Oțelul de înaltă-rezistență 35CD4 este utilizat pe scară largă în părțile cilindrice de precizie din industria aerospațială datorită performanței sale excelente, dar are dificultăți tehnice, cum ar fi duritate mare, dificultate mare de tăiere, deformare ușoară a pieselor cu pereți-subțiri și cerințe stricte de toleranță. Ca răspuns la aceste dificultăți tehnice, a fost formulată o schemă de prelucrare slabă care acoperă procese multiple, combinând caracteristicile materialului cu dimensiunile de precizie și cerințele speciale de proces ale pieselor. Prin optimizarea parametrilor și instrumentelor legăturilor cheie, cum ar fi strunjirea externă, alezarea interioară, prelucrarea găurilor oblice și a găurilor lagărelor în procesul de prelucrare și ajustarea secvenței de șlefuire și șlefuire, au fost rezolvate probleme precum deformarea prelucrarii și deviația dimensională. În cele din urmă, s-a realizat o producție stabilă în masă de piese, iar procesul relevant poate oferi o referință pentru prelucrarea pieselor de precizie din materiale greu-de-decupat.
PARTEA 1
Introducere
Revoluția de performanță a echipamentelor aerospațiale depinde în mare măsură de precizia de prelucrare și fiabilitatea componentelor de bază[1]. Oțelul de înaltă-rezistență 35CD4 a devenit un material ideal pentru piesele cilindrice de precizie din industria aerospațială datorită caracteristicilor sale excelente, cum ar fi rezistența ridicată și călibilitatea ridicată. Cu toate acestea, forța mare de tăiere și tendința semnificativă de întărire prin muncă a acestui material, combinate cu forma neregulată și ușor deformabil, și toleranțele dimensionale de precizie stricte ale pieselor cilindrice, reprezintă o provocare semnificativă pentru procesele tradiționale de prelucrare.
Pentru a depăși această provocare de producție, această lucrare se concentrează pe proprietățile materialului 35CD4 și pe cerințele de proces ale pieselor cilindrice și efectuează cercetări privind procesele de prelucrare slabă. Printr-o serie de măsuri, inclusiv optimizarea designului procesului, îmbunătățirea selecției sculelor și ajustarea parametrilor de prelucrare, probleme cheie precum deformarea prelucrarii și abaterile dimensionale au fost rezolvate sistematic, rezultând o soluție de producție de masă stabilă și fiabilă.
Această lucrare revizuiește în mod sistematic ideile de cercetare și dezvoltare și procesul de verificare a acestei tehnologii, urmărind să ofere referință tehnică pentru prelucrarea pieselor similare de precizie aerospațială.
PARTEA 2
Caracteristicile de proces ale pieselor cilindrice de precizie aerospațială
O anumită piesă cilindrică de precizie aerospațială fabricată de compania noastră este fabricată din 35CD4, iar forma sa este prezentată în Figura 1. Această piesă este o piesă cu formă neregulată, structura sa specială este predispusă la deformare, iar grosimea peretelui este relativ subțire. Toleranțele pentru gaura interioară și cercul exterior sunt strict necesare, orificiul de lagăr este o gaură de precizie, iar piesa are găuri oblice în interior, ceea ce face dificil controlul toleranțelor dimensionale aferente. Caracteristicile tehnologice ale acestei piese cilindrice se reflectă în principal în următoarele aspecte.
Figura 1. Forma exterioară a piesei cilindrice
2.1 Caracteristicile materialelor
(1) Caracteristici metalice
Oțelul aliat-de înaltă rezistență 35CD4 este un oțel cu-nichel-crom-molibden mediu utilizat în industria aerospațială. Compoziția sa chimică este prezentată în Tabelul 1. În comparație cu alte metale, acest oțel are avantaje unice în proprietăți chimice, fizice și mecanice.
Tabel 1. Elemente de aliaj și parametri ai 35CD4 (compoziție chimică)
(2) Caracteristicile materiale ale 35CD4
Includeți în principal următoarele patru puncte:
① Rezistență ridicată. Deoarece este un oțel aliat cu conținut scăzut de-carbon,-aliat, are o rezistență mai mare decât oțelul ne-aliat, de aceea este numit „oțel cu rezistență redusă{-aliat-".
② Rezistenta mare la curgere. Limita sa de curgere este mai mare decât cea a oțelului nealiat. Sub aceeași sarcină, greutatea pieselor din acest material poate fi redusă cu 20% până la 30%.
③ Plasticitate și duritate bune. Proporția elementelor din aliaj este relativ scăzută, dând materialului atât plasticitate cât și duritate bună. ④ Întărire ridicată. Compoziția aliajului conține elemente precum nichel, crom și molibden, care pot menține austenita suprarăcită a oțelului foarte stabil. Structurile de martensită și bainită pot fi obținute prin călire cu aer.
(3) Caracteristicile de prelucrare a materialelor. Acest material are în general două stări de tratament termic: normalizare + călire și călire + călire. Duritatea corespunzătoare acestor două stări este prezentată în Tabelul 2.
Tabelul 2 Duritatea materialului
După cum se poate observa din Tabelul 2, duritatea și rezistența la tracțiune a acestui material sunt ambele la un nivel ridicat. De asemenea, este bogat în elemente precum crom și mangan. Acești factori împreună fac dificilă procesarea și este un material tipic, dificil de prelucrat--. Dificultățile specifice de procesare sunt următoarele:
1) Forță mare de tăiere. Materialul are duritate și rezistență ridicate, densitate atomică și forță de lipire ridicate și o rezistență excelentă la rupere și plasticitate-pe termen lung. În timpul procesului de tăiere, nu numai că forța de tăiere este mare, dar și forța de tăiere fluctuează semnificativ [2].
2) Temperatură ridicată de tăiere. Deformarea de tăiere consumă multă putere și generează multă căldură. O cantitate mare de căldură de tăiere este concentrată în zona de tăiere, formând un mediu cu temperatură înaltă-.
3) Tendință ridicată la călire prin muncă. Materialul prezintă plasticitate și duritate bună, cu un coeficient de întărire ridicat. Sub efectele combinate ale forței de tăiere și căldurii de tăiere, suferă o deformare plastică severă, ducând la întărirea prin muncă. Simultan, căldura de tăiere face ca materialul să absoarbă atomii de hidrogen, oxigen și azot din mediul înconjurător, formând un strat de suprafață dur și fragil, crescând și mai mult dificultatea tăierii.
4) Uzură severă a sculei. Forțele și temperaturile mari de tăiere în timpul tăierii intensifică frecarea dintre sculă și așchii, iar materialul sculei este predispus la interacțiuni de afinitate cu materialul piesei de prelucrat. În combinație cu prezența particulelor dure în material și cu întărirea severă, unealta este foarte susceptibilă la uzura adezivului, uzura prin difuzie, uzura abrazivă, uzura limită și uzura canelată în timpul tăierii, pierzându-și în cele din urmă capacitatea de tăiere.
5) Manipulare dificilă a așchiilor. Rezistența ridicată, plasticitatea și tenacitatea materialului duc la așchii încurcate asemănător unei panglici-în timpul tăierii, care prezintă pericole pentru siguranță, împiedică procesul de tăiere și provoacă zgârieturi pe suprafața piesei, ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor de rugozitate a suprafeței.
6) Deformare mare de tăiere. Temperaturile ridicate de tăiere și plasticitatea ridicată a materialului în timpul prelucrării conduc cu ușurință la deformare termică, ceea ce face dificilă garantarea unor dimensiuni și forme precise.
(4) Schema de prelucrare a materialelor Pentru a se asigura că materiile prime pot finaliza pe deplin tratamentul de călire și revenire, semifabricatul de forjare trebuie prelucrat brut-înaintea tratamentului termic pentru a se asigura că grosimea peretelui fiecărei secțiuni-transversale este<30mm. Simultaneously, a datum is machined on the rough-machined blank to facilitate the connection between rough and finish machining processes. The blank and the rough-machined shape of the part are shown in Figures 2 and 3, respectively.
Figura 2: Gol
Figura 3: Forma brută-lucrată
2.2 Caracteristicile procesului Această parte are mai multe cerințe dimensionale de-înaltă precizie. Un flux de proces stabil și fiabil trebuie proiectat prin luarea în considerare cuprinzătoare a tuturor parametrilor dimensionali de precizie pentru a asigura calitatea produsului. Principalele dimensiuni de precizie ale piesei sunt prezentate în Figura 4.
Figura 4: Dimensiunile principale de precizie ale piesei
(1) Diametrul exterior de precizie Diametrul exterior de precizie la orificiu este de mm, cu o lățime a zonei de toleranță de numai 0,022 mm; dimensiunea găurii interioare este de φ83,37 mm, corespunzătoare unei grosimi a peretelui de 2,81 mm. Această cerință de toleranță dimensională este strictă, peretele piesei este subțire și dificultatea de prelucrare este extrem de mare. (2) Orificiu interior de precizie: gaura interioară de precizie are un diametru de φ mm și o toleranță de 0,04 mm. Cerința de coaxialitate a acestei găuri interioare în raport cu cercul exterior este φ0,04 mm, cerința de cilindricitate este φ0,02 mm și adâncimea găurii este de 287,5 mm.
(3) Orificiu înclinat extins: După cum se arată în Figura 5, orificiul înclinat situat în poziția urechii piesei are un diametru de mm și un unghi de 45 de grade cu axa piesei. La prelucrarea acestei găuri, axul mașinii-unelte trebuie să fie reglat la un unghi de 45 de grade cu piesa. Pentru a evita interferența între unealtă și dispozitivul de fixare, este necesară o structură lungă în suspensie pentru unealta de prelucrare, ceea ce reprezintă o provocare majoră în prelucrarea acestei piese.
Figura 5: Gaură înclinată extinsă și orificiu pentru rulment
(4) Orificiul rulmentului: După cum se arată în Figura 5, orificiul rulmentului de la ureche are un diametru de mm. Acest orificiu poate fi prelucrat numai din partea din stânga a piesei. Contopirea sculei este mare, iar cerința de toleranță a diametrului este strictă, ceea ce face dificilă garantarea preciziei dimensionale. 2.3 Procese speciale
Pe lângă cerințele de procesare de mai sus, această parte necesită mai mulți pași speciali de procesare, după cum urmează:
1) Shot peening. Zona de granulație este diametrul exterior al piesei, dar trebuie evitată porțiunea cu diametrul exterior cu un diametru de φmm. Este strict interzisă străpungerea găurii interioare.
2) Placare cu crom. Zona de cromare este gaura interioară cu un diametru de φmm. Grosimea stratului de crom trebuie controlată între 20 și 25 μm.
3) Placare cu cadmiu. Zona de placare cu cadmiu este reprezentată de toate suprafețele, cu excepția zonei de cromare.
4) Pictura. Zona de vopsire este diametrul exterior al piesei, dar trebuie evitată porțiunea cu diametrul exterior cu un diametru de φmm.
PARTEA 3
Proiectarea procesului de prelucrare a cilindrilor de precizie a aeronavei
Pe baza analizei proprietăților materialului, dimensiunilor de precizie și proceselor speciale ale acestei piese de cilindru, planul procesului este prezentat în Tabelul 3.
Tabelul 3 Planul de proces
PARTEA 4
Verificarea procesului de prelucrare a cilindrilor de precizie a aeronavei
4.1 Finisarea diametrului exterior al urechii
Materialul 35CD4 are o aderență puternică, ceea ce face dificilă ruperea așchiilor în timpul prelucrării. La utilizarea parametrilor de prelucrare mai mici, apar semne de tăiere adânci pe partea de capăt a piesei, rezultând un aspect rupt al materialului de suprafață. Pentru a rezolva această problemă, parametrii de prelucrare externă a strunjirii trebuie ajustați. Parametrii de optimizare specifici sunt prezentați în Tabelul 4. Prin optimizarea parametrilor, semnele de tăiere de pe suprafața de capăt a piesei sunt eliminate, fața de capăt prelucrată este netedă, iar calitatea prelucrarii rămâne consistentă de la centru până la margine. Starea optimizată a feței finale este prezentată în Figura 6.
Tabelul 4 Optimizarea parametrilor de strunjire la capăt
Figura 6 Starea piesei după strunjirea de finisare a suprafeței de capăt
4.2 Strunjire cu diametru exterior de precizie
A 14-a operație de strunjire CNC este un proces cheie în prelucrarea acestei piese. Această operațiune folosește o mandră cu auto-centrare și un suport central pentru a susține diametrul exterior. Cerințele specifice de prelucrare sunt prezentate în Figura 7. Toleranța de precizie a diametrului exterior al piesei este de 0,024 mm, iar prelucrarea trebuie efectuată în trei etape. Parametrii specifici de prelucrare sunt prezentați în Tabelul 5. Datorită vâscozității ridicate a materialului, este necesară o inserție de strunjire exterioară ascuțită. Raza preferată a vârfului inserției este R0,2 mm. Dacă raza vârfului inserției este prea mare, cerințele de rugozitate a suprafeței piesei nu pot fi garantate.
Figura 7 Cerințe pentru procesul de strunjire CNC Tabel 5 Optimizarea parametrilor externi de strunjire După finisare, diametrul exterior al piesei este de 88,85~88,89 mm, ceea ce depășește cerințele desenului. Înainte de a găsi cauza principală, singura modalitate de a ajusta dimensiunea este să lăsați o marjă pe diametrul exterior și apoi să o lustruiți manual. După analiză, rotunjimea diametrului exterior susținut de suportul central în timpul prinderii va avea un impact semnificativ asupra curbei de rotație a piesei [3]. În conformitate cu cerințele de toleranță de înaltă precizie, acest impact este deosebit de proeminent. S-a măsurat diametrul exterior de strângere al piesei în afara-de-toleranță, iar modificarea rotunjimii acesteia a fost de 0,020 ~ 0,035 mm, ceea ce este practic în concordanță cu fluctuația-de-toleranței diametrului exterior al piesei. Pentru a rezolva această problemă, este necesară optimizarea și corectarea cerințelor tehnice ale procesului de referință. În procesul de strunjire externă al celui de-al 11-lea proces, este în mod clar necesar ca rotunjimea diametrului exterior să fie controlată cu 0,01 mm. Cerințele specifice de îmbunătățire sunt prezentate în Figura 8. După adăugarea cerințelor de control al rotunjimii la cel de-al 11-lea proces, stabilitatea dimensională a strunjirii cu diametrul exterior în al 14-lea proces a fost îmbunătățită semnificativ. Intervalul de fluctuație al diametrului exterior a fost redus la 88,865–88,875 mm, iar deformarea a putut fi controlată în 0,01 mm. Nu au fost necesare ajustări locale de către operator pentru a se asigura că toleranța diametrului exterior îndeplinește cerințele. Testele de stabilitate au verificat că un singur vârf de sculă de tăiere ar putea prelucra în mod stabil patru piese; cu toate acestea, precizia dimensională nu a putut fi garantată după uzura sculei.
Figura 8: Cerințe de îmbunătățire pentru procesul de referință
4.3 Îmbunătățirea slabă a suprafeței inferioare a găurii interioare
În timpul procesului de strunjire CNC în cel de-al 14-lea proces, a apărut un defect de prelucrare în partea inferioară a piesei, manifestat ca un boț rezidual cu un diametru de 1 mm și o înălțime de 0,3 mm, așa cum se arată în Figura 9. Planul inițial de prelucrare a fost să se folosească o freză cu cap plat-pentru a îndepărta excesul de fund, apoi să se folosească un forat{5}} mare pentru a alinia diametrul de fund{5}}. Când îndepărtați adaosul de jos cu ajutorul unei freze, curățarea sculei trebuie controlată cu 0,01 mm. Cu toate acestea, din cauza teșirii mici din partea inferioară a frezei-plate, partea inferioară a piesei nu poate fi prelucrată până la o stare plată. Frea-plată este prezentată în Figura 10.
Figura 9: Defect de jos
Figura 10: Freză cu capăt plat-
Pentru a rezolva această problemă, schema de prelucrare a fost optimizată prin înlocuirea fundului cu o freză de găurit cu diametru mic-, așa cum se arată în Figura 11. Testele de prelucrare au demonstrat că folosirea unei freze de găurit pentru a găuri fundul a eliminat complet defectul bofului.
Figura 11: Cutter de alezat adăugat
4.4 Optimizarea strunjirii găurii interne
În timpul celei de-a 14-a operațiuni de strunjire CNC, alezarea găurii interioare lasă un spațiu de 0,05 mm pe o parte pentru șlefuirea ulterioară. Cu toate acestea, după plictisire, în orificiul intern au apărut diverse defecte de calitate. Tipurile și proporțiile de defecte sunt prezentate în Tabelul 6. Aceste defecte prezintă un risc semnificativ pentru procesul de șlefuire ulterior.
Tabelul 6. Tipuri și procente de defecte
Analiza a evidențiat trei cauze principale ale defectelor menționate mai sus: În primul rând, diametrul sculei de alezat interioară a fost prea mic, rezultând rigiditate insuficientă a sculei și dimensiuni instabile ale găurii după găurire. În al doilea rând, materialul avea o vâscozitate ridicată, ceea ce duce la tăiere instabilă și rupere slabă a așchiilor atunci când se folosesc parametrii tradiționali de finisare, cu așchii care se învârteau și zgârie peretele găurii. În al treilea rând, viteza de tăiere a fost prea mică, nereușind să îndeplinească cerințele de precizie dimensională și rugozitate a suprafeței piesei.
Pentru a rezolva aceste probleme, au fost implementate următoarele măsuri de optimizare: În primul rând, înlocuiți unealta internă de alezat cu una cu diametru mai mare pentru a îmbunătăți rigiditatea sculei; instrumentul de alezat optimizat este prezentat în Figura 12. În al doilea rând, creșteți viteza de tăiere pentru a crește adâncimea de tăiere la finisare. În al treilea rând, optimizați sistemul de răcire intern pentru a permite fluidului de tăiere să acționeze direct asupra vârfului sculei de alezat. O comparație a optimizărilor instrumentelor este prezentată în Tabelul 7.
Figura 12 Instrument optimizat de alezat
Tabelul 7 Comparația optimizării instrumentului
4.5 Optimizarea găurii înclinate extinse
În cea de-a 13-a operațiune, frezarea orizontală a găurii înclinate extinse, planul inițial a fost: utilizarea unei freze extinse φ6mm pentru a mări gaura la φ7,3mm, diametrul real al găurii după prelucrare a fost de 7,1~7,2mm, cu o fluctuație dimensională de 0,1mm; după ajustarea programului pentru frezare la φ7,5 mm, diametrul găurii a fost de 7,35 ~ 7,42 mm, iar fluctuația a fost redusă la 0,07 mm; în cele din urmă, pentru finisare a fost folosit un alez cu tijă dreaptă, diametrul găurii a fost de 7,62~7,69 mm, iar dimensiunile au fost extrem de instabile.
În prima optimizare, alezul a fost înlocuit cu o unealtă de alezat, iar diametrul găurii după prelucrare a fost de 7,60 ~ 7,72 mm, depășind cerințele de toleranță și determinând casarea piesei. Planul final optimizat a fost: folosind o freză cu diametru-variabil de 7 mm pentru frezarea găurilor înclinate, rata de trecere a pieselor prelucrate a atins 100%. Unealta pentru prelucrarea găurilor înclinate extinse este prezentată în Figura 13.
a) Freză cu tijă dreaptă b) Aleză cu tijă dreaptă c) Freză de alezat d) Freză cu diametru variabil Figura 13 Scule de prelucrare a găurilor oblice extinse
4.6 Îmbunătățirea prelucrării găurilor lagărelor
În cel de-al 13-lea proces de prelucrare a găurii de rulment, cerința privind diametrul găurii este de mm. Planul inițial a fost: utilizați o freză cu cap de φ20 mm pentru a freza la φ34,4 mm, apoi utilizați o freză de găurit pentru a găuri la dimensiunea finală. Cu toate acestea, după prelucrare, pe peretele găurii au apărut urme de vibrații, care nu au putut fi rezolvate după mai multe ajustări ale parametrilor. Uneltele de prelucrare sunt prezentate în Figura 14.
a) Freză de alezat b) Freză Figura 14 Scule de prelucrare a găurilor de rulment
4.7 Impactul granulației asupra pieselor
Planul inițial de prelucrare a găurii de precizie a fost: alezarea de precizie prin strunjire CNC a găurii interioare cu o toleranță de 0,05 mm pe o parte, șlefuire pentru a asigura o toleranță la diametrul găurii de 0,02 mm și o cilindricitate de 0,02 mm și, în final, șlefuirea diametrului exterior al piesei. Cu toate acestea, granulația a cauzat deformarea găurii interioare a piesei, cu diametrul crescând cu 0,015–0,025 mm în poziția centrală axială. Unele piese au depășit limita superioară de toleranță și au fost casate.
Pentru a rezolva această problemă, secvența procesului a fost ajustată după consultarea clientului, plasând șlefuire după granulație. Deformarea găurii interioare după șlefuire a fost de aproximativ 0,025 mm, care a fost acoperită complet de toleranța de 0,05 mm pe o singură față rezervată șlefuirii. După ajustare, toleranța diametrului găurii interioare după șlefuire ar putea fi controlată cu 0,010 mm, iar cilindricitatea cu 0,015 mm, îndeplinind cerințele de desen. Impactul shot peening-ului asupra găurii interioare este prezentat în Tabelul 8.
Tabelul 8 Impactul Shot Peening asupra controlului găurii interne (unitate: mm)
PARTEA 5
Concluzie
Prin mai multe runde de optimizare și îmbunătățire slabă în timpul etapei de verificare a procesării, această piesă cilindrică de precizie aerospațială a obținut în sfârșit o producție de masă stabilă. Experiența tradițională de prelucrare nu mai este aplicabilă dificultăților de procesare a materialului 35CD4. Măsuri multiple, cum ar fi optimizarea procesului, optimizarea selecției sculelor și optimizarea parametrilor de procesare, sunt necesare pentru a depăși provocările de prelucrare [4]. 35Oțelul de înaltă rezistență-CD4 are performanțe excelente, dar aduce și provocări mai mari de prelucrare. În producția efectivă, este necesar să se selecteze în mod specific modelele de scule și să se formuleze parametrii de procesare rezonabili. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor de procesare emergente, dificultatea de procesare a unor astfel de materiale greu-de-de prelucrat va scădea treptat, iar experiența relevantă de procesare trebuie rezumată și acumulată în mod continuu. În plus, procesul de granulație are un impact ireversibil asupra dimensiunilor de precizie ale pieselor, ceea ce indică faptul că proiectarea procesului este un proiect sistematic. Aranjarea procesului trebuie să urmeze reguli logice și să ia în considerare pe deplin influența reciprocă dintre fiecare proces pentru a formula un plan de procesare științific și rezonabil [5] și pentru a obține o producție eficientă, asigurând în același timp calitatea produsului.
