Những khó khăn trong việc xử lý các bộ phận trục kết nối được phân tích và các phương pháp xử lý được cải tiến. Trọng tâm là các biện pháp phòng ngừa khi gia công bề mặt thấm nitơ. Bằng cách làm cùn các cạnh của các bộ phận trước khi thấm nitơ, tình trạng ứng suất trong quá trình thấm nitơ được cải thiện, giúp giải quyết hiệu quả vấn đề các cạnh của các bộ phận dễ bị gãy khi gia công sau khi thấm nitơ và đảm bảo chất lượng xử lý của các bộ phận.
PHẦN 1
Giới thiệu
Thấm nitơ là quá trình thấm các nguyên tử nitơ vào lớp bề mặt của phôi, làm thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt và tạo thành một lớp chủ yếu bao gồm nitrit, từ đó cải thiện độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn, chống mỏi và đặc tính chống-ăn mòn của các bộ phận[1]. Sau khi thấm nitơ khí, độ cứng bề mặt của các bộ phận có thể đạt tới 1000 HV (khoảng 70 HRC) dưới tải trọng 50 N và vẫn có thể duy trì độ cứng cao và khả năng chống mài mòn cao ở nhiệt độ 600 độ. Sau khi thấm nitơ, bề mặt của các bộ phận có thể đạt được ứng suất nén dư lớn hơn và độ bền mỏi cũng có thể được cải thiện đáng kể [2], điều này không thể so sánh được với các phương pháp xử lý nhiệt hóa học khác. Thấm nitơ được phân loại thành thấm nitơ khí, thấm nitơ lỏng và thấm nitơ ion, cùng nhiều loại khác. Công ty chúng tôi hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp thấm nitơ khí. So với thấm nitơ lỏng, thấm nitơ khí giúp kiểm soát không khí dễ dàng hơn (sử dụng amoniac làm môi trường thấm nitơ), tạo ra ít khí độc hại hơn đe dọa sức khỏe con người và môi trường, đồng thời có chất lượng ổn định hơn, do đó được sử dụng rộng rãi hơn. Các vật liệu thường được sử dụng cho các bộ phận thấm nitơ bao gồm 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) và 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) và thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn, chẳng hạn như khớp nối, giá đỡ và cánh tay rocker.
Thấm nitơ được chia thành thấm nitơ tổng thể và thấm nitơ cục bộ. Nên tránh thấm nitơ cục bộ càng nhiều càng tốt trong quá trình thiết kế. Nếu cần thấm nitơ cục bộ thì có thể sử dụng một trong các phương pháp sau để xử lý chống thấm nitơ: ① Cho phép dung sai gia công lớn hơn hai lần độ sâu thấm nitơ. ② Phủ một lớp thiếc dày 0,003–0,015 mm. ③ Phủ một lớp đồng không xốp có độ dày trên 0,02 mm. ④ Phủ một lớp niken dày 0,02–0,04 mm. ⑤ Phủ một lớp phủ chống thấm nitơ.
Độ nhám bề mặt của các bộ phận trước khi thấm nitơ phải đáp ứng các yêu cầu của bản vẽ. Nói chung, giá trị độ nhám bề mặt Ra phải được kiểm soát trong khoảng từ 0,4 đến 0,8 μm. Bề mặt phải sạch và không có vết dầu, vết rỉ sét và vết lõm, đặc biệt là các cạnh sắc. Dung sai gia công của phôi phải đáp ứng các thông số kỹ thuật của quy trình. Nói chung, dung sai mài ở một bên của bề mặt thấm nitơ của các bộ phận kết cấu phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 mm.
Nhiệt độ quá trình thấm nitơ tương đối thấp, thường là 460–650 độ. Kiểm soát không khí thấm nitơ là rất quan trọng. Bầu không khí bất thường có thể dẫn đến các khuyết tật như độ sâu của lớp thấm nitơ không đủ, cấu trúc mạng lưới lớp thấm nitơ và hợp chất lỏng lẻo [3]. Vì quá trình thấm nitơ không trải qua quá trình dập tắt hoặc các phương pháp xử lý khác gây ra biến dạng lớn nên biến dạng nhỏ, đây là một lợi thế lớn của quá trình thấm nitơ và rất có lợi cho các bộ phận sẽ không được xử lý sau khi thấm nitơ. Nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định về kích thước của quá trình thấm nitơ là sự thay đổi cấu trúc và ứng suất dư, cũng như sự biến dạng dẻo vi mô xảy ra trong các điều kiện sử dụng. Nói chung, biến dạng của bề mặt thấm nitơ có mối tương quan dương với độ dày của lớp thấm nitơ, bằng khoảng 1/10 độ dày của lớp thấm nitơ của bộ phận. Khi biên soạn quy trình xử lý, ảnh hưởng của biến dạng lên kích thước phải được nhận biết đầy đủ. Kích thước có dung sai nhỏ phải được gia công chính xác sau khi thấm nitơ.
PHẦN 2
Phân tích những khó khăn khi gia công các chi tiết trục nối
Trục kết nối được hiển thị trong Hình 1 được sử dụng trong thiết bị phản hồi dòng chảy của động cơ thủy lực biến thiên servo như cửa sập và nắp vũ khí. Nó là cầu nối giữa cụm tấm chắn và cảm biến. Chức năng của nó là truyền chính xác mô-men xoắn góc quay của cụm tấm chắn tới cảm biến và theo dõi dòng chảy của động cơ thủy lực. Bộ phận này được làm bằng thép không gỉ cứng kết tủa 0Cr17Ni4Cu4Nb. Các bề mặt tròn bên ngoài của đầu bên phải và bên trái (lần lượt là φmm và φmm) được yêu cầu thấm nitơ đến độ sâu 0,1–0,3 mm. Độ cứng của bề mặt được thấm nitơ phải lớn hơn hoặc bằng 58 HRC, trong khi độ cứng của bề mặt không được thấm nitơ và lõi phải là 31–39 HRC. Các điểm chuyển tiếp giữa hai rãnh bịt kín và một rãnh vòng giữ trên bề mặt hình tròn bên ngoài cần được đánh bóng với bán kính R0,1–R0,2 mm. Do độ cứng và độ giòn cao của bề mặt được nitrided, khó khăn trong gia công nằm ở việc gia công bề mặt được nitrided và xử lý các góc philê chuyển tiếp giữa bề mặt được nitrided và không được nitrided. Quy trình xử lý và phương pháp gia công không phù hợp có thể dẫn đến các vấn đề về chất lượng như sứt mẻ ở các cạnh sắc. Vì vậy, tính hợp lý của kế hoạch quy trình là rất quan trọng.
Hình 1 Trục kết nối
PHẦN 3
Lựa chọn phương pháp hoàn thiện
Bề mặt thấm nitơ có độ cứng cao, độ bền cao, độ giòn cao, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn và có độ ổn định hóa học tốt, nhưng khả năng gia công của chúng tương đối kém. Bề mặt thấm nitơ là vật liệu cứng và giòn điển hình. Phương pháp gia công không đúng cách có thể làm hỏng cấu trúc lớp bề mặt của phôi, khiến việc gia công-các bề mặt được thấm nitơ chất lượng cao trở thành một thách thức kỹ thuật.
Các phương pháp gia công chính cho bề mặt thấm nitơ là tiện, phay và mài. Xem xét khả năng chống mài mòn của dụng cụ và tuổi thọ của dụng cụ, nên sử dụng hạt dao PCBN (boron nitrit khối đa tinh thể) để tiện và phay bất cứ khi nào có thể. Các hạt boron nitrit khối đa tinh thể có độ cứng 3500–4500 HV và nhiệt độ chịu nhiệt 1250–1350 độ. Chúng thể hiện tính trơ hóa học đặc biệt, độ dẻo dai và tính dẫn nhiệt tốt, hệ số ma sát thấp và đặc tính chống{7}bám dính mạnh, khiến chúng đặc biệt thích hợp để gia công thép cứng, vật liệu gốc coban-và vật liệu gốc niken- khó cắt [4, 5]. Trong thiết kế đường dẫn dao, dao nên đi từ bên ngoài phôi về phía phần rắn, tránh đường dẫn từ phần rắn ra bên ngoài. Mặc dù vậy, tình trạng sứt mẻ ở cạnh vẫn không thể được loại bỏ hoàn toàn.
Mài nên là phương pháp gia công được ưu tiên khi cấu trúc bộ phận cho phép. Khi lựa chọn bánh mài, thường nên tránh những loại có độ cứng quá cao. Độ cứng quá mức dẫn đến nhiệt độ tăng nhanh tại điểm tiếp xúc, gây ra ứng suất nhiệt trên bề mặt phôi ở nhiệt độ mài cao, cuối cùng dẫn đến ứng suất kéo dư và nguy cơ nứt mài cao. Bánh mài alumina nung chảy màu trắng mang lại hiệu suất cắt tốt, nhưng độ bền thấp hơn của chúng cho phép dễ dàng làm rơi hạt mài mòn. Để mài bề mặt được thấm nitơ, bánh xe alumina nung chảy màu trắng vượt trội hơn so với bánh xe alumina nung chảy đơn tinh thể- [6-8].
Phương pháp mài hình trụ bên ngoài được chia thành mài dọc và mài ngang. Mặc dù mài dọc có hiệu suất thấp hơn nhưng nó tạo ra chất lượng bề mặt tốt hơn và độ nhám bề mặt thấp hơn. Mài ngang tuy hiệu quả hơn nhưng đòi hỏi lực mài lớn hơn và nhiệt độ cao hơn, đòi hỏi phải cung cấp đủ chất lỏng cắt. Đối với mài bề mặt được thấm nitơ, mài dọc được ưu tiên hơn, mặc dù hiệu suất thấp hơn, vì nhiệt dễ tiêu tán hơn trong quá trình mài, làm giảm khả năng xảy ra vết nứt khi mài.
PHẦN 4
Luồng quy trình
Khi biên soạn các thông số quy trình cho các bộ phận bằng thép không gỉ được thấm nitơ, việc phân chia các giai đoạn xử lý và lựa chọn phương pháp chống thấm nitơ cần được xem xét đầy đủ. Đồng thời, các quy trình giảm ứng suất-phải được bố trí ở các vị trí thích hợp để loại bỏ biến dạng bộ phận do ứng suất xử lý gây ra. Việc mài nên được sử dụng càng nhiều càng tốt để xử lý bề mặt thấm nitơ. Quá trình mài tạo ra ứng suất nén trên bề mặt phôi, trong khi tiện và phay tạo ra ứng suất kéo. Việc mài có nhiều khả năng đảm bảo tính toàn vẹn của bề mặt bộ phận. Quy trình xử lý nói chung có thể được chia thành các giai đoạn sau:
(1) Tạo phôi bánh răng: Phôi là phôi rèn hoặc phôi thanh.
(2) Gia công thô: Loại bỏ một lượng đáng kể vật liệu dư thừa.
(3) Xử lý dung dịch và làm cứng kết tủa: Đảm bảo yêu cầu về độ cứng của bề mặt không bị thấm nitơ.
(4) Hoàn thiện bán phần: Loại bỏ vảy đen khỏi bề mặt đã được xử lý nhiệt-, để lại một phần nhỏ cho quá trình hoàn thiện.
(5) Xử lý giảm ứng suất: Đối với các bộ phận phức tạp, có thành mỏng, có-chính xác và có đường kính{2}}lớn, nên thực hiện xử lý giảm ứng suất sau khi gia công thô hoặc bán tinh-để giảm biến dạng trong quá trình thấm nitơ (có thể cần thực hiện nhiều biện pháp xử lý). Nên để lại một khoản trợ cấp gia công nhất định trước khi giảm ứng suất.
(6) Mạ đồng: Mạ đồng được dùng để bảo vệ, với độ dày lớp mạ đồng tổng thể là 30–50 μm.
(7) Bán hoàn thiện: Lớp đồng trên bề mặt thấm nitơ được loại bỏ, hoàn thành quá trình gia công bề mặt để thấm nitơ.
(8) Thấm nitơ khí: Quá trình thấm nitơ bề mặt đã hoàn tất. Đối với các bộ phận đặc biệt chính xác hoặc dễ biến dạng, một lượng dung dịch mài nhất định được để lại trước khi thấm nitơ và đồng được loại bỏ bằng cách mài sau khi thấm nitơ.
(9) Loại bỏ đồng: Tất cả các lớp đồng trên bề mặt bộ phận đều bị loại bỏ.
(10) Hoàn thiện: Bề mặt thấm nitơ và kích thước chính xác đã hoàn thiện.
PHẦN 5
Quy trình gia công và các vấn đề tồn tại trước khi tối ưu hóa quy trình
Quy trình gia công chính của trục kết nối trước khi tối ưu hóa quy trình là: Tiện CNC đường kính ngoài và rãnh φ10mm → phay thô đường kính ngoài φ5mm và đường viền bộ phận → mạ đồng → Tiện CNC để loại bỏ lớp đồng khỏi bề mặt của đường kính ngoài φ10mm → trung tâm gia công thẳng đứng để loại bỏ lớp đồng khỏi bề mặt của đường kính ngoài φ5mm → thấm nitơ → tước đồng → mài hình trụ bên ngoài của đường kính ngoài φ10mm → đánh bóng phi lê.
Do bán kính phi lê R0,15mm tại điểm nối của đường kính ngoài φ10mm và rãnh rộng 3,4mm, và bán kính R0,5mm ở cạnh sắc của điểm nối đường kính ngoài φ5mm nên sau khi gia công trên máy mài trụ ngoài và máy mài tọa độ, R0.15mm và R0.5mm không còn hoàn thiện. Mặc dù các cạnh sắc được tạo ra sau khi mài nhưng việc đánh bóng là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu về philê. Tuy nhiên, dung sai của phi lê nhỏ và rất dễ vượt quá dung sai trong quá trình đánh bóng. Hơn nữa, do lượng dư thừa bị loại bỏ quá mức trong quá trình đánh bóng phi lê nên rất dễ xảy ra hiện tượng sứt mẻ ở các cạnh. Trong khi đó, rãnh hình khuyên ở vòng tròn bên ngoài sẽ bị biến dạng nhẹ sau khi thấm nitơ. Nếu rãnh hình khuyên được gia công theo kích thước cuối cùng theo yêu cầu của bản vẽ trước khi thấm nitơ, thì phần mở của rãnh hình khuyên sẽ co lại sau khi thấm nitơ, dẫn đến sai lệch kích thước.
PHẦN 6
Sơ đồ quy trình tối ưu hóa
(1) Phương pháp tối ưu hóa vòng ngoài φ10mm: Để đảm bảo tính nguyên vẹn của các góc bo tròn sau khi mài, các góc bo tròn tại điểm chuyển tiếp giữa vòng tròn ngoài φ10mm và rãnh bịt kín cần được xử lý hình học trong quá trình gia công thô. Một chuyển tiếp hình nón được thêm vào góc tròn, với độ sâu của bề mặt hình nón theo mức cho phép mài và góc của bề mặt hình nón theo 10 độ -20 độ. Bề mặt hình nón và mặt bên của rãnh bịt kín được chuyển tiếp bằng các góc bo tròn (các góc bo tròn cuối cùng theo yêu cầu của bản vẽ). Điều này đảm bảo rằng sau khi loại bỏ lượng dư mài trong quá trình hoàn thiện, các góc được làm tròn chuyển tiếp được bảo toàn hoàn toàn và các phoi ở cạnh sẽ không bị loại bỏ quá mức cho phép ở các góc được làm tròn trong quá trình đánh bóng tiếp theo. Kiểm chứng thực tế cho thấy sau khi thêm bề mặt hình nón chuyển tiếp bảo vệ, hiện tượng sứt mẻ được loại bỏ hoàn toàn, đảm bảo chất lượng gia công của các bộ phận. Hình 2 cho thấy quá trình tiện CNC của vòng tròn bên ngoài và rãnh bịt kín trước khi cải tiến quy trình. Hình 3 cho thấy cách xử lý hình học của cạnh sắc của rãnh bịt kín sau khi cải tiến quy trình.
Hình 2: Tiện CNC vòng tròn ngoài và rãnh bịt kín trước khi cải tiến quy trình
Hình 3: Xử lý hình học cạnh sắc của rãnh bịt kín sau quá trình cải tiến
(2) Phương pháp tối ưu hóa cho vòng tròn ngoài φ5mm: Sử dụng phương pháp xử lý tương tự cho vòng tròn ngoài φ5mm. Một bề mặt hình nón 12 độ được thêm vào ở góc chuyển tiếp R(0,5±0,1)mm để làm cho vùng chuyển tiếp giữa các bề mặt được thấm nitơ và không thấm nitơ trở nên mượt mà hơn. Điều này cải thiện tình trạng ứng suất khi gia công vòng tròn ngoài φ3,5mm trên máy mài tọa độ và loại bỏ hiện tượng sứt mẻ cạnh. Hình 4 và 5 lần lượt thể hiện cách xử lý hình học của phi lê hình trụ φ3,6mm trước và sau quá trình cải tiến. Hình 4. Xử lý hình học của phi lê hình trụ φ3,6mm trước khi cải tiến quy trình
Hình 5. Xử lý hình học phi lê hình trụ φ3,6mm sau quá trình cải tiến
(3) Bù biến dạng rãnh bịt kín: Các cạnh của rãnh bịt kín sẽ co lại do biến dạng giãn nở. Điều này được gây ra bởi hiệu ứng cạnh sắc nét của quá trình thấm nitơ. Với nồng độ nitơ cao, biến dạng giãn nở thể tích lớn hơn ở các vị trí khác [9, 10]. Rãnh làm kín có chiều rộng 3,4mm và rãnh vòng giữ có chiều rộng 1,1mm có dung sai lớn. Sự thay đổi chiều rộng rãnh trước và sau khi thấm nitơ được thể hiện trong Bảng 1. Dựa trên đó, dung sai kích thước trước khi thấm nitơ được điều chỉnh để đảm bảo các yêu cầu về kích thước cuối cùng. Bảng 1. Sự thay đổi chiều rộng rãnh trước và sau thấm nitơ (Đơn vị: mm)
Bảng 1 cho thấy sự thay đổi độ rộng rãnh trước và sau khi thấm nitơ đối với rãnh 3,4mm là 0,026–0,035mm, từ đó xác định dung sai chiều rộng rãnh trước khi thấm nitơ phải được nén xuống 3,4mm; sự thay đổi chiều rộng rãnh trước và sau khi thấm nitơ đối với rãnh 1,1mm là 0,010–0,027mm, do đó xác định rằng dung sai chiều rộng rãnh trước khi thấm nitơ phải được nén xuống 1,1mm. Sau khi nén dung sai, kích thước chiều rộng rãnh cuối cùng của các bộ phận đều nằm trong giới hạn chấp nhận được.
PHẦN 7
Phần kết luận
Bề mặt thấm nitơ có độ cứng cao và khả năng chống mài mòn cao và hiệu suất của chúng vẫn tốt ở nhiệt độ cao. Do đó, các bộ phận bằng thép không gỉ được nitrid hóa được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm động cơ máy bay{1}}. Gia công các bề mặt được nitrid hóa tương đối khó khăn, đòi hỏi các tiêu chuẩn cao về khả năng chống mài mòn của dụng cụ, lựa chọn các thông số cắt và lập kế hoạch đường cắt. Bằng cách tăng phi lê chuyển tiếp hình nón bảo vệ và nén dung sai kích thước trước khi thấm nitơ, các vấn đề về hiệu suất gia công thấp, dễ sứt mẻ các cạnh và giảm chiều rộng rãnh sau khi thấm nitơ các bộ phận bằng thép không gỉ đã được giải quyết, khắc phục những khó khăn khi gia công các bộ phận đó. Tỷ lệ đạt của các bộ phận tăng từ khoảng 50% trước khi cải tiến lên 100%, đạt kết quả tốt.
