Şaft parçalarının bağlanmasındaki işleme zorlukları analiz edildi ve işleme yöntemleri geliştirildi. Odak noktası nitrürlenmiş yüzeyin işlenmesine yönelik önlemlerdir. Nitrürlemeden önce parçaların kenarlarının köreltilmesiyle, nitrürleme sırasındaki gerilim durumu iyileştirilir; bu, nitrürlemeden sonra işleme sırasında parçaların kenarlarının kolay kırılması sorununu etkili bir şekilde çözer ve parçaların işlenme kalitesini garanti eder.
BÖLÜM 1
giriiş
Nitrürleme, bir iş parçasının yüzey katmanına nitrojen atomlarının sızması işlemidir; bu işlem, yüzey katmanının kimyasal bileşimini değiştirir ve esas olarak nitrürlerden oluşan bir katman oluşturur, böylece parçaların yüzey sertliğini, aşınma direncini, yorulma direncini ve -parlanma önleyici özelliklerini[1] geliştirir. Gaz nitrürlemeden sonra parçaların yüzey sertliği 50 N yük altında 1000 HV'ye (yaklaşık 70 HRC) ulaşabilir ve 600 derece sıcaklıkta hala yüksek sertliği ve yüksek aşınma direncini koruyabilir. Nitrürlemeden sonra parçaların yüzeyinde daha fazla artık basınç gerilimi elde edilebilir ve yorulma mukavemeti de büyük oranda geliştirilebilir[2] ki bu, diğer kimyasal ısıl işlemlerle karşılaştırılamayacak kadar yüksektir. Nitrürleme, diğerlerinin yanı sıra gaz nitrürleme, sıvı nitrürleme ve iyon nitrürleme olarak kategorize edilir. Şirketimiz şu anda öncelikli olarak gaz nitrürleme kullanmaktadır. Gaz nitrürleme, sıvı nitrürleme ile karşılaştırıldığında daha kolay atmosfer kontrolü sağlar (nitrürleme ortamı olarak amonyak kullanılır), insan sağlığını ve çevreyi tehdit eden daha az zararlı gaz üretir ve daha stabil bir kalite sergileyerek daha yaygın kullanılmasını sağlar. Nitrürlenmiş parçalar için yaygın olarak kullanılan malzemeler arasında 18Cr2Ni4WA, 38CrMoAlA, 40CrNiMoA, 25Cr3MoA, S106, S132, 1Cr11Ni2W2MoV, 0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4PH), 00Ni18Co8Mo5TiAl, TM210A, 0Cr15Ni5Cu4Nb (15-5PH) ve 0Cr13Ni8Mo2Al (PH13-8Mo) ve genellikle eklemler, destekler ve külbütör kolları gibi aşınma direnci gerektiren uygulamalarda kullanılır.
Nitrürleme genel nitrürleme ve lokal nitrürleme olarak ikiye ayrılır. Tasarım sırasında lokal nitrürlemeden mümkün olduğunca kaçınılmalıdır. Lokalize nitrürleme gerekliyse, nitrürleme önleyici işlem için aşağıdaki yöntemlerden biri kullanılabilir: ① Nitrürleme derinliğinin iki katından fazla işleme payı bırakın. ② 0,003–0,015 mm kalınlığında bir kalay tabakası kaplayın. ③ Kalınlığı 0,02 mm'den fazla olan-gözeneksiz bir bakır katman kaplayın. ④ 0,02–0,04 mm kalınlığında bir nikel tabakası kaplayın. ⑤ Nitrasyon önleyici-bir kaplama uygulayın.
Nitratlamadan önce parçaların yüzey pürüzlülüğü çizimin gerekliliklerini karşılamalıdır. Genel olarak yüzey pürüzlülük değeri Ra 0,4 ile 0,8 μm arasında kontrol edilmelidir. Yüzey temiz olmalı ve yağ lekeleri, pas lekeleri ve çentiklerden, özellikle de keskin kenarlardan arındırılmış olmalıdır. İş parçasının işleme payı proses özelliklerini karşılamalıdır. Genel olarak yapısal parçaların nitrürlenmiş yüzeyinin bir tarafındaki taşlama payı 0,05 mm'ye eşit veya daha az olmalıdır.
Nitrürleme işlemi sıcaklığı nispeten düşüktür, genellikle 460-650 derecedir. Nitrürleme atmosfer kontrolü çok önemlidir. Anormal atmosfer, yetersiz nitrürleme katmanı derinliği, nitrürleme katmanı ağ yapısı ve gevşek bileşik gibi kusurlara yol açabilir [3]. Nitrürleme, büyük deformasyona neden olan su verme veya diğer işlemlere tabi tutulmadığından deformasyon küçüktür; bu, nitrürleme işleminin büyük bir avantajıdır ve nitrürlemeden sonra işlenmeyecek parçalar için çok faydalıdır. Nitrürlemenin boyutsal kararsızlığının ana nedeni yapıdaki ve artık gerilimdeki değişimin yanı sıra servis koşulları altında meydana gelen mikro-plastik deformasyondur. Genel olarak, nitrürlenmiş yüzeyin deformasyonu, parçanın nitrürlenmiş katmanının kalınlığının yaklaşık 1/10'u olan nitrürlenmiş katmanın kalınlığı ile pozitif olarak ilişkilidir. Proses akışını derlerken deformasyonun boyutlar üzerindeki etkisi tam olarak anlaşılmalıdır. Küçük toleranslı boyutlar nitrürlemeden sonra hassas bir şekilde işlenmelidir.
BÖLÜM 2
Bağlantı mili parçalarının işlenmesindeki zorlukların analizi
Şekil 1'de gösterilen bağlantı mili, servo değişken hidrolik motorun silah kapağı ve kapağı gibi akış geri besleme cihazında kullanılmaktadır. Eğim plakası düzeneği ile sensör arasındaki bağlantı köprüsüdür. İşlevi, eğik plaka tertibatının dönme açısı torkunu sensöre doğru bir şekilde iletmek ve hidrolik motorun akışını izlemektir. Parça 0Cr17Ni4Cu4Nb çökeltme-sertleştirmeli paslanmaz çelikten yapılmıştır. Sağ ve sol uçların dış dairesel yüzeylerinin (sırasıyla φmm ve φmm) 0,1-0,3 mm derinliğe kadar nitrürlenmesi gerekir. Nitrürlenmiş yüzeyin sertliği 58 HRC'den büyük veya ona eşit olmalıdır, nitrürlenmemiş yüzeyin ve çekirdeğin sertliği ise 31–39 HRC olmalıdır. Dış dairesel yüzeydeki iki sızdırmazlık oluğu ile bir tespit halkası oluğu arasındaki geçiş noktaları, R0,1–R0,2 mm yarıçapında cilalama gerektirir. Nitrürlenmiş yüzeyin yüksek sertliği ve kırılganlığı nedeniyle işleme zorluğu, nitrürlenmiş yüzeyin işlenmesinde ve nitrürlenmiş ve nitrürlenmemiş yüzeyler arasındaki geçiş filetolarının işlenmesinde yatmaktadır. Uygun olmayan proses akışı ve işleme yöntemleri, keskin kenarlarda kırılma gibi kalite sorunlarına yol açabilir. Bu nedenle süreç planının rasyonelliği çok önemlidir.
Şekil 1 Bağlantı Mili
BÖLÜM 3
Bitirme Yöntemlerinin Seçimi
Nitrürlenmiş yüzeyler yüksek sertliğe, yüksek mukavemete, yüksek kırılganlığa, aşınma direncine ve korozyon direncine sahiptir ve iyi bir kimyasal stabiliteye sahiptir, ancak işlenebilirlikleri nispeten zayıftır. Nitrürlenmiş yüzeyler tipik sert ve kırılgan malzemelerdir. Uygun olmayan işleme yöntemleri, iş parçasının yüzey katmanı yapısına zarar verebilir, nitrürlenmiş yüzeylerin yüksek-kalitede işlenmesini teknik bir zorluk haline getirebilir.
Nitrürlenmiş yüzeyler için ana işleme yöntemleri tornalama, frezeleme ve taşlamadır. Takım aşınma direnci ve takım ömrü göz önüne alındığında, mümkün olduğunca tornalama ve frezeleme için PCBN (polikristalin kübik bor nitrür) kesici uçlar kullanılmalıdır. Polikristalin kübik bor nitrür uçlar 3500–4500 HV sertliğe ve 1250–1350 derece ısı direnci sıcaklığına sahiptir. Olağanüstü kimyasal eylemsizlik, iyi tokluk ve termal iletkenlik, düşük sürtünme katsayısı ve güçlü-yapışma önleyici özellikler sergilerler; bu da onları özellikle kesilmesi zor olan sertleştirilmiş çelik, kobalt-bazlı malzemeler ve nikel-bazlı malzemelerin işlenmesi için uygun kılar [4, 5]. Takım yolu tasarımında takım, iş parçasının dışından katı parçaya doğru girmeli ve katı parçadan dışarıya doğru olan yoldan kaçınmalıdır. Buna rağmen kenar kırılması tamamen ortadan kaldırılamaz.
Parça yapısı izin verdiğinde taşlama tercih edilen işleme yöntemi olmalıdır. Taşlama taşları seçilirken sertliği aşırı yüksek olanlardan genel olarak kaçınılmalıdır. Aşırı sertlik, temas noktasında hızlı bir sıcaklık artışına neden olur, yüksek taşlama sıcaklıklarında iş parçası yüzeyinde termal strese neden olur, sonuçta artık çekme gerilimi ve yüksek taşlama çatlakları riski ortaya çıkar. Beyaz erimiş alümina taşlama taşları iyi kesme performansı sunar, ancak daha düşük toklukları aşındırıcı tanelerin kolayca dökülmesine olanak tanır. Nitrürlenmiş yüzey taşlama için, beyaz erimiş alümina çarklar, tek-kristal erimiş alümina çarklardan daha üstündür [6-8].
Dış silindirik taşlama yöntemleri boyuna taşlama ve enine taşlama olarak ikiye ayrılır. Boyuna taşlamanın verimliliği daha düşük olsa da daha iyi yüzey kalitesi ve daha düşük yüzey pürüzlülüğü sağlar. Enine taşlama daha verimli olmakla birlikte, daha fazla taşlama kuvveti ve daha yüksek sıcaklıklar gerektirir, bu da yeterli kesme sıvısı tedarikini gerektirir. Nitrürlenmiş yüzey taşlama için, daha düşük verimliliğine rağmen uzunlamasına taşlama tercih edilir, çünkü taşlama işlemi sırasında ısı daha kolay dağılır ve taşlama çatlakları olasılığı azalır.
BÖLÜM 4
Süreç Akışı
Nitrürlenmiş paslanmaz çelik parçalar için proses spesifikasyonlarını derlerken, işleme aşamalarının bölünmesi ve-nitrürlemeyi önleme yöntemlerinin seçimi tam olarak dikkate alınmalıdır. Eş zamanlı olarak, işleme geriliminin neden olduğu parça deformasyonunu ortadan kaldırmak için uygun konumlarda gerilim giderme-işlemleri düzenlenmelidir. Nitrürlenmiş yüzey işlemlerinde mümkün olduğu kadar taşlama kullanılmalıdır. Taşlama iş parçası yüzeyinde basınç gerilimi oluştururken, tornalama ve frezeleme çekme gerilimi oluşturur. Taşlamanın parça yüzeyinin bütünlüğünü sağlaması daha olasıdır. Proses akışı genel olarak aşağıdaki aşamalara ayrılabilir:
(1) Dişli ham parça şekillendirme: İşlenmemiş parça, dövme veya çubuk stoğudur.
(2) Kaba işleme: Önemli miktarda fazla malzemenin çıkarılması.
(3) Çözelti muamelesi ve çökeltme sertleştirmesi: Nitrürlenmemiş yüzeyin sertlik gereksinimlerinin sağlanması.
(4) Yarı-bitirme: Isıl işlem görmüş yüzeyden siyah ölçeğin kaldırılması-ve bitirme işlemi için küçük bir pay bırakılması.
(5) Gerilim Giderme İşlemi: Karmaşık, ince-duvarlı, hassas ve geniş-çaplı parçalar için, nitrürleme sırasında deformasyonu azaltmak için kaba işleme veya yarı-ince işleme sonrasında gerilim giderme işlemi gerçekleştirilmelidir (birden fazla işlem gerekli olabilir). Gerilim giderme işleminden önce belirli bir işleme payı bırakılmalıdır.
(6) Bakır Kaplama: Koruma amacıyla toplam bakır kaplama kalınlığı 30–50 μm olacak şekilde bakır kaplama uygulanır.
(7) Yarı-bitirme: Nitrürleme için yüzey işleme tamamlanarak nitrürlenmiş yüzeydeki bakır katman kaldırılır.
(8) Gaz Nitrürleme: Yüzey nitrürleme tamamlanır. Özellikle hassas veya kolayca deforme olabilen parçalar için, nitrürlemeden önce belirli bir taşlama payı bırakılır ve nitrürlemeden sonra bakır, taşlanarak çıkarılır.
(9) Bakırın Çıkarılması: Parçanın yüzeyindeki tüm bakır katmanlar çıkarılır.
(10) Bitirme: Nitrürlenmiş yüzey ve hassas boyutlar tamamlanır.
BÖLÜM 5
İşleme Akışı ve Proses Optimizasyonu Öncesi Mevcut Sorunlar
Proses optimizasyonundan önce bağlantı milinin ana işleme akışı şu şekildeydi: φ10mm dış çapın ve oluğun CNC tornalanması → φ5mm dış çapın ve parça dış hattının kaba frezelenmesi → bakır kaplama → φ10mm dış çapın yüzeyinden bakır katmanını çıkarmak için CNC tornalama → φ5mm dış çapın yüzeyinden bakır katmanını çıkarmak için dikey işleme merkezi → nitrürleme → bakır sıyırma → φ10mm dış çapın dış silindirik taşlaması → fileto parlatılması.
Çünkü φ10mm dış çap ve 3,4 mm genişliğindeki oluğun birleşim yerindeki fileto yarıçapı R0,15 mm ve φ5 mm dış çap birleşim yerinin keskin kenarındaki R0,5 mm yarıçapı, dış silindirik taşlama makinesinde ve koordinat taşlama makinesinde işlendikten sonra, R0,15 mm ve R0,5 mm artık tamamlanmamıştır. Taşlama sonrasında keskin kenarlar oluşsa da fileto ihtiyacını karşılamak için cilalama işlemi yapılması gerekmektedir. Ancak fileto toleransı küçüktür ve cilalama sırasında toleransın aşılması kolaydır. Ayrıca fileto cilalama sırasında fazla miktarda harç çıkarılması nedeniyle kenarlarda kırılma olasılığı çok yüksektir. Bu arada, dış daire üzerindeki halka şeklindeki oluk, nitrürleme sonrasında hafif bir deformasyona uğrayacaktır. Halka şeklindeki oluk, nitrürleme öncesinde çizimin gerektirdiği nihai boyuta getirilirse, halka şeklindeki oluğun açıklığı nitrürleme sonrasında daralacak ve bu da boyutsal sapmalara neden olacaktır.
BÖLÜM 6
Optimize Edilmiş Süreç Şeması
(1) φ10mm dış daire için optimizasyon yöntemi: Taşlama sonrasında yuvarlatılmış köşelerin bütünlüğünü sağlamak için, φ10mm dış daire ile sızdırmazlık oluğu arasındaki geçişteki yuvarlatılmış köşelerin kaba işleme sırasında geometrik olarak işlenmesi gerekir. Yuvarlatılmış köşeye, konik yüzeyin derinliği taşlama payına göre ve konik yüzeyin açısı 10 derece -20 dereceye göre olacak şekilde konik bir geçiş eklenir. Konik yüzey ve sızdırmazlık oluğunun yan tarafı yuvarlatılmış köşelerle (çizimin gerektirdiği son yuvarlatılmış köşeler) geçişlidir. Bu, son işlem sırasında taşlama payının kaldırılmasından sonra, geçiş yuvarlatılmış köşelerinin tamamen korunmasını ve daha sonraki cilalama sırasında yuvarlatılmış köşelerde aşırı miktarda payın kaldırılması nedeniyle kenar talaşlarının oluşmamasını sağlar. Gerçek doğrulama, koruyucu geçiş konik yüzeyinin eklenmesinden sonra talaşlanma olgusunun tamamen ortadan kaldırıldığını ve parçaların işleme kalitesinin garanti edildiğini göstermektedir. Şekil 2, proses iyileştirme öncesinde dış dairenin ve sızdırmazlık oluğunun CNC tornalanmasını göstermektedir. Şekil 3, proses iyileştirmesinden sonra sızdırmazlık oluğunun keskin kenarının geometrik işlemini göstermektedir.
Şekil 2: Proses iyileştirme öncesinde dış dairenin ve sızdırmazlık oluğunun CNC tornalanması
Şekil 3: Proses iyileştirmesinden sonra sızdırmazlık oluğunun keskin kenarının geometrik uygulaması
(2) φ5mm dış daire için optimizasyon yöntemi: φ5mm dış daire için aynı işlem yöntemi kullanılır. Nitrürlenmiş ve -nitrürlenmemiş yüzeyler arasındaki geçiş alanını daha pürüzsüz hale getirmek için R(0,5±0,1)mm geçiş şeridine 12 derecelik konik bir yüzey eklenir. Bu, koordinat taşlama makinesinde φ3,5 mm dış daireyi işlerken gerilim durumunu iyileştirir ve kenar kırılma olayını ortadan kaldırır. Şekil 4 ve 5, sırasıyla φ3,6 mm silindirik filetoya proses iyileştirme öncesi ve sonrasındaki geometrik işlemi göstermektedir. Şekil 4. φ3,6 mm silindirik filetoya proses iyileştirme öncesinde geometrik işlem
Şekil 5. İşlem iyileştirme sonrasında φ3,6 mm silindirik filetoya geometrik işlem
(3) Sızdırmazlık oluğu deformasyon telafisi: Sızdırmazlık oluğunun kenarları, genleşme deformasyonu nedeniyle büzülecektir. Bunun nedeni nitrürleme işleminin keskin kenar etkisidir. Yüksek nitrojen konsantrasyonunda hacim genleşmesi deformasyonu diğer konumlara göre daha fazladır [9, 10]. 3,4 mm genişliğindeki sızdırmazlık oluğu ve 1,1 mm genişliğindeki tespit halkası oluğu büyük toleranslara sahiptir. Nitrürleme öncesi ve sonrasında oluk genişliğindeki değişiklikler Tablo 1'de gösterilmektedir. Buna dayanarak nitrürleme öncesi boyut toleransları, nihai boyut gerekliliklerini sağlayacak şekilde ayarlanır. Tablo 1. Nitrasyon Öncesi ve Sonrası Oluk Genişliğinde Değişiklikler (Birim: mm)
Tablo 1, 3,4 mm'lik bir oyuk için nitrürleme öncesi ve sonrasında oluk genişliğindeki değişimin 0,026-0,035 mm olduğunu göstermektedir; dolayısıyla nitrürleme öncesinde oluk genişliği toleransının 3,4 mm'ye sıkıştırılması gerektiğini belirler; 1,1 mm'lik bir oyuk için nitrürleme öncesi ve sonrasında oluk genişliğindeki değişiklik 0,010-0,027 mm'dir, dolayısıyla nitrürleme öncesinde oluk genişliği toleransının 1,1 mm'ye sıkıştırılması gerektiğini belirler. Toleransların sıkıştırılmasının ardından parçaların son kanal genişliği boyutlarının tümü kabul edilebilir sınırlar dahilindedir.
BÖLÜM 7
Çözüm
Nitrürlenmiş yüzeyler yüksek sertliğe ve yüksek aşınma direncine sahiptir ve performansları yüksek sıcaklıklarda iyi kalır. Bu nedenle nitrürlenmiş paslanmaz çelik parçalar havacılık-motor ürünlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Nitrürlenmiş yüzeylerin işlenmesi nispeten zordur; takım aşınma direnci, kesme parametrelerinin seçimi ve kesme yollarının planlanması için yüksek standartlar gerektirir. Koruyucu konik geçiş dolgusunu artırarak ve nitrürleme öncesinde boyut toleranslarını sıkıştırarak, düşük işleme verimliliği, kenarların kolay ufalanması ve paslanmaz çelik parçaların nitrürlenmesinden sonra azaltılmış oluk genişliği sorunları çözüldü ve bu tür parçaların işleme zorluklarının üstesinden gelindi. Parçaların geçiş oranı, iyileştirme öncesinde yaklaşık %50'den %100'e yükseldi ve iyi sonuçlar elde edildi.
