Czy obróbka powierzchni wpłynie na tolerancje części?

1. Związek pomiędzy różnymi rodzajami obróbki powierzchni i ich wpływem na tolerancję
Istnieją cztery główne typy procesów obróbki powierzchni: modyfikacja powierzchni, dodawanie stopów powierzchni, powlekanie konwersyjne powierzchni i powlekanie powierzchni. Stopień wpływu różnych procesów na tolerancje jest bardzo zróżnicowany.
Technologia zmiany powierzchni
Na przykład piaskowanie powoduje, że powierzchnia staje się bardziej szorstka w wyniku uderzenia-cząstek piasku o dużej prędkości, ale może zmniejszyć część o 0,01–0,03 mm. Walcowanie utwardza ​​powierzchnię zmieniając jej kształt, co może spowodować zwiększenie średnicy części wału o 0,005–0,015 mm. Wzmocnienie laserowej transformacji fazowej nie ma prawie żadnego wpływu na rozmiar, ponieważ jego strefa-wpływu ciepła jest tak mała.
Technologia stopowania powierzchniowego
Nawęglanie i azotowanie tworzą warstwy stopu na drodze dyfuzji. Azotowanie ciekłe sprawi, że wał będzie o 0,01 mm szerszy, a otwór o 0,01 mm węższy, dlatego podczas obróbki należy pozostawić odstęp 0,01 mm z jednej strony. Z drugiej strony azotowanie jonowe może utrzymać zmianę wielkości w granicach ± ​​0,002 mm bez użycia fazy ciekłej.
Technologia powłok konwersyjnych powierzchni
Fosforanowanie powoduje utworzenie na powierzchni stali filmu fosforanowego o grubości zwykle od 2 do 10 μm, który ma niewielki wpływ na tolerancje. Z drugiej strony anodowanie (podobnie jak anodowanie twarde stopów aluminium) tworzy warstwę tlenku o grubości od 30 do 50 μm, co powoduje, że części są większe w jednym kierunku. Aby to zrekompensować, należy zastosować strategię „niższa różnica mniejsza”.
Technologia pokrywania powierzchni
Grubość warstwy galwanicznej ma bezpośredni wpływ na tolerancję. Na przykład, jeśli długość ślimaka jest mniejsza lub równa pięciokrotności średnicy, maksymalna grubość powłoki powinna wynosić 8 μm. Jeśli tak nie jest, konieczna jest-niestandardowa kontrola ogranicznika. Grubość warstwy-ocynkowanej ogniowo wynosi 30–80 μm, co znacznie zmienia średnicę podziałową elementów złącznych. Aby mieć pewność, że będą pasować,-należy zmienić wymiary wstępnego poszycia.
2. Mały mechanizm zmiany tolerancji i dane branżowe
Istnieją trzy główne procesy fizyczne i chemiczne, które wpływają na tolerancje podczas obróbki powierzchni:
Zmiana objętości i fazy materiału
Czernienie stali powoduje powstanie warstwy tlenku Fe∝₄, która powoduje 1,3-krotne zwiększenie objętości, co powoduje powstawanie wypukłości powierzchniowych. Kiedy stop aluminium jest anodowany w celu utworzenia Al ₂ O ∝, objętość zmniejsza się o około 15%, co może powodować mikropęknięcia.
Anizotropia w osadzaniu powłok
Podczas procesu galwanizacji nierówna gęstość prądu może powodować różną grubość powłoki. Na przykład powłoka galwaniczna na gwintach wewnętrznych jest zwykle od 30% do 50% cieńsza niż powierzchnia zewnętrzna. Aby mieć pewność, że będzie pasować, wymagana jest norma „konserwacja strefy tolerancji gwintu wewnętrznego 6H”.
Uwalnianie naprężeń szczątkowych podczas obróbki mechanicznej
Piaskowanie wywiera na powierzchnię siłę ściskającą, co powoduje pełzanie części przy ponownym użyciu. Według eksperymentów piaskowane elementy wału stalowego 45 # mogą zwiększyć średnicę o 0,008 mm po przetrzymywaniu w temperaturze 100 stopni przez 24 godziny.
Dane z branży:
Konkretna firma lotnicza twierdzi, że współczynnik zmian wielkości nieskompensowanych części ze stali nierdzewnej 316L po polerowaniu elektrycznym wynosi 12%. Pozostawiając margines swobody wynoszący 0,02 mm, wskaźnik kwalifikacji wzrósł do 98%.
W branży motoryzacyjnej obowiązują surowe zasady dotyczące tolerancji śrub ocynkowanych. W przypadku śrub M12 grubość powłoki musi wynosić od 8 do 2 μm, w przeciwnym razie współczynnik momentu obrotowego zmieni się o więcej niż 15%.
3. Typowe problemy i ich rozwiązania w przemyśle
W dziedzinie lotnictwa
Przy produkcji dysz paliwowych do silników LEAP firma GE Aviation stosuje metodę SLM (Selective Laser Melting) oraz obróbkę HIP (Hot Isostatic Pressure). Optymalizując strategię skanowania (skanowanie spiralne) i grubość warstwy (30 μm), chropowatość powierzchni utrzymuje się w granicach Ra12 μm. Obróbka HIP usuwa pory (od 0,8% do 0,02%), co trzykrotnie zwiększa trwałość zmęczeniową i spełnia rygorystyczne wymagania tolerancji norm lotniczych.
Dziedzina wyrobów medycznych
Firma Johnson&Johnson Medical opracowała złożony proces zwany „wyżarzaniem próżniowym + polerowaniem chemicznym” na potrzeby implantów stawów biodrowych drukowanych-3D. W procesie tym eliminowane są naprężenia szczątkowe za pomocą wyżarzania próżniowego, a następnie wykorzystuje się roztwór polerujący na bazie kwasu cytrynowego-, aby wygładzić powierzchnię od Ra50 μm do Ra0,8 μm, zachowując jednocześnie jej biokompatybilność. Metoda ta zapewnia implantowi trwałość zmęczeniową przekraczającą 20 lat, czyli więcej niż jest to wymagane w klinice.
Dziedzina produkcji samochodów
Volkswagen produkuje bloki cylindrów silnika metodą zwaną „fosforanowaniem + elektroforezą”. Chropowatość wewnętrznej ścianki cylindra zmieniała się z Ra3,2 μm do Ra0,4 μm poprzez zmianę grubości warstwy fosforanującej (2–3 μm) i powłoki elektroforetycznej (20–25 μm). Obniżyło to również współczynnik tarcia o 30% i zwiększyło zużycie paliwa o 2%.
4. Nowe technologie i strategie kontroli tolerancji
Projekt kompensacji odwrotnej
Tworząc bazę danych zmian wielkości procesów obróbki powierzchni, rezerwuje się naddatki na etapie modelowania CAD. Na przykład jedna firma wyprodukowała „moduł-wstępnej kompensacji tolerancji” dla technologii galwanicznej. Moduł ten może automatycznie zmieniać rozmiar modelu w oparciu o grubość powłoki, co podnosi współczynnik pierwszego przejścia do 95%.
Wykrywanie i kontrola w-pętli zamkniętej przez Internet
Dzięki technologii skanowania 3D można w czasie rzeczywistym zobaczyć zmiany rozmiaru po obróbce powierzchni. Na przykład technologia „cyfrowego bliźniaka” firmy Siemens umożliwia wirtualną weryfikację montażu części ocynkowanych, co zmniejsza ryzyko odchylenia tolerancji o 70%.
Nowa metoda obróbki powierzchni
Utlenianie elektrolityczne plazmowe (PEO) tworzy warstwę ceramiczną na powierzchni stopu aluminium. Grubość folii można regulować w zakresie od 5 do 200 μm, a dokładność wymiarów wynosi ± 1 μm. Stosowano go w elementach konstrukcyjnych statków kosmicznych.
Technologia natryskiwania na zimno: w tej metodzie wykorzystuje się-uderzenia cząstek stałych z dużą prędkością w celu osadzania powłok. Strefa wpływu ciepła jest mniejsza niż 50 μm, dzięki czemu nadaje się do mocowania i wzmacniania precyzyjnych części.