Високоякостната стомана 35CD4 се използва широко в прецизни цилиндрични части на аерокосмическата техника поради отличните си характеристики, но има технически трудности като висока твърдост, голяма трудност при рязане, лесна деформация на тънкостенни части и строги изисквания за толерантност. В отговор на тези технически трудности беше формулирана схема за икономична обработка, обхващаща множество процеси, чрез комбиниране на характеристиките на материала с прецизните размери и специалните изисквания за процеса на частите. Чрез оптимизиране на параметрите и инструментите на ключови връзки като външно струговане, вътрешно пробиване, обработка на наклонени дупки и отвори за лагери в процеса на обработка и регулиране на последователността на дробестене и хонинговане, бяха решени проблеми като деформация при обработка и отклонение в размерите. Най-накрая беше постигнато стабилно масово производство на части и съответният процес може да предостави референция за обработката на прецизни части от трудни-за-рязане материали.
ЧАСТ 1
Въведение
Пробивът в производителността на аерокосмическото оборудване е силно зависим от точността на обработка и надеждността на основните компоненти [1]. Високо{2}}здравата стомана 35CD4 се превърна в идеален материал за прецизни цилиндрични части на космическото пространство поради отличните си характеристики като висока якост и висока закаляемост. Въпреки това, високата сила на рязане и значителната склонност към втвърдяване при работа на този материал, съчетани с неправилната форма и лесно деформируемите, както и строгите прецизни допустими отклонения на размерите на цилиндричните части, представляват значително предизвикателство за традиционните процеси на обработка.
За да се преодолее това производствено предизвикателство, тази статия се фокусира върху свойствата на материала на 35CD4 и изискванията на процеса на цилиндричните части и провежда изследвания върху процесите на икономична обработка. Чрез поредица от мерки, включително оптимизиране на дизайна на процеса, подобряване на избора на инструмент и регулиране на параметрите на обработка, ключови проблеми като деформация при обработка и отклонения в размерите бяха системно решени, което доведе до стабилно и надеждно решение за масово производство.
Този документ систематично прави преглед на идеите за изследване и развитие и процеса на проверка на тази технология, като има за цел да предостави техническа справка за обработката на подобни аерокосмически прецизни части.
ЧАСТ 2
Характеристики на процеса на аерокосмически прецизни цилиндрични части
Определена аерокосмическа прецизна цилиндрична част, произведена от нашата компания, е направена от 35CD4 и нейната форма е показана на фигура 1. Тази част е част с неправилна форма, специалната й структура е склонна към деформация и дебелината на стената й е относително тънка. Допустимите отклонения за вътрешния отвор и външния кръг са строго задължителни, отворът на лагера при ухото е прецизен отвор, а детайлът има коси отвори вътре, което затруднява контрола на съответните допустими отклонения на размерите. Технологичните характеристики на тази цилиндрична част се отразяват главно в следните аспекти.
Фигура 1. Външна форма на цилиндричната част
2.1 Характеристики на материала
(1) Метални характеристики
Легираната стомана с висока -якост 35CD4 е често използвана средно{3}}въглеродно-никелова-хром-молибденова стомана в космическата индустрия. Нейният химичен състав е показан в таблица 1. В сравнение с други метали, тази стомана има уникални предимства в химичните, физичните и механичните свойства.
Таблица 1. Сплавни елементи и параметри на 35CD4 (химичен състав)
(2) Материални характеристики на 35CD4
Включете основно следните четири точки:
① Висока якост. Тъй като е ниско-въглеродна, ниско-легирана стомана, тя има по-висока якост от не-легираната стомана, поради което се нарича „ниско-легирана стомана с висока-якост“.
② Висока граница на провлачване. Неговата граница на провлачване е по-висока от тази на не-легираната стомана. При същото натоварване теглото на частите, изработени от този материал, може да бъде намалено с 20% до 30%.
③ Добра пластичност и издръжливост. Съотношението на легираните елементи е относително ниско, което придава на материала както добра пластичност, така и здравина. ④ Висока закаляемост. Съставът на сплавта съдържа елементи като никел, хром и молибден, които могат да поддържат преохладения аустенит на стоманата много стабилен. Мартензитни и бейнитни структури могат да бъдат получени чрез закаляване с въздух.
(3) Характеристики на обработката на материала. Този материал обикновено има две състояния на топлинна обработка: нормализиране + темпериране и закаляване + темпериране. Твърдостта, съответстваща на тези две състояния, е показана в таблица 2.
Таблица 2 Твърдост на материала
Както може да се види от таблица 2, твърдостта и якостта на опън на този материал са на високо ниво. Освен това е богат на елементи като хром и манган. Тези фактори заедно го правят труден за обработка и той е типичен труден за-обработване-материал. Специфичните трудности при обработката са както следва:
1) Висока сила на рязане. Материалът има висока твърдост и якост, висока атомна плътност и сила на свързване, както и отлична якост на счупване и дълготрайна-пластичност. По време на процеса на рязане не само силата на рязане е голяма, но и силата на рязане също се колебае значително [2].
2) Висока температура на рязане. Деформацията на рязане консумира много енергия и генерира много топлина. Голямо количество топлина при рязане се концентрира в зоната на рязане, образувайки високо-температурна среда.
3) Висока склонност към втвърдяване при работа. Материалът показва добра пластичност и здравина, с висок коефициент на укрепване. Под комбинираното въздействие на силата на рязане и топлината на рязане, той претърпява сериозна пластична деформация, което води до втвърдяване при работа. Едновременно с това топлината на рязане кара материала да абсорбира водородни, кислородни и азотни атоми от околната среда, образувайки твърд и крехък повърхностен слой, което допълнително увеличава трудността на рязането.
4) Силно износване на инструмента. Високите сили на рязане и температури по време на рязане засилват триенето между инструмента и стружките, а материалът на инструмента е предразположен към афинитетни взаимодействия с материала на детайла. В комбинация с наличието на твърди частици в материала и силното втвърдяване при работа, инструментът е силно податлив на адхезивно износване, дифузионно износване, абразивно износване, гранично износване и набраздено износване по време на рязане, като в крайна сметка губи своята режеща способност.
5) Трудно боравене с чипове. Високата якост, пластичност и издръжливост на материала водят до подобни на ленти, заплетени стърготини по време на рязане, което създава опасност за безопасността, възпрепятства процеса на рязане и причинява драскотини по повърхността на детайла, което затруднява изпълнението на изискванията за грапавост на повърхността.
6) Голяма деформация при рязане. Високите температури на рязане и високата пластичност на материала по време на обработка лесно водят до термична деформация, което затруднява гарантирането на точни размери и форми.
(4) Схема за обработка на материала За да се гарантира, че суровините могат напълно да завършат обработката за охлаждане и темпериране, заготовката за изковаване трябва да бъде грубо-обработена преди топлинна обработка, за да се гарантира, че дебелината на стената на всяко напречно-сечение е<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.
Фигура 2: Празно
Фигура 3: Грубо-обработена форма
2.2 Характеристики на процеса Тази част има няколко изисквания за висока-прецизност на размерите. Трябва да се проектира стабилен и надежден поток на процеса чрез цялостно отчитане на всички прецизни параметри на размерите, за да се гарантира качеството на продукта. Основните прецизни размери на частта са показани на фигура 4.
Фигура 4: Основни прецизни размери на частта
(1) Прецизен външен диаметър Прецизният външен диаметър на порта е mm, с ширина на зоната на толеранс от само 0,022 mm; размерът на вътрешния отвор е φ83,37 mm, съответстващ на дебелина на стената от 2,81 mm. Това изискване за толеранс на размерите е строго, стената на частта е тънка и трудността на обработката е изключително висока. (2) Прецизен вътрешен отвор: Прецизният вътрешен отвор е с диаметър φ mm и толеранс от 0,04 mm. Изискването за коаксиалност на този вътрешен отвор спрямо външния кръг е φ0,04 mm, изискването за цилиндричност е φ0,02 mm, а дълбочината на отвора е 287,5 mm.
(3) Удължен наклонен отвор: Както е показано на Фигура 5, наклоненият отвор, разположен в позицията на ухото на частта, има диаметър mm и ъгъл от 45 градуса спрямо оста на частта. Когато обработвате този отвор, шпинделът на машинния инструмент трябва да се регулира под ъгъл от 45 градуса спрямо детайла. За да се избегне смущението между инструмента и приспособлението, е необходима конструкция с дълъг надвес за обработващия инструмент, което е основно предизвикателство при обработката на тази част.
Фигура 5: Удължен наклонен отвор и лагерен отвор
(4) Лагерен отвор: Както е показано на фигура 5, лагерният отвор на ухото има диаметър mm. Този отвор може да се обработва само от лявата крайна страна на детайла. Надвесът на инструмента е голям и изискването за толеранс на диаметъра е строго, което затруднява гарантирането на точност на размерите. 2.3 Специални процеси
В допълнение към горните изисквания за обработка, тази част изисква няколко специални стъпки за обработка, както следва:
1) Прострелване. Зоната на дробестерояване е външният диаметър на детайла, но частта с външен диаметър с диаметър φmm трябва да се избягва. Строго е забранено дробестене на вътрешния отвор.
2) Хромиране. Областта на хромиране е вътрешният отвор с диаметър φmm. Дебелината на слоя хром трябва да се контролира между 20 и 25 μm.
3) Кадмиево покритие. Зоната на кадмиево покритие е всички повърхности с изключение на зоната на хромиране.
4) Боядисване. Зоната на боядисване е външният диаметър на детайла, но частта с външен диаметър с диаметър φmm трябва да се избягва.
ЧАСТ 3
Проектиране на процеса на обработка на прецизен цилиндър за самолети
Въз основа на анализа на свойствата на материала, прецизните размери и специалните процеси на тази част на цилиндъра, планът на процеса е показан в таблица 3.
Таблица 3 План на процеса
ЧАСТ 4
Проверка на процеса на обработка на прецизни цилиндри на самолети
4.1 Завършване на външния диаметър на ухото
Материалът 35CD4 има силна адхезия, което затруднява счупването на стружки по време на обработка. Когато се използват по-ниски параметри на обработка, върху челната повърхност на детайла се появяват дълбоки следи от рязане, което води до разкъсан вид на повърхностния материал. За да се реши този проблем, външните параметри на струговане трябва да бъдат коригирани. Специфичните параметри за оптимизация са показани в таблица 4. Чрез оптимизацията на параметрите се елиминират следите от рязане по челната повърхност на детайла, обработената челна повърхност е гладка и качеството на обработка остава постоянно от центъра до ръба. Оптимизираното състояние на челната повърхност е показано на фигура 6.
Таблица 4 Оптимизиране на параметъра за завъртане на крайната повърхност
Фигура 6 Състояние на детайла след завъртане на крайната повърхност
4.2 Прецизно струговане с външен диаметър
14-тата CNC операция на струговане е ключов процес при обработката на тази част. Тази операция използва само-центриращ се патронник и централна опора за поддържане на външния диаметър. Специфичните изисквания за машинна обработка са показани на Фигура 7. Толерансът на прецизния външен диаметър на частта е 0,024 mm и обработката трябва да се извърши на три етапа. Специфичните параметри на обработка са показани в таблица 5. Поради високия вискозитет на материала е необходима остра външна въртяща се вложка. Предпочитаният радиус на върха на вложката е R0,2 mm. Ако радиусът на върха на вложката е твърде голям, изискванията за грапавост на повърхността на детайла не могат да бъдат гарантирани.
Фигура 7 Изисквания за процеса на струговане с ЦПУ Таблица 5 Оптимизиране на външните параметри на струговане След завършване външният диаметър на детайла е 88,85~88,89 mm, което надвишава изискванията на чертежа. Преди да откриете основната причина, единственият начин да коригирате размера е да оставите граница върху външния диаметър и след това да го полирате ръчно. След анализ, закръглеността на външния диаметър, поддържана от централната опора по време на затягане, ще окаже значително влияние върху изтичането на въртене на детайла [3]. При високите изисквания за толерантност на точността това въздействие е особено забележимо. Беше измерен външният диаметър на затягане на частта с извън-от-допуск и промяната на закръглеността му беше 0,020~0,035 mm, което в общи линии съответства на флуктуацията на извън-от{-толеранс на външния диаметър на частта. За да се реши този проблем, е необходимо да се оптимизират и коригират техническите изисквания на референтния процес. В процеса на външно струговане на 11-ия процес, ясно се изисква заоблеността на външния диаметър да се контролира в рамките на 0,01 mm. Специфичните изисквания за подобрение са показани на Фигура 8. След добавяне на изисквания за контрол на заоблеността към 11-ия процес, стабилността на размерите на струговането на външния диаметър в 14-ия процес беше значително подобрена. Диапазонът на колебание на външния диаметър беше намален до 88,865–88,875 mm, а деформацията можеше да се контролира в рамките на 0,01 mm. Не са необходими местни корекции от оператора, за да се гарантира, че толерансът на външния диаметър отговаря на изискванията. Тестовете за стабилност потвърдиха, че един връх на режещ инструмент може стабилно да обработва четири части; въпреки това, точността на размерите не може да бъде гарантирана след износване на инструмента.
Фигура 8: Изисквания за подобряване на базовия процес
4.3 Подобряване на долната повърхност на вътрешния отвор
По време на процеса на струговане с ЦПУ в 14-ия процес се появи дефект на обработка в долната част на детайла, проявяващ се като остатъчна издатина с диаметър 1 mm и височина 0,3 mm, както е показано на Фигура 9. Първоначалният план за обработка беше да се използва плоска-фреза за премахване на долния излишък, след това да се използва пробивен инструмент с голям-диаметър за пробиване на отвора и накрая да се подравни долната повърхност. При премахване на долния резерв с помощта на фреза, биенето на инструмента трябва да се контролира в рамките на 0,01 mm. Въпреки това, поради малката фаска в долната част на плоската-фреза, дъното на детайла не може да бъде обработено до плоско състояние. Плоската{11}}фреза е показана на фигура 10.
Фигура 9: Долен дефект
Фигура 10: Фреза с плосък край
За да се реши този проблем, схемата за обработка беше оптимизирана чрез замяна на дъното с пробивна фреза с малък-диаметър, както е показано на фигура 11. Тестовете за обработка доказаха, че използването на пробивна фреза за пробиване на дъното напълно елиминира дефекта на главината.
Фигура 11: Добавена пробиваща фреза
4.4 Оптимизиране на завъртането на вътрешния отвор
По време на 14-тата операция на струговане с ЦПУ вътрешното пробиване на отвора оставя 0,05 mm резерв от едната страна за последващо хонинговане. Въпреки това, след пробиване във вътрешния отвор се появиха различни качествени дефекти. Видовете и пропорциите на дефектите са показани в таблица 6. Тези дефекти представляват значителен риск за последващия процес на хонинговане.
Таблица 6. Видове дефекти и проценти
Анализът разкрива три основни причини за гореспоменатите дефекти: Първо, диаметърът на инструмента за вътрешно пробиване е твърде малък, което води до недостатъчна твърдост на инструмента и нестабилни размери на отвора след пробиване. Второ, материалът има висок вискозитет, което води до нестабилно рязане и лошо чупене на стружки при използване на традиционни параметри за довършителни работи, като стружки се въртят наоколо и драскат стената на отвора. Трето, скоростта на рязане е твърде ниска, не отговаря на изискванията за точност на размерите и грапавост на повърхността.
За да се справят с тези проблеми, бяха приложени следните мерки за оптимизация: Първо, заменете инструмента за вътрешно пробиване с такъв с по-голям диаметър, за да подобрите твърдостта на инструмента; оптимизираният пробивен инструмент е показан на Фигура 12. Второ, увеличете скоростта на рязане, за да увеличите дълбочината на рязане при окончателната обработка. Трето, оптимизирайте вътрешната охладителна система, за да позволите на режещата течност да действа директно върху върха на инструмента за пробиване. Сравнение на оптимизациите на инструментите е показано в таблица 7.
Фигура 12 Оптимизиран инструмент за пробиване
Таблица 7 Сравнение на инструмента за оптимизиране
4.5 Оптимизиране на разширен наклонен отвор
При 13-та операция, хоризонтално фрезоване на удължения наклонен отвор, първоначалният план беше: използване на удължена фреза с φ6 mm за увеличаване на отвора до φ7,3 mm, действителният диаметър на отвора след обработка беше 7,1 ~ 7,2 mm, с колебание на размерите от 0,1 mm; след регулиране на програмата за фрезоване до φ7.5mm, диаметърът на отвора беше 7.35~7.42mm, а колебанията бяха намалени до 0.07mm; накрая, райбер с права опашка беше използван за довършване, диаметърът на отвора беше 7,62~7,69 мм, а размерите бяха изключително нестабилни.
При първата оптимизация райберът беше заменен с пробивен инструмент и диаметърът на отвора след обработката беше 7,60~7,72 mm, надвишавайки изискванията за толеранс и причинявайки бракуването на частта. Окончателният оптимизиран план беше: използвайки фреза с променлив-диаметър 7 mm за фрезоване на наклонени отвори, скоростта на преминаване на обработените части достигна 100%. Инструментът за обработка на разширени наклонени отвори е показан на фигура 13.
a) Челна фреза с права дръжка b) Райбер с права дръжка c) Пробивна фреза d) Челна фреза с променлив диаметър Фигура 13 Инструменти за обработка на удължени коси отвори
4.6 Подобряване на обработката на лагерни отвори
В 13-ия процес на обработка на отвора на лагера изискването за диаметър на отвора е mm. Първоначалният план беше: използвайте челна фреза φ20 mm за фрезоване до φ34,4 mm и след това използвайте бормашина за пробиване до крайния размер. След обработката обаче се появиха следи от вибрации по стената на отвора, които не можаха да бъдат разрешени след множество настройки на параметрите. Инструментите за обработка са показани на фигура 14.
a) Пробивна фреза b) Челна фреза Фигура 14 Инструменти за обработка на отвори за лагери
4.7 Въздействие на дробестерола върху частите
Първоначалният план за прецизна обработка на отвора беше: CNC струговане и прецизно пробиване на вътрешния отвор с 0,05 мм надбавка от едната страна, хонинговане, за да се осигури толеранс на диаметъра на отвора от 0,02 мм и цилиндричност от 0,02 мм, и накрая дробно уплътняване на външния диаметър на детайла. Въпреки това, дробестероят причинява деформация на вътрешния отвор на детайла, като диаметърът се увеличава с 0,015–0,025 mm в аксиално централно положение. Някои части надхвърлиха горната граница на толеранс и бяха бракувани.
За да се реши този проблем, последователността на процеса беше коригирана след консултация с клиента, като се постави хонинговане след ударно уплътняване. Деформацията на вътрешния отвор след дробестене беше приблизително 0,025 mm, което беше напълно покрито от 0,05 mm едностранно-дребно, запазено за хонинговане. След настройката толерансът на вътрешния диаметър на отвора след хонинговане може да се контролира в рамките на 0,010 mm, а цилиндричността в рамките на 0,015 mm, отговаряйки на изискванията за чертеж. Въздействието на дробестерола върху вътрешния отвор е показано в таблица 8.
Таблица 8 Въздействие на дробестерола върху вътрешния контрол на отворите (Единица: mm)
ЧАСТ 5
Заключение
Чрез множество кръгове на икономична оптимизация и подобрения по време на етапа на проверка на обработката, тази аерокосмическа прецизна цилиндрична част най-накрая постигна стабилно масово производство. Традиционният опит в обработката вече не е приложим за трудностите при обработката на 35CD4 материал. Необходими са множество мерки, като оптимизиране на процесите, оптимизиране на избора на инструменти и оптимизиране на параметрите на обработка, за да се преодолеят предизвикателствата при обработката [4]. 35CD4 стоманата с висока-якост има отлична производителност, но носи и по-високи предизвикателства при обработката. В действителното производство е необходимо да се изберат конкретно модели инструменти и да се формулират разумни параметри на обработка. С развитието на нововъзникващите технологии за обработка, трудността при обработката на такива трудни-за-машинна обработка материали постепенно ще намалява и съответният опит в обработката трябва непрекъснато да се обобщава и натрупва. В допълнение, процесът на дробестене има необратимо въздействие върху прецизните размери на частите, което показва, че проектирането на процеса е систематичен проект. Подредбата на процеса трябва да следва логически правила и да отчита напълно взаимното влияние между всеки процес, за да се формулира научен и разумен план за обработка [5] и да се постигне ефективно производство, като същевременно се гарантира качеството на продукта.
