Beeinflusst die Oberflächenbehandlung die Teiletoleranzen?

1. Der Zusammenhang zwischen verschiedenen Arten der Oberflächenbehandlung und deren Auswirkungen auf die Toleranz
Es gibt vier Haupttypen von Oberflächenbehandlungsprozessen: Oberflächenmodifikation, Oberflächenlegierung, Oberflächenkonversionsbeschichtung und Oberflächenbeschichtung. Der Einfluss verschiedener Prozesse auf die Toleranzen ist sehr unterschiedlich.
Technologie zur Oberflächenveränderung
Durch das Sandstrahlen beispielsweise wird die Oberfläche durch das Auftreffen von Sandpartikeln mit hoher Geschwindigkeit rauer, das Teil kann jedoch um 0,01–0,03 mm kleiner werden. Beim Walzen wird die Oberfläche durch Formänderung gehärtet, wodurch der Durchmesser der Wellenteile um 0,005–0,015 mm größer werden kann. Die Verstärkung durch Laserphasenumwandlung hat nahezu keinen Einfluss auf die Größe, da die von der Wärme betroffene Zone so klein ist.
Technologie zur Oberflächenlegierung
Durch Aufkohlen und Nitrieren entstehen Legierungsschichten durch Diffusion. Durch das Flüssignitrieren wird der Schaft um 0,01 mm breiter und die Öffnung um 0,01 mm schmaler, sodass Sie während der Bearbeitung auf einer Seite einen Abstand von 0,01 mm lassen müssen. Durch ionische Nitrierung hingegen kann die Größenänderung ohne Verwendung einer flüssigen Phase auf innerhalb von ± 0,002 mm gehalten werden.
Technologie zur Oberflächenkonversionsbeschichtung
Durch die Phosphatierungsbehandlung entsteht auf der Stahloberfläche ein Phosphatfilm, der normalerweise 2 bis 10 μm dick ist und einen geringen Einfluss auf die Toleranzen hat. Andererseits entsteht beim Eloxieren (wie beim Hartanodisieren von Aluminiumlegierungen) ein 30 bis 50 μm dicker Oxidfilm, der die Teile in einer Richtung größer macht. Um dies auszugleichen, muss die Strategie „geringere Differenz kleiner“ angewendet werden.
Technologie zum Abdecken von Oberflächen
Die Dicke der Galvanikschicht hat direkten Einfluss auf die Toleranz. Wenn beispielsweise die Schraubenlänge kleiner oder gleich dem Fünffachen des Durchmessers ist, sollte die maximale Schichtdicke bei 8 μm liegen. Ist dies nicht der Fall, ist eine nicht standardmäßige Inspektion des Anschlagmaßes erforderlich. Die Dicke der feuerverzinkten Schicht beträgt 30–80 μm, wodurch sich der Flankendurchmesser der Verbindungselemente stark verändert. Um sicherzustellen, dass sie passen, müssen die Vor-abmessungen geändert werden.
2. Der kleine Mechanismus der Toleranzänderung und Branchendaten
Es gibt drei wesentliche physikalische und chemische Prozesse, die sich auf die Toleranzen bei der Oberflächenbehandlung auswirken:
Volumen- und Phasenänderung des Materials
Wenn Stahl geschwärzt wird, entsteht eine Fe∝₄-Oxidschicht, die das Volumen um das 1,3-fache vergrößert, was zu Vorsprüngen auf der Oberfläche führt. Wenn eine Aluminiumlegierung eloxiert wird, um Al₂O∝ zu bilden, schrumpft das Volumen um etwa 15 %, was zu Mikrorissen führen kann.
Anisotropie bei der Abscheidung von Beschichtungen
Während des Galvanisierungsprozesses kann eine ungleichmäßige Stromdichte dazu führen, dass die Beschichtung unterschiedlich dick ist. Beispielsweise ist die galvanische Beschichtung von Innengewinden normalerweise 30 bis 50 % dünner als die Außenfläche. Um sicherzustellen, dass es passt, ist die Norm „Innengewinde-Toleranzzoneneinhaltung 6H“ erforderlich.
Lösen von Eigenspannungen bei der mechanischen Bearbeitung
Durch die Sandstrahlbehandlung wird eine Druckkraft auf die Oberfläche ausgeübt, die dazu führt, dass die Teile bei erneuter Verwendung verrutschen. Experimenten zufolge können sandgestrahlte Wellenkomponenten aus 45#-Stahl ihren Durchmesser um 0,008 mm vergrößern, nachdem sie 24 Stunden lang bei 100 Grad gehalten wurden.
Daten aus der Branche:
Ein bestimmtes Flugzeugunternehmen gibt an, dass die Größenvariationsrate von unkompensierten 316L-Edelstahlteilen nach dem Elektropolieren 12 % beträgt. Durch das Belassen eines Spielraums von 0,02 mm ist die Qualifizierungsrate auf 98 % gestiegen.
Im Automobilsektor gelten strenge Regeln hinsichtlich der Toleranz verzinkter Schrauben. Bei M12-Schrauben muss die Schichtdicke zwischen 8 und 2 μm gehalten werden, sonst ändert sich der Drehmomentkoeffizient um mehr als 15 %.
3. Häufige Probleme und ihre Lösungen in der Branche
Im Bereich Luft- und Raumfahrt
Bei der Herstellung von Kraftstoffdüsen für LEAP-Triebwerke verwendet GE Aviation das SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) und die HIP-Behandlung (Hot Isostatic Pressure). Durch die Optimierung der Scanstrategie (Spiralscanning) und der Schichtdicke (30 μm) wird die Oberflächenrauheit innerhalb von Ra12 μm gehalten. Die HIP-Behandlung entfernt Poren (von 0,8 % auf 0,02 %), was die Ermüdungslebensdauer um das Dreifache erhöht und die strengen Toleranzanforderungen der Luftfahrtnormen erfüllt.
Bereich Medizinprodukte
Johnson&Johnson Medical hat ein Verbundverfahren namens „Vakuumglühen + chemisches Polieren“ für 3D-gedruckte Hüftgelenkimplantate entwickelt. Bei diesem Verfahren werden Eigenspannungen durch Vakuumglühen beseitigt. Anschließend wird eine Polierlösung auf Zitronensäurebasis verwendet, um die Oberfläche von Ra50 μm auf Ra0,8 μm zu glätten und sie gleichzeitig biokompatibel zu halten. Diese Methode verleiht dem Implantat eine Ermüdungslebensdauer von mehr als 20 Jahren, was mehr ist als in der Klinik erforderlich.
Der Bereich der Herstellung von Autos
Volkswagen fertigt Motorzylinderblöcke mit einem Verfahren namens „Phosphatierung+Elektrophorese“. Die Rauheit der Innenwand des Zylinders stieg von Ra3,2 μm auf Ra0,4 μm durch Änderung der Dicke des Phosphatierungsfilms (2–3 μm) und des elektrophoretischen Beschichtungsfilms (20–25 μm). Dadurch wurde auch der Reibungskoeffizient um 30 % gesenkt und der Kraftstoffverbrauch um 2 % gesenkt.
4. Neue Technologien und Strategien zur Toleranzkontrolle
Design der umgekehrten Kompensation
Durch die Erstellung einer Datenbank mit Änderungen in der Größe von Oberflächenbehandlungsprozessen werden während der CAD-Modellierungsphase Zugeständnisse gemacht. Beispielsweise hat ein Unternehmen ein „Toleranzvorkompensationsmodul“ für die Galvanotechnik entwickelt. Dieses Modul kann die Modellgröße basierend auf der Dicke der Beschichtung automatisch ändern, wodurch die First-Pass-Rate auf 95 % erhöht wird.
Erkennung und geschlossene -Loop-Kontrolle über das Internet
Mithilfe der 3D-Scantechnologie können Sie Größenänderungen nach der Oberflächenbehandlung in Echtzeit erkennen. Die „Digital Twin“-Technologie von Siemens kann beispielsweise eine virtuelle Montageverifizierung an verzinkten Teilen durchführen, was die Wahrscheinlichkeit von Toleranzabweichungen um 70 % senkt.
Neue Methode zur Oberflächenbehandlung
Durch plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) entsteht ein Keramikfilm auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung. Die Dicke des Films kann zwischen 5 und 200 μm gesteuert werden, und die Genauigkeit der Abmessungen beträgt ± 1 μm. Es wurde in Strukturteilen von Raumfahrzeugen verwendet.
Kaltspritztechnologie: Bei dieser Methode werden Feststoffpartikel mit hoher-Geschwindigkeit aufprallt, um Beschichtungen abzuscheiden. Die Wärmeeinflusszone beträgt weniger als 50 μm und eignet sich daher gut zum Fixieren und Verstärken präziser Teile.