Vengono analizzate le difficoltà di lavorazione delle parti di collegamento dell'albero e i metodi di lavorazione vengono migliorati. L'attenzione si concentra sulle precauzioni per la lavorazione della superficie nitrurata. Smussando i bordi delle parti prima della nitrurazione, la situazione di stress durante la nitrurazione viene migliorata, il che risolve efficacemente il problema della facile rottura dei bordi delle parti durante la lavorazione dopo la nitrurazione e garantisce la qualità della lavorazione delle parti.
PARTE 1
Introduzione
La nitrurazione è il processo di infiltrazione di atomi di azoto nello strato superficiale di un pezzo, che modifica la composizione chimica dello strato superficiale e forma uno strato composto principalmente da nitruri, migliorando così la durezza superficiale, la resistenza all'usura, la resistenza alla fatica e le proprietà anti-grippaggio delle parti[1]. Dopo la nitrurazione gassosa, la durezza superficiale delle parti può raggiungere 1000 HV (circa 70 HRC) sotto un carico di 50 N e può ancora mantenere un'elevata durezza e un'elevata resistenza all'usura a una temperatura di 600 gradi. Dopo la nitrurazione, la superficie delle parti può ottenere una maggiore sollecitazione di compressione residua e anche la resistenza alla fatica può essere notevolmente migliorata[2], cosa che non ha eguali in altri trattamenti termici chimici. La nitrurazione viene classificata, tra le altre, in nitrurazione gassosa, nitrurazione liquida e nitrurazione ionica. Attualmente la nostra azienda utilizza principalmente la nitrurazione gassosa. Rispetto alla nitrurazione liquida, la nitrurazione gassosa offre un controllo più semplice dell'atmosfera (utilizzando l'ammoniaca come mezzo di nitrurazione), produce meno gas nocivi che minacciano la salute umana e l'ambiente e presenta una qualità più stabile, rendendola quindi più ampiamente utilizzata. I materiali comunemente usati per le parti nitrurate includono 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) e 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) e sono generalmente utilizzati in applicazioni che richiedono resistenza all'usura, come giunti, supporti e bilancieri.
La nitrurazione si divide in nitrurazione totale e nitrurazione localizzata. La nitrurazione localizzata dovrebbe essere evitata il più possibile in fase di progettazione. Se è necessaria una nitrurazione localizzata, è possibile utilizzare uno dei seguenti metodi per il trattamento anti-nitrurazione: ① Consentire un sovrametallo di lavorazione superiore al doppio della profondità di nitrurazione. ② Placcare uno strato di stagno con uno spessore di 0,003–0,015 mm. ③ Placcare uno strato di rame non-poroso con uno spessore superiore a 0,02 mm. ④ Placcare uno strato di nichel con uno spessore di 0,02–0,04 mm. ⑤ Applicare un rivestimento anti-nitrurazione.
La rugosità superficiale delle parti prima della nitrurazione deve soddisfare i requisiti del disegno. In generale, il valore di rugosità superficiale Ra dovrebbe essere controllato tra 0,4 e 0,8 μm. La superficie deve essere pulita e priva di macchie di olio, macchie di ruggine e ammaccature, in particolare spigoli vivi. Il sovrametallo di lavorazione del pezzo deve soddisfare le specifiche del processo. In generale, il margine di rettifica su un lato della superficie nitrurata delle parti strutturali deve essere inferiore o uguale a 0,05 mm.
La temperatura del processo di nitrurazione è relativamente bassa, generalmente 460–650 gradi. Il controllo dell'atmosfera di nitrurazione è molto importante. L'atmosfera anomala può portare a difetti come profondità insufficiente dello strato di nitrurazione, struttura della rete dello strato di nitrurazione e composto sciolto [3]. Poiché la nitrurazione non è sottoposta a tempra o ad altri trattamenti che causano grandi deformazioni, la deformazione è piccola, il che rappresenta uno dei principali vantaggi del processo di nitrurazione ed è molto vantaggioso per le parti che non verranno lavorate dopo la nitrurazione. Il motivo principale dell'instabilità dimensionale della nitrurazione è il cambiamento della struttura e dello stress residuo, nonché la deformazione micro-plastica che si verifica in condizioni di servizio. Generalmente la deformazione della superficie nitrurata è correlata positivamente allo spessore dello strato nitrurato, che è circa 1/10 dello spessore dello strato nitrurato del pezzo. Quando si compila il flusso del processo, l'influenza della deformazione sulle dimensioni dovrebbe essere pienamente riconosciuta. Le dimensioni con tolleranze ridotte devono essere lavorate con precisione dopo la nitrurazione.
PARTE 2
Analisi delle difficoltà nella lavorazione delle parti di collegamento dell'albero
L'albero di collegamento mostrato nella Figura 1 viene utilizzato nel dispositivo di feedback del flusso del motore idraulico servovariabile come il portello e l'aletta dell'arma. È il ponte di collegamento tra il gruppo del piatto oscillante e il sensore. La sua funzione è trasmettere con precisione la coppia dell'angolo di rotazione del gruppo piatto oscillante al sensore e monitorare il flusso del motore idraulico. La parte è realizzata in acciaio inossidabile indurente per precipitazione 0Cr17Ni4Cu4Nb-. Le superfici circolari esterne delle estremità destra e sinistra (rispettivamente φ mm e φ mm) devono essere nitrurate ad una profondità di 0,1–0,3 mm. La durezza della superficie nitrurata dovrebbe essere maggiore o uguale a 58 HRC, mentre la durezza della superficie non-nitrurata e del nucleo dovrebbe essere 31–39 HRC. I punti di passaggio tra le due scanalature di tenuta e una scanalatura dell'anello di sicurezza sulla superficie circolare esterna richiedono una lucidatura con un raggio di R0,1–R0,2 mm. A causa dell'elevata durezza e fragilità della superficie nitrurata, la difficoltà di lavorazione risiede nella lavorazione della superficie nitrurata e nel trattamento dei raccordi di transizione tra le superfici nitrurate e non-nitrurate. Flussi di processo e metodi di lavorazione inappropriati possono portare a problemi di qualità come scheggiature sugli spigoli vivi. Pertanto, la razionalità del piano di processo è cruciale.
Figura 1 Albero di collegamento
PARTE 3
Selezione dei metodi di finitura
Le superfici nitrurate possiedono elevata durezza, elevata resistenza, elevata fragilità, resistenza all'usura e alla corrosione e hanno una buona stabilità chimica, ma la loro lavorabilità è relativamente scarsa. Le superfici nitrurate sono tipici materiali duri e fragili. Metodi di lavorazione impropri possono danneggiare la struttura dello strato superficiale del pezzo, rendendo la lavorazione di alta-qualità delle superfici nitrurate una sfida tecnica.
I principali metodi di lavorazione delle superfici nitrurate sono la tornitura, la fresatura e la rettifica. Considerando la resistenza all'usura e la durata dell'utensile, gli inserti PCBN (nitruro di boro cubico policristallino) dovrebbero essere utilizzati per tornitura e fresatura, quando possibile. Gli inserti in nitruro di boro cubico policristallino hanno una durezza di 3500–4500 HV e una temperatura di resistenza al calore di 1250–1350 gradi. Presentano un'eccezionale inerzia chimica, buona tenacità e conduttività termica, un basso coefficiente di attrito e forti proprietà anti-adesive, che li rendono particolarmente adatti per la lavorazione di acciaio temprato, materiali a base di cobalto- e materiali a base di nichel-difficili da tagliare [4, 5]. Nella progettazione del percorso utensile, l'utensile dovrebbe entrare dall'esterno del pezzo verso la parte solida, evitando il percorso dalla parte solida verso l'esterno. Anche così, la scheggiatura dei bordi non può essere completamente eliminata.
La rettifica dovrebbe essere il metodo di lavorazione preferito quando la struttura del pezzo lo consente. Nella scelta delle mole, in genere si dovrebbero evitare quelle con una durezza eccessivamente elevata. Una durezza eccessiva porta ad un rapido aumento della temperatura nel punto di contatto, provocando stress termico sulla superficie del pezzo in lavorazione ad alte temperature di rettifica, con conseguente tensione residua di trazione e un elevato rischio di cricche da rettifica. Le mole in allumina fusa bianca offrono buone prestazioni di taglio, ma la loro minore tenacità consente un facile distacco del grano abrasivo. Per la rettifica di superfici nitrurate, le mole in allumina fusa bianca sono superiori alle mole in allumina fusa mono-cristallo [6-8].
I metodi di rettifica cilindrica esterna si dividono in rettifica longitudinale e rettifica trasversale. Sebbene la rettifica longitudinale abbia un’efficienza inferiore, produce una migliore qualità superficiale e una minore rugosità superficiale. La rettifica trasversale, sebbene più efficiente, richiede una maggiore forza di rettifica e temperature più elevate, necessitando di una fornitura sufficiente di fluido da taglio. Per la rettifica superficiale nitrurata, è preferibile la rettifica longitudinale, nonostante la sua minore efficienza, poiché il calore viene dissipato più facilmente durante il processo di rettifica, riducendo la probabilità di cricche da rettifica.
PARTE 4
Flusso del processo
Quando si compilano le specifiche del processo per le parti in acciaio inossidabile nitrurato, è necessario tenere pienamente conto della divisione delle fasi di lavorazione e della selezione dei metodi di anti-nitrurazione. Allo stesso tempo, i processi di distensione- dovrebbero essere organizzati in posizioni appropriate per eliminare la deformazione della parte causata dallo stress di lavorazione. Per la lavorazione della superficie nitrurata si dovrebbe ricorrere il più possibile alla molatura. La rettifica genera sollecitazioni di compressione sulla superficie del pezzo, mentre la tornitura e la fresatura generano sollecitazioni di trazione. È più probabile che la rettifica garantisca l'integrità della superficie della parte. Il flusso del processo può generalmente essere suddiviso nelle seguenti fasi:
(1) Formatura di ingranaggi grezzi: il pezzo grezzo è un pezzo forgiato o una barra.
(2) Lavorazione di sgrossatura: rimozione di una quantità significativa di materiale in eccesso.
(3) Trattamento della soluzione e indurimento per precipitazione: garanzia dei requisiti di durezza della superficie non-nitrurata.
(4) Semi-finitura: rimozione della scaglia nera dalla superficie trattata termicamente-, lasciando un piccolo margine per la finitura.
(5) Trattamento di distensione: per parti complesse,-con pareti sottili, di precisione e di-diametro grande, il trattamento di distensione deve essere eseguito dopo la sgrossatura o la semi-finitura per ridurre la deformazione durante la nitrurazione (potrebbero essere necessari più trattamenti). È necessario lasciare un certo sovrametallo di lavorazione prima dello scarico della tensione.
(6) Placcatura in rame: la placcatura in rame viene applicata per protezione, con uno spessore complessivo della placcatura in rame di 30–50 μm.
(7) Semi-finitura: lo strato di rame sulla superficie nitrurata viene rimosso, completando la lavorazione della superficie per la nitrurazione.
(8) Nitrurazione gassosa: la nitrurazione superficiale è completata. Per pezzi particolarmente precisi o facilmente deformabili, prima della nitrurazione viene lasciato un certo sovrametallo di molatura e dopo la nitrurazione il rame viene rimosso mediante molatura.
(9) Rimozione del rame: tutti gli strati di rame sulla superficie della parte vengono rimossi.
(10) Finitura: la superficie nitrurata e le dimensioni di precisione sono finite.
PARTE 5
Flusso di lavorazione e problemi esistenti prima dell'ottimizzazione del processo
Il flusso di lavorazione principale dell'albero di collegamento prima dell'ottimizzazione del processo era: tornitura CNC del diametro esterno e della scanalatura di φ10 mm → fresatura di sgrossatura del diametro esterno di φ5 mm e del contorno del pezzo → placcatura in rame → tornitura CNC per rimuovere lo strato di rame dalla superficie del diametro esterno di φ10 mm → centro di lavoro verticale per rimuovere lo strato di rame dalla superficie del diametro esterno di φ5 mm → nitrurazione → sverniciatura del rame → rettifica cilindrica esterna del diametro esterno di φ10 mm → lucidatura del filetto.
Poiché il raggio di raccordo R0,15 mm alla giunzione del diametro esterno di φ10 mm e la scanalatura larga 3,4 mm e il raggio R0,5 mm allo spigolo vivo della giunzione del diametro esterno di φ5 mm, dopo la lavorazione sulla rettificatrice cilindrica esterna e sulla rettificatrice a coordinate, R0.15mm e R0.5mm non sono più completi. Sebbene dopo la molatura si producano spigoli vivi, per soddisfare i requisiti del raccordo è necessaria la lucidatura. Tuttavia, la tolleranza del raccordo è piccola ed è facile superarla durante la lucidatura. Inoltre, a causa dell'eccessiva rimozione del sovrametallo durante la lucidatura dei raccordi, è molto probabile che si verifichino scheggiature ai bordi. Nel frattempo, la scanalatura anulare sul cerchio esterno subirà una leggera deformazione dopo la nitrurazione. Se la scanalatura anulare viene lavorata alla dimensione finale richiesta dal disegno prima della nitrurazione, l'apertura della scanalatura anulare si restringerà dopo la nitrurazione, con conseguenti deviazioni dimensionali.
PARTE 6
Schema di processo ottimizzato
(1) Metodo di ottimizzazione per il cerchio esterno di φ10 mm: per garantire l'integrità degli angoli arrotondati dopo la rettifica, gli angoli arrotondati nella transizione tra il cerchio esterno di φ10 mm e la scanalatura di tenuta devono essere lavorati geometricamente durante la sgrossatura. All'angolo arrotondato viene aggiunta una transizione conica, con la profondità della superficie conica in base al sovrametallo e l'angolo della superficie conica in base a 10 gradi -20 gradi. La superficie conica e il lato della scanalatura di tenuta presentano una transizione con angoli arrotondati (gli angoli finali arrotondati richiesti dal disegno). Ciò garantisce che, dopo aver rimosso il sovrametallo durante la finitura, gli angoli arrotondati di transizione siano completamente preservati e che le scheggiature dei bordi non siano causate da un'eccessiva rimozione del sovrametallo sugli angoli arrotondati durante la successiva lucidatura. La verifica effettiva mostra che dopo l'aggiunta della superficie conica di transizione protettiva, il fenomeno della scheggiatura viene completamente eliminato, garantendo la qualità della lavorazione dei pezzi. La Figura 2 mostra la tornitura CNC del cerchio esterno e della scanalatura di tenuta prima del miglioramento del processo. La Figura 3 mostra il trattamento geometrico dello spigolo vivo della scanalatura di tenuta dopo il miglioramento del processo.
Figura 2: Tornitura CNC del cerchio esterno e della scanalatura di tenuta prima del miglioramento del processo
Figura 3: Trattamento geometrico del bordo affilato della scanalatura di tenuta dopo il miglioramento del processo
(2) Metodo di ottimizzazione per il cerchio esterno di φ5 mm: lo stesso metodo di trattamento viene utilizzato per il cerchio esterno di φ5 mm. Una superficie conica di 12 gradi viene aggiunta al raccordo di transizione R(0,5±0,1)mm per rendere più liscia l'area di transizione tra le superfici nitrurate e non-nitrurate. Ciò migliora le condizioni di stress durante la lavorazione del cerchio esterno di φ3,5 mm sulla molatrice a coordinate ed elimina il fenomeno della scheggiatura del bordo. Le Figure 4 e 5 mostrano il trattamento geometrico del raccordo cilindrico da φ3,6 mm rispettivamente prima e dopo il miglioramento del processo. Figura 4. Trattamento geometrico del raccordo cilindrico da φ3,6 mm prima del miglioramento del processo
Figura 5. Trattamento geometrico del raccordo cilindrico da φ3,6 mm dopo il miglioramento del processo
(3) Compensazione della deformazione della scanalatura di tenuta: i bordi della scanalatura di tenuta si restringono a causa della deformazione da espansione. Ciò è causato dall'effetto tagliente del processo di nitrurazione. Con un'elevata concentrazione di azoto, la deformazione dell'espansione del volume è maggiore che in altri luoghi [9, 10]. La scanalatura di tenuta con una larghezza di 3,4 mm e la scanalatura dell'anello di sicurezza con una larghezza di 1,1 mm hanno ampie tolleranze. Le variazioni della larghezza della scanalatura prima e dopo la nitrurazione sono mostrate nella Tabella 1. Sulla base di ciò, le tolleranze dimensionali prima della nitrurazione vengono adeguate per garantire i requisiti dimensionali finali. Tabella 1. Variazioni della larghezza della scanalatura prima e dopo la nitrurazione (unità: mm)
La tabella 1 mostra che la variazione della larghezza della scanalatura prima e dopo la nitrurazione per una scanalatura da 3,4 mm è 0,026–0,035 mm, determinando così che la tolleranza della larghezza della scanalatura prima della nitrurazione dovrebbe essere compressa a 3,4 mm; la variazione della larghezza della scanalatura prima e dopo la nitrurazione per una scanalatura da 1,1 mm è 0,010–0,027 mm, determinando così che la tolleranza della larghezza della scanalatura prima della nitrurazione dovrebbe essere compressa a 1,1 mm. Dopo aver compresso le tolleranze, le dimensioni finali della larghezza della scanalatura delle parti rientrano tutte entro limiti accettabili.
PARTE 7
Conclusione
Le superfici nitrurate possiedono elevata durezza ed elevata resistenza all'usura e le loro prestazioni rimangono buone alle alte temperature. Pertanto, le parti in acciaio inossidabile nitrurato sono ampiamente utilizzate nei prodotti per motori aeronautici. La lavorazione delle superfici nitrurate è relativamente difficile e richiede standard elevati di resistenza all'usura dell'utensile, selezione dei parametri di taglio e pianificazione dei percorsi di taglio. Aumentando il raccordo di transizione conico protettivo e comprimendo le tolleranze dimensionali prima della nitrurazione, sono stati risolti i problemi di bassa efficienza di lavorazione, facile scheggiatura dei bordi e larghezza ridotta della scanalatura dopo la nitrurazione delle parti in acciaio inossidabile, superando le difficoltà di lavorazione di tali parti. Il tasso di successo delle parti è aumentato da circa il 50% prima del miglioramento al 100%, ottenendo buoni risultati.
