Повлияет ли обработка поверхности на допуски детали?

1. Связь между различными типами обработки поверхности и их влиянием на толерантность
Существует четыре основных типа процессов обработки поверхности: модификация поверхности, легирование поверхности, конверсионное покрытие поверхности и покрытие поверхности. Степень влияния различных процессов на допуски существенно различается.
Технология изменения поверхности
Например, пескоструйная обработка делает поверхность более шероховатой за счет попадания на нее частиц песка с высокой-скоростью, но позволяет уменьшить размер детали на 0,01–0,03 мм. Прокатка упрочняет поверхность за счет изменения ее формы, что позволяет увеличить диаметр деталей вала на 0,005–0,015 мм. Усиление лазерной фазовой трансформацией практически не влияет на размер, поскольку зона термического-воздействия очень мала.
Технология легирования поверхности
Науглероживание и азотирование создают слои сплава путем диффузии. Жидкостное азотирование сделает вал на 0,01 мм шире, а отверстие на 0,01 мм уже, поэтому при обработке необходимо оставить зазор 0,01 мм с одной стороны. С другой стороны, ионное нитридирование позволяет поддерживать изменение размера в пределах ± 0,002 мм без использования жидкой фазы.
Технология конверсионного покрытия поверхности
Обработка фосфатированием создает на поверхности стали фосфатную пленку толщиной обычно от 2 до 10 мкм, которая незначительно влияет на допуски. С другой стороны, анодирование (как и твердое анодирование алюминиевых сплавов) создает оксидную пленку толщиной от 30 до 50 мкм, что увеличивает размеры деталей в одном направлении. Чтобы компенсировать это, необходимо использовать стратегию «меньше разницы, меньше».
Технология покрытия поверхностей
Толщина гальванического слоя напрямую влияет на допуск. Например, если длина винта меньше или равна пятикратному диаметру, максимальная толщина покрытия должна поддерживаться на уровне 8 мкм. Если это не так, необходима не-стандартная проверка стопора. Толщина слоя горячего-оцинкования составляет 30–80 мкм, что существенно изменит шаговый диаметр крепежных изделий. Чтобы убедиться, что они подходят, необходимо изменить размеры предварительной-обшивки.
2. Маленький механизм изменения толерантности и отраслевые данные
Существует три основных физических и химических процесса, которые влияют на допуски при обработке поверхности:
Изменение объема и фазы материала
Когда сталь чернеет, образуется слой оксида Fe∝₄, который увеличивает объем в 1,3 раза, что приводит к выступам поверхности. При анодировании алюминиевого сплава с образованием Al ₂ O ∝ объем уменьшается примерно на 15 %, что может привести к образованию микротрещин.
Анизотропия при нанесении покрытий
Во время процесса гальваники неравномерная плотность тока может привести к тому, что покрытие будет иметь разную толщину. Например, гальваническое покрытие внутренней резьбы обычно на 30–50 % тоньше внешней поверхности. Чтобы убедиться, что он подходит, необходим стандарт «обслуживание зоны допуска внутренней резьбы 6H».
Снятие остаточных напряжений при механической обработке.
Пескоструйная обработка оказывает на поверхность сжимающее усилие, из-за чего детали ползут при повторном использовании. Согласно экспериментам, детали вала из стали 45#, подвергнутые пескоструйной обработке, могут увеличиться в диаметре на 0,008 мм после выдержки при температуре 100 градусов в течение 24 часов.
Данные из отрасли:
Конкретная авиастроительная фирма сообщает, что степень изменения размеров некомпенсированных деталей из нержавеющей стали 316L после электрической полировки составляет 12%. Оставив зазор в 0,02 мм, процент квалификации увеличился до 98%.
В автомобильном секторе действуют строгие правила относительно допусков оцинкованных болтов. Для болтов М12 толщина покрытия должна поддерживаться в пределах от 8 до 2 мкм, иначе коэффициент крутящего момента изменится более чем на 15%.
3. Распространенные проблемы и их решения в отрасли
В области аэрокосмической промышленности
При изготовлении топливных форсунок для двигателей LEAP компания GE Aviation использует метод SLM (селективное лазерное плавление) и обработку HIP (горячее изостатическое давление). За счет оптимизации стратегии сканирования (спиральное сканирование) и толщины слоя (30 мкм) шероховатость поверхности сохраняется в пределах Ra12 мкм. Обработка HIP удаляет поры (с 0,8% до 0,02%), что увеличивает усталостную долговечность в три раза и соответствует строгим требованиям допуска авиационных стандартов.
Область медицинского оборудования
Компания Johnson&Johnson Medical разработала сложный процесс под названием «вакуумный отжиг + химическая полировка» для 3D-печатных имплантатов тазобедренного сустава. Этот процесс позволяет избавиться от остаточного напряжения с помощью вакуумного отжига, а затем использовать полирующий раствор на основе лимонной кислоты-, чтобы сгладить поверхность от Ra50 мкм до Ra0,8 мкм, сохраняя при этом ее биосовместимость. Этот метод придает имплантату усталостную долговечность более 20 лет, что больше, чем необходимо в клинике.
Сфера производства автомобилей
Volkswagen производит блоки цилиндров двигателей, используя метод, называемый «фосфатирование + электрофорез». Шероховатость внутренней стенки цилиндра повышалась с Ra3,2 мкм до Ra0,4 мкм за счет изменения толщины пленки фосфатирования (2–3 мкм) и пленки электрофоретического покрытия (20–25 мкм). Это также снизило коэффициент трения на 30% и увеличило экономию топлива на 2%.
4. Новые технологии и стратегии контроля толерантности
Конструкция обратной компенсации
Создавая базу данных изменений размеров процессов обработки поверхности, на этапе CAD-моделирования оставляются допуски. Например, одна компания выпустила «модуль предварительной-компенсации допусков» для гальванотехники. Этот модуль может автоматически изменять размер модели в зависимости от толщины покрытия, что повышает процент первого прохода до 95%.
Обнаружение и замкнутый-контроль через Интернет.
Используя технологию 3D-сканирования, вы можете увидеть изменения размера в режиме реального времени после обработки поверхности. Например, технология «цифрового двойника» Siemens позволяет выполнять виртуальную проверку сборки оцинкованных деталей, что снижает вероятность отклонения допусков на 70%.
Новый метод обработки поверхностей
Плазменное электролитическое оксидирование (ПЭО) создает керамическую пленку на поверхности алюминиевого сплава. Толщину пленки можно регулировать от 5 до 200 мкм, точность размеров ± 1 мкм. Его использовали в конструктивных частях космических кораблей.
Технология холодного напыления. Этот метод использует высокоскоростные-удары твердых частиц для нанесения покрытий. Зона термического влияния составляет менее 50 мкм, что позволяет использовать его для фиксации и армирования точных деталей.