Stal o wysokiej-wytrzymałości 35CD4 jest szeroko stosowana w precyzyjnych cylindrycznych częściach przemysłu lotniczego ze względu na jej doskonałe właściwości użytkowe, ale wiąże się z problemami technicznymi, takimi jak wysoka twardość, duże trudności w skrawaniu, łatwe odkształcanie-części cienkościennych i rygorystyczne wymagania dotyczące tolerancji. W odpowiedzi na te trudności techniczne opracowano schemat obróbki odchudzonej obejmujący wiele procesów, łącząc właściwości materiału z precyzyjnymi wymiarami i specjalnymi wymaganiami procesowymi części. Optymalizując parametry i narzędzia kluczowych ogniw, takich jak toczenie zewnętrzne, wytaczanie wewnętrzne, obróbka otworów ukośnych i otworów łożyskowych w procesie obróbki oraz dostosowując kolejność śrutowania i honowania, rozwiązano problemy takie jak deformacje obróbki i odchyłki wymiarowe. Wreszcie udało się osiągnąć stabilną masową produkcję części, a odpowiedni proces może stanowić punkt odniesienia dla obróbki precyzyjnych części z--trudnych do cięcia materiałów.
CZĘŚĆ 1
Wstęp
Przełom w wydajności sprzętu lotniczego w dużym stopniu zależy od dokładności obróbki i niezawodności podstawowych komponentów[1]. Stal-o wysokiej wytrzymałości 35CD4 stała się idealnym materiałem na precyzyjne cylindryczne części przemysłu lotniczego ze względu na jej doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość i wysoka hartowność. Jednakże duża siła skrawania i znaczna tendencja do utwardzania przez zgniot tego materiału, w połączeniu z nieregularnym i łatwo odkształcalnym kształtem oraz rygorystycznymi tolerancjami precyzyjnych wymiarów części cylindrycznych, stanowią istotne wyzwanie dla tradycyjnych procesów obróbki.
Aby przezwyciężyć to wyzwanie produkcyjne, w artykule skupiono się na właściwościach materiałowych 35CD4 i wymaganiach procesowych części cylindrycznych, a także przeprowadzono badania nad procesami obróbki skrawaniem typu Lean. Poprzez szereg działań, w tym optymalizację projektu procesu, poprawę doboru narzędzi i dostosowanie parametrów obróbki, systematycznie rozwiązywano kluczowe problemy, takie jak odkształcenia podczas obróbki i odchylenia wymiarowe, co doprowadziło do stabilnego i niezawodnego rozwiązania do produkcji masowej.
W artykule dokonano systematycznego przeglądu pomysłów badawczo-rozwojowych oraz procesu weryfikacji tej technologii, mając na celu dostarczenie odniesienia technicznego do obróbki podobnych precyzyjnych części lotniczych.
CZĘŚĆ 2
Charakterystyka procesu precyzyjnych części cylindrycznych w przemyśle lotniczym
Pewna precyzyjna część cylindryczna dla lotnictwa i kosmonautyki produkowana przez naszą firmę jest wykonana z 35CD4, a jej kształt pokazano na rysunku 1. Ta część jest częścią o nieregularnym kształcie, jej specjalna konstrukcja jest podatna na odkształcenia, a jej grubość ścianki jest stosunkowo cienka. Tolerancje otworu wewnętrznego i koła zewnętrznego są ściśle wymagane, otwór łożyska w uchu jest otworem precyzyjnym, a część ma wewnątrz ukośne otwory, co utrudnia kontrolę powiązanych tolerancji wymiarowych. Charakterystyka technologiczna tej cylindrycznej części znajduje odzwierciedlenie głównie w następujących aspektach.
Rysunek 1. Kształt zewnętrzny części cylindrycznej
2.1 Charakterystyka materiału
(1) Właściwości metaliczne
Stal stopowa o wysokiej-wytrzymałości 35CD4 jest powszechnie stosowaną stalą średnio-węglowo-niklową-chromową-molibdenową w przemyśle lotniczym. Jej skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. W porównaniu z innymi metalami stal ta ma wyjątkowe zalety pod względem właściwości chemicznych, fizycznych i mechanicznych.
Tabela 1. Składniki stopu i parametry 35CD4 (skład chemiczny)
(2) Charakterystyka materiału 35CD4
Obejmują głównie następujące cztery punkty:
① Wysoka wytrzymałość. Ponieważ jest to stal nisko-niskostopowa-, ma wyższą wytrzymałość niż-stal niestopowa, dlatego nazywa się ją „stalą nisko-wysokostopową-”.
② Wysoka granica plastyczności. Jej granica plastyczności jest wyższa niż-stali niestopowej. Przy tym samym obciążeniu ciężar części wykonanych z tego materiału można zmniejszyć o 20% do 30%.
③ Dobra plastyczność i wytrzymałość. Udział pierwiastków stopowych jest stosunkowo niski, co zapewnia materiałowi zarówno dobrą plastyczność, jak i wytrzymałość. ④ Wysoka hartowność. Skład stopu zawiera pierwiastki takie jak nikiel, chrom i molibden, które mogą utrzymać wysoką stabilność przechłodzonego austenitu stali. Struktury martenzytu i bainitu można otrzymać poprzez hartowanie w powietrzu.
(3) Charakterystyka przetwarzania materiału. Materiał ten ma na ogół dwa stany obróbki cieplnej: normalizowanie + odpuszczanie i hartowanie + odpuszczanie. Twardość odpowiadającą tym dwóm stanom przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2 Twardość materiału
Jak widać z tabeli 2, twardość i wytrzymałość na rozciąganie tego materiału są na wysokim poziomie. Jest również bogaty w pierwiastki takie jak chrom i mangan. Czynniki te razem sprawiają, że jest on trudny w obróbce i jest to typowy materiał-trudny-obrabialny. Specyficzne trudności w przetwarzaniu są następujące:
1) Wysoka siła skrawania. Materiał ma wysoką twardość i wytrzymałość, dużą gęstość atomową i siłę wiązania, a także doskonałą odporność na pękanie i-długoterminową plastyczność. Podczas procesu skrawania siła skrawania jest nie tylko duża, ale także ulega znacznym wahaniom [2].
2) Wysoka temperatura cięcia. Odkształcenie podczas cięcia zużywa dużo energii i generuje dużo ciepła. Duża ilość ciepła skrawania koncentruje się w strefie skrawania, tworząc środowisko o wysokiej-temperaturze.
3) Wysoka tendencja do utwardzania przez zgniot. Materiał charakteryzuje się dobrą plastycznością i wytrzymałością, przy wysokim współczynniku wzmocnienia. Pod wpływem połączonego działania siły skrawania i ciepła skrawania ulega silnemu odkształceniu plastycznemu, prowadzącemu do umocnienia przez zgniot. Jednocześnie ciepło cięcia powoduje, że materiał pochłania atomy wodoru, tlenu i azotu z otaczającego ośrodka, tworząc twardą i kruchą warstwę powierzchniową, co dodatkowo zwiększa trudność cięcia.
4) Poważne zużycie narzędzia. Wysokie siły skrawania i temperatury podczas skrawania zwiększają tarcie pomiędzy narzędziem a wiórami, a materiał narzędzia jest podatny na oddziaływania powinowactwa z materiałem przedmiotu obrabianego. W połączeniu z obecnością twardych cząstek w materiale i dużym umocnieniem przez zgniot, narzędzie jest bardzo podatne na zużycie adhezyjne, zużycie dyfuzyjne, zużycie ścierne, zużycie graniczne i zużycie rowkowe podczas skrawania, ostatecznie tracąc zdolność skrawania.
5) Trudna obsługa wiórów. Wysoka wytrzymałość, plastyczność i udarność materiału powodują, że podczas cięcia- tworzą się splątane wióry przypominające wstążkę, co stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa, utrudnia proces cięcia i powoduje zadrapania na powierzchni części, co utrudnia spełnienie wymagań dotyczących chropowatości powierzchni.
6) Duże odkształcenie cięcia. Wysokie temperatury skrawania i duża plastyczność materiału podczas obróbki łatwo prowadzą do odkształceń termicznych, co utrudnia zapewnienie precyzyjnych wymiarów i kształtów.
(4) Schemat przetwarzania materiału Aby mieć pewność, że surowce zostaną w pełni poddane hartowaniu i odpuszczaniu, przed obróbką cieplną półfabrykat do odkuwki musi zostać poddany zgrubnej-obróbce mechanicznej, aby zapewnić grubość ścianki każdego-przekroju poprzecznego<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.
Rysunek 2: Puste
Rysunek 3: Kształt-obrobiony maszynowo
2.2 Charakterystyka procesu Ta część ma kilka wymagań dotyczących-wysokiej precyzji wymiarowej. Aby zapewnić jakość produktu, należy zaprojektować stabilny i niezawodny przebieg procesu, kompleksowo uwzględniając wszystkie precyzyjne parametry wymiarowe. Główne dokładne wymiary części pokazano na rysunku 4.
Rysunek 4: Główne dokładne wymiary części
(1) Precyzyjna średnica zewnętrzna Dokładna średnica zewnętrzna w porcie wynosi mm, a szerokość strefy tolerancji wynosi tylko 0,022 mm; rozmiar otworu wewnętrznego wynosi φ83,37 mm, co odpowiada grubości ścianki 2,81 mm. Ten wymóg tolerancji wymiarowej jest rygorystyczny, ścianka części jest cienka, a trudność obróbki jest niezwykle wysoka. (2) Precyzyjny otwór wewnętrzny: Precyzyjny otwór wewnętrzny ma średnicę φ mm i tolerancję 0,04 mm. Wymagana współosiowość tego otworu wewnętrznego względem koła zewnętrznego wynosi φ0,04 mm, wymagana cylindryczność wynosi φ0,02 mm, a głębokość otworu wynosi 287,5 mm.
(3) Rozszerzony ukośny otwór: Jak pokazano na rysunku 5, ukośny otwór znajdujący się w miejscu ucha części ma średnicę mm i kąt 45 stopni z osią części. Podczas obróbki tego otworu wrzeciono obrabiarki należy ustawić pod kątem 45 stopni względem części. Aby uniknąć kolizji pomiędzy narzędziem a uchwytem, wymagana jest konstrukcja narzędzia obróbkowego z długim wysięgiem, co stanowi główne wyzwanie w obróbce tej części.
Rysunek 5: Rozszerzony ukośny otwór i otwór pod łożysko
(4) Otwór łożyska: Jak pokazano na rysunku 5, otwór łożyska w uchu ma średnicę mm. Otwór ten można obrobić tylko od lewej strony czołowej części. Wysięg narzędzia jest duży, a wymagania dotyczące tolerancji średnicy są rygorystyczne, co utrudnia zagwarantowanie dokładności wymiarowej.. 2.3 Procesy specjalne
Oprócz powyższych wymagań dotyczących przetwarzania, ta część wymaga kilku specjalnych etapów przetwarzania, jak następuje:
1) Śrutowanie. Obszar śrutowania to zewnętrzna średnica części, ale należy unikać części średnicy zewnętrznej o średnicy φmm. Śrutowanie otworu wewnętrznego jest surowo zabronione.
2) Chromowanie. Obszarem chromowania jest otwór wewnętrzny o średnicy φmm. Grubość warstwy chromu musi być kontrolowana w zakresie od 20 do 25 μm.
3) Kadmowanie. Obszar powlekania kadmem obejmuje wszystkie powierzchnie z wyjątkiem obszaru powlekania chromem.
4) Malowanie. Obszar malowania to zewnętrzna średnica części, ale należy unikać części zewnętrznej średnicy o średnicy φmm.
CZĘŚĆ 3
Projekt procesu precyzyjnej obróbki cylindrów samolotu
Na podstawie analizy właściwości materiału, dokładnych wymiarów i procesów specjalnych tej części cylindra plan procesu przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3 Plan procesu
CZĘŚĆ 4
Weryfikacja procesu precyzyjnej obróbki cylindrów samolotów
4.1 Wykończenie zewnętrznej średnicy ucha
Materiał 35CD4 charakteryzuje się dużą przyczepnością, co utrudnia łamanie wiórów podczas obróbki. W przypadku stosowania niższych parametrów obróbki na powierzchni czołowej części pojawiają się głębokie ślady cięcia, co powoduje rozdarcie materiału powierzchniowego. Aby rozwiązać ten problem, należy dostosować parametry obróbki toczenia zewnętrznego. Konkretne parametry optymalizacji przedstawiono w tabeli 4. Dzięki optymalizacji parametrów ślady cięcia na powierzchni czołowej części są eliminowane, obrobiona powierzchnia czołowa jest gładka, a jakość obróbki pozostaje stała od środka do krawędzi. Zoptymalizowany stan powierzchni czołowej pokazano na rysunku 6.
Tabela 4 Optymalizacja parametrów toczenia powierzchni czołowej
Rysunek 6 Stan części po toczeniu wykańczającym powierzchnię czołową
4.2 Precyzyjne toczenie na średnicy zewnętrznej
Kluczowym procesem w obróbce tej części jest 14. operacja toczenia CNC. W tej operacji wykorzystuje się-uchwyt samocentrujący i podpórkę środkową podtrzymującą średnicę zewnętrzną. Specyficzne wymagania dotyczące obróbki przedstawiono na rysunku 7. Dokładna tolerancja średnicy zewnętrznej części wynosi 0,024 mm, a obróbkę należy przeprowadzić w trzech etapach. Specyficzne parametry obróbki przedstawiono w tabeli 5. Ze względu na dużą lepkość materiału wymagana jest ostra płytka do toczenia zewnętrznego. Preferowany promień końcówki płytki wynosi R0,2 mm. Jeśli promień końcówki płytki jest zbyt duży, nie można zagwarantować spełnienia wymagań dotyczących chropowatości powierzchni części.
Rysunek 7 Wymagania dla procesu toczenia CNC Tabela 5 Optymalizacja parametrów toczenia zewnętrznego Po wykończeniu średnica zewnętrzna części wynosi 88,85 ~ 88,89 mm, co przekracza wymagania rysunku. Jedynym sposobem na dopasowanie rozmiaru przed znalezieniem przyczyny jest pozostawienie marginesu na średnicy zewnętrznej i następnie ręczne wypolerowanie. Po analizie stwierdzono, że okrągłość średnicy zewnętrznej podpartej przez podpórkę podczas mocowania będzie miała istotny wpływ na bicie obrotowe części [3]. W przypadku wymagań dotyczących wysokiej precyzji tolerancji wpływ ten jest szczególnie widoczny. Zmierzono zewnętrzną średnicę zaciskową części poza-tolerancją, a zmiana jej okrągłości wyniosła 0,020–0,035 mm, co jest w zasadzie zgodne z wahaniami-poza-tolerancją zewnętrznej średnicy części. Aby rozwiązać ten problem, konieczna jest optymalizacja i korekta wymagań technicznych procesu referencyjnego. W procesie toczenia zewnętrznego w procesie 11 wyraźnie wymagane jest, aby okrągłość średnicy zewnętrznej była kontrolowana w granicach 0,01 mm. Konkretne wymagania dotyczące ulepszeń przedstawiono na rysunku 8. Po dodaniu wymagań dotyczących kontroli okrągłości do 11. procesu, stabilność wymiarowa toczenia na średnicy zewnętrznej w 14. procesie uległa znacznej poprawie. Zakres wahań średnicy zewnętrznej zmniejszono do 88,865–88,875 mm, a kontrolę odkształcenia można było uzyskać w zakresie 0,01 mm. Operator nie wymagał żadnych lokalnych regulacji, aby zapewnić, że tolerancja średnicy zewnętrznej spełnia wymagania. Testy stabilności potwierdziły, że pojedyncza końcówka narzędzia tnącego może stabilnie obrabiać cztery części; jednakże po zużyciu narzędzia nie można zagwarantować dokładności wymiarowej.
Rysunek 8: Wymagania dotyczące doskonalenia procesu bazowego
4.3 Udoskonalenie dolnej powierzchni otworu wewnętrznego
Podczas procesu toczenia CNC w 14. procesie na dole części pojawił się defekt obróbki, objawiający się resztkowym występem o średnicy 1 mm i wysokości 0,3 mm, jak pokazano na rysunku 9. Początkowy plan obróbki zakładał użycie płaskiego-frezowca walcowo-czołowego w celu usunięcia dolnego nadmiaru, następnie użycie narzędzia wytaczarskiego o dużej-średnicy do wywiercenia otworu i na koniec wyrównanie dolnej powierzchni. Przy usuwaniu naddatku za pomocą frezu należy kontrolować bicie narzędzia z dokładnością do 0,01 mm. Jednak ze względu na mały skos w dolnej części frezu-płaskiego, spód części nie może zostać obrobiony do stanu płaskiego. Frez płaski- pokazano na rysunku 10.
Rysunek 9: Wada dolna
Rysunek 10: Frez-płaski
Aby rozwiązać ten problem, schemat obróbki został zoptymalizowany poprzez zastąpienie dna frezem wytaczarskim-o małej średnicy, jak pokazano na rysunku 11. Testy obróbki wykazały, że użycie wytaczadła do wytaczania dna całkowicie eliminuje defekt piasty.
Rysunek 11: Dodano wytaczadło
4.4 Optymalizacja toczenia otworu wewnętrznego
Podczas 14. operacji toczenia CNC wytaczanie otworu wewnętrznego pozostawia po jednej stronie naddatek 0,05 mm do późniejszego honowania. Jednak po wytaczaniu w otworze wewnętrznym pojawiły się różne wady jakościowe. Rodzaje i proporcje wad przedstawiono w tabeli 6. Wady te stanowią istotne ryzyko dla późniejszego procesu honowania.
Tabela 6. Rodzaje i wartości procentowe defektów
Analiza ujawniła trzy główne przyczyny powyższych wad: Po pierwsze, średnica narzędzia do wytaczania wewnętrznego była zbyt mała, co skutkowało niewystarczającą sztywnością narzędzia i niestabilnymi wymiarami otworu po wytaczaniu. Po drugie, materiał miał wysoką lepkość, co prowadziło do niestabilnego skrawania i słabego łamania wiórów przy stosowaniu tradycyjnych parametrów wykańczania, a wióry wirowały i rysowały ściankę otworu. Po trzecie, prędkość skrawania była zbyt niska i nie spełniała wymagań dotyczących dokładności wymiarowej części i chropowatości powierzchni.
Aby rozwiązać te problemy, wdrożono następujące działania optymalizacyjne: Po pierwsze, należy wymienić narzędzie do wytaczania wewnętrznego na narzędzie o większej średnicy, aby poprawić sztywność narzędzia; zoptymalizowane narzędzie wytaczarskie pokazano na rysunku 12. Po drugie, zwiększ prędkość skrawania, aby zwiększyć głębokość skrawania podczas obróbki wykańczającej. Po trzecie, zoptymalizuj wewnętrzny układ chłodzenia, aby umożliwić bezpośrednie działanie chłodziwa na końcówkę narzędzia wytaczarskiego. Porównanie optymalizacji narzędzi przedstawiono w tabeli 7.
Rysunek 12 Zoptymalizowane narzędzie do wytaczania
Tabela 7 Porównanie optymalizacji narzędzi
4.5 Optymalizacja wydłużonego otworu skośnego
W 13. operacji, poziomego frezowania wydłużonego, ukośnego otworu, początkowy plan był następujący: użycie frezu wydłużonego φ6mm w celu powiększenia otworu do φ7,3mm, rzeczywista średnica otworu po obróbce wynosiła 7,1~7,2mm, przy wahaniach wymiarowych 0,1mm; po dostosowaniu programu do frezowania na φ7,5mm średnica otworu wynosiła 7,35~7,42mm, a wahania zmniejszono do 0,07mm; ostatecznie do wykańczania użyto rozwiertaka z chwytem prostym, średnica otworu wynosiła 7,62 ~ 7,69 mm, a wymiary były wyjątkowo niestabilne.
W pierwszej optymalizacji rozwiertak zastąpiono wytaczadłem, a średnica otworu po obróbce wyniosła 7,60 ~ 7,72 mm, przekraczając wymagania tolerancji i powodując złomowanie części. Ostateczny zoptymalizowany plan był następujący: przy użyciu frezu o zmiennej-średnicy 7 mm do frezowania ukośnych otworów szybkość przejścia obrabianych części osiągnęła 100%. Narzędzie do obróbki rozszerzonych otworów skośnych pokazano na rysunku 13.
a) Frez trzpieniowy z chwytem prostym b) Rozwiertak z chwytem prostym c) Frez wytaczający d) Frez trzpieniowy o zmiennej średnicy Rysunek 13 Rozszerzone narzędzia do obróbki otworów ukośnych
4.6 Usprawnienie obróbki otworów łożyskowych
W 13. procesie obróbki otworu łożyska wymagana średnica otworu wynosi mm. Początkowy plan był taki: użyć frezu walcowo-czołowego φ20 mm do frezowania do φ34,4 mm, a następnie użyć wytaczadła do wytaczania do gotowego rozmiaru. Jednakże po obróbce na ściance otworu pojawiły się ślady wibracji, których nie udało się usunąć po wielokrotnej regulacji parametrów. Narzędzia obróbcze pokazano na rysunku 14.
a) Wytaczadło b) Frez palcowy Rysunek 14 Narzędzia do obróbki otworów łożyskowych
4.7 Wpływ śrutowania na części
Początkowy plan precyzyjnej obróbki otworów obejmował: toczenie CNC precyzyjne wytaczanie otworu wewnętrznego z naddatkiem 0,05 mm z jednej strony, honowanie w celu zapewnienia tolerancji średnicy otworu 0,02 mm i walcowości 0,02 mm, a na koniec śrutowanie zewnętrznej średnicy części. Jednakże śrutowanie spowodowało odkształcenie wewnętrznego otworu części, którego średnica wzrosła o 0,015–0,025 mm w osiowym położeniu środkowym. Niektóre części przekroczyły górną granicę tolerancji i zostały zezłomowane.
Aby rozwiązać ten problem, po konsultacji z klientem dostosowano kolejność procesu, umieszczając honowanie po śrutowaniu. Odkształcenie otworu wewnętrznego po śrutowaniu wyniosło około 0,025 mm i zostało całkowicie pokryte przez jednostronny-naddatek 0,05 mm zarezerwowany na honowanie. Po regulacji tolerancję średnicy otworu wewnętrznego po honowaniu można było kontrolować w zakresie 0,010 mm, a cylindryczność w granicach 0,015 mm, spełniając wymagania rysunku. Wpływ śrutowania na otwór wewnętrzny przedstawiono w tabeli 8.
Tabela 8 Wpływ śrutowania na kontrolę otworu wewnętrznego (jednostka: mm)
CZĘŚĆ 5
Wniosek
Dzięki wielu rundom optymalizacji i udoskonaleń na etapie weryfikacji przetwarzania ta precyzyjna część cylindryczna dla przemysłu lotniczego w końcu osiągnęła stabilną produkcję masową. Tradycyjne doświadczenie w przetwarzaniu nie ma już zastosowania w przypadku trudności w przetwarzaniu materiału 35CD4. Aby sprostać wyzwaniom związanym z przetwarzaniem, potrzeba wielu środków, takich jak optymalizacja procesu, optymalizacja wyboru narzędzi i optymalizacja parametrów przetwarzania. [4]. 35Wysokowytrzymała-stal CD4 charakteryzuje się doskonałymi parametrami użytkowymi, ale wiąże się również z większymi wyzwaniami w zakresie przetwarzania. W rzeczywistej produkcji konieczne jest konkretne dobranie modeli narzędzi i sformułowanie rozsądnych parametrów obróbki. Wraz z rozwojem nowych technologii przetwarzania trudność przetwarzania takich-trudnych-materiałów w obróbce będzie stopniowo zmniejszać się, dlatego konieczne będzie ciągłe podsumowywanie i gromadzenie odpowiedniego doświadczenia w zakresie przetwarzania. Dodatkowo proces śrutowania ma nieodwracalny wpływ na precyzję wymiarów części, co wskazuje, że projektowanie procesu jest projektem systematycznym. Układ procesów musi być zgodny z logicznymi regułami i w pełni uwzględniać wzajemne oddziaływanie każdego procesu, aby sformułować naukowy i rozsądny plan przetwarzania [5] oraz osiągnąć wydajną produkcję przy jednoczesnym zapewnieniu jakości produktu.
