершенствованием процесса. На рис. 3 показана геометрическая обработка острой кромки уплотнительной канавки после усовершенствования процесса.
Рисунок 2. Токарная обработка внешнего круга и уплотнительной канавки на станке с ЧПУ перед усовершенствованием процесса.
Рисунок 3. Геометрическая обработка острой кромки уплотнительной канавки после усовершенствования процесса.
(2) Метод оптимизации для внешнего круга диаметром 5 мм: тот же метод обработки используется для внешнего круга диаметром 5 мм. Коническая поверхность под углом 12 градусов добавляется к переходному скруглению R(0,5±0,1) мм, чтобы сделать область перехода между азотированной и не-низированной поверхностями более гладкой. Это улучшает напряженное состояние при обработке внешнего круга диаметром 3,5 мм на координатно-шлифовальном станке и устраняет явление сколов кромок. На рисунках 4 и 5 показана геометрическая обработка цилиндрического галтеля диаметром 3,6 мм до и после усовершенствования процесса соответственно. Рисунок 4. Геометрическая обработка цилиндрического галтеля диаметром 3,6 мм перед усовершенствованием процесса.
Рисунок 5. Геометрическая обработка цилиндрического галтеля диаметром 3,6 мм после усовершенствования процесса.
(3) Компенсация деформации уплотнительной канавки: края уплотнительной канавки сжимаются из-за деформации расширения. Это вызвано эффектом острой кромки процесса азотирования. При высокой концентрации азота деформация объемного расширения больше, чем в других местах [9, 10]. Уплотнительная канавка шириной 3,4 мм и канавка стопорного кольца шириной 1,1 мм имеют большие допуски. Изменения ширины канавок до и после азотирования представлены в таблице 1. На основании этого допуски на размеры перед азотированием корректируются для обеспечения окончательных требований к размерам. Таблица 1. Изменения ширины канавок до и после азотирования (единица измерения: мм)
В таблице 1 показано, что изменение ширины канавки до и после азотирования для канавки диаметром 3,4 мм составляет 0,026–0,035 мм, что позволяет определить, что допуск ширины канавки перед азотированием должен быть сокращен до 3,4 мм; Изменение ширины канавки до и после азотирования для канавки диаметром 1,1 мм составляет 0,010–0,027 мм, что определяет, что допуск ширины канавки перед азотированием должен быть сжат до 1,1 мм. После сжатия допусков окончательные размеры ширины канавок деталей находятся в допустимых пределах.
ЧАСТЬ 7
Заключение
Азотированные поверхности обладают высокой твердостью и высокой износостойкостью, сохраняют хорошие эксплуатационные характеристики при высоких температурах. Поэтому детали из азотированной нержавеющей стали широко используются в авиационных двигателях. Обработка азотированных поверхностей является относительно сложной задачей, требующей высоких требований к износостойкости инструмента, выбора параметров резания и планирования траекторий резания. За счет увеличения защитного конического переходного галтели и сжатия размерных допусков перед азотированием были решены проблемы низкой эффективности обработки, легкого скалывания кромок и уменьшения ширины канавок после азотирования деталей из нержавеющей стали, что позволило преодолеть трудности механической обработки таких деталей. Процент прохождения деталей увеличился примерно с 50% до улучшения до 100%, что позволило добиться хороших результатов.
