35CD4 високоміцна-сталь широко використовується в точних циліндричних деталях аерокосмічної галузі завдяки її чудовим характеристикам, але вона має технічні труднощі, такі як висока твердість, висока складність різання, легка деформація тонкостінних-деталей і суворі вимоги допуску. У відповідь на ці технічні труднощі була розроблена схема економної обробки, яка охоплює кілька процесів, поєднуючи характеристики матеріалу з точними розмірами та спеціальними вимогами до процесу деталей. Завдяки оптимізації параметрів і інструментів ключових ланок, таких як зовнішнє точіння, внутрішнє розточування, обробка косих отворів і отворів під підшипник у процесі обробки, а також регулювання послідовності дробеструйної обробки та хонінгування, було вирішено такі проблеми, як деформація обробки та відхилення розмірів. Нарешті було досягнуто стабільне масове виробництво деталей, і відповідний процес може стати еталоном для обробки точних деталей із складних--різаних матеріалів.
ЧАСТИНА 1
вступ
Прорив у продуктивності аерокосмічного обладнання значною мірою залежить від точності обробки та надійності основних компонентів[1]. Високо{2}}сталь 35CD4 стала ідеальним матеріалом для точних циліндричних деталей аерокосмічної промисловості завдяки своїм чудовим характеристикам, таким як висока міцність і гарт. Однак висока сила різання та значна тенденція до зміцнення цього матеріалу в поєднанні з неправильною формою та легкою деформацією, а також суворими допусками на розміри циліндричних деталей створюють серйозну проблему для традиційних процесів механічної обробки.
Щоб подолати цю виробничу проблему, ця стаття зосереджується на властивостях матеріалу 35CD4 і вимогах до технологічних процесів циліндричних деталей, а також проводить дослідження процесів економної обробки. Завдяки низці заходів, включаючи оптимізацію розробки процесу, покращення вибору інструменту та налаштування параметрів обробки, ключові проблеми, такі як деформація обробки та відхилення розмірів, систематично вирішувалися, що призвело до стабільного та надійного рішення масового виробництва.
У цьому документі систематично розглядаються ідеї досліджень і розробок і процес перевірки цієї технології з метою надання технічної довідки для обробки подібних аерокосмічних точних деталей.
ЧАСТИНА 2
Технологічні характеристики циліндричних деталей аерокосмічної техніки
Певна аерокосмічна точна циліндрична деталь, виготовлена нашою компанією, виготовлена з 35CD4, і її форма показана на малюнку 1. Ця деталь є деталлю неправильної форми, її особлива структура схильна до деформації, а товщина її стінки відносно мала. Допуски для внутрішнього отвору та зовнішнього кола є суворо необхідними, отвір підшипника на виступі є точним отвором, а деталь має косі отвори всередині, що ускладнює контроль відповідних допусків на розміри. Технологічні характеристики цієї циліндричної деталі в основному відображаються в наступних аспектах.
Рисунок 1. Зовнішня форма циліндричної частини
2.1 Характеристики матеріалу
(1) Металеві характеристики
Високоміцна-легована сталь 35CD4 — це середньо{3}}вуглецева нікель-хром-молібденова сталь, яка широко використовується в аерокосмічній промисловості. Її хімічний склад наведено в таблиці 1. У порівнянні з іншими металами ця сталь має унікальні переваги в хімічних, фізичних і механічних властивостях.
Таблиця 1. Елементи сплаву та параметри 35CD4 (хімічний склад)
(2) Характеристики матеріалу 35CD4
Переважно включайте такі чотири пункти:
① Висока міцність. Оскільки це низько-вуглецева, низько-легована сталь, вона має вищу міцність, ніж не-нелегована сталь, тому її називають "низько-легованою високо-сталлю".
② Висока межа текучості. Його межа текучості вища, ніж у не-легованої сталі. При однаковому навантаженні вага деталей з цього матеріалу може зменшитися на 20-30%.
③ Хороша пластичність і міцність. Частка легуючих елементів відносно низька, що надає матеріалу як хорошу пластичність, так і міцність. ④ Висока прогартовуваність. Склад сплаву містить такі елементи, як нікель, хром і молібден, які можуть підтримувати високу стабільність переохолодженого аустеніту сталі. Повітряним гартом можна отримати мартенситні та бейнітні структури.
(3) Характеристики обробки матеріалу. Цей матеріал зазвичай має два стани термічної обробки: нормалізація + відпуск і загартування + відпуск. Твердість, що відповідає цим двом станам, наведена в таблиці 2.
Таблиця 2 Твердість матеріалу
Як видно з таблиці 2, твердість і міцність на розрив цього матеріалу знаходяться на високому рівні. Він також багатий такими елементами, як хром і марганець. Ці фактори разом ускладнюють обробку, і це типовий матеріал, який важко{3}}-обробляти. Конкретні труднощі обробки полягають у наступному:
1) Висока сила різання. Цей матеріал має високу твердість і міцність, високу атомну щільність і силу зв’язку, а також чудову в’язкість до руйнування й довготривалу -пластичність. Під час процесу різання сила різання не тільки велика, але й суттєво коливається [2].
2) Висока температура різання. Деформація різання споживає багато енергії та виділяє багато тепла. Велика кількість тепла різання концентрується в зоні різання, утворюючи середовище з високою-температурою.
3) Висока схильність до загартування. Матеріал має хорошу пластичність і міцність, має високий коефіцієнт зміцнення. Під комбінованим впливом сили різання та тепла різання він зазнає серйозної пластичної деформації, що призводить до зміцнення. Одночасно тепло різання змушує матеріал поглинати атоми водню, кисню та азоту з навколишнього середовища, утворюючи твердий і крихкий поверхневий шар, що ще більше ускладнює різання.
4) Сильний знос інструменту. Високі сили різання та температури під час різання посилюють тертя між інструментом і стружкою, і матеріал інструменту схильний до споріднених взаємодій з матеріалом заготовки. У поєднанні з наявністю твердих часток у матеріалі та серйозним наклепом інструмент дуже сприйнятливий до адгезійного, дифузійного, абразивного, крайового та канавок під час різання, що в кінцевому підсумку втрачає ріжучу здатність.
5) Важке поводження зі стружкою. Висока міцність, пластичність і в’язкість матеріалу призводять до того, що під час різання -заплутані стружки нагадують стрічку, становлять загрозу безпеці, перешкоджають процесу різання та спричиняють подряпини на поверхні деталей, що ускладнює виконання вимог щодо шорсткості поверхні.
6) Велика деформація різання. Високі температури різання та висока пластичність матеріалу під час обробки легко призводять до термічної деформації, що ускладнює гарантування точних розмірів і форм.
(4) Схема обробки матеріалу Щоб гарантувати, що сировина може повністю завершити обробку загартування та відпустки, заготовку для кування потрібно грубо-обробити перед термічною обробкою, щоб переконатися, що товщина стінки кожного поперечного-перерізу<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.
Малюнок 2: Бланк
Малюнок 3: Груба-оброблена форма
2.2 Характеристики процесу Ця частина має кілька вимог щодо високої-точності розмірів. Стабільний і надійний технологічний процес повинен бути розроблений шляхом комплексного врахування всіх точних параметрів розмірів для забезпечення якості продукту. Основні прецизійні розміри деталі показані на малюнку 4.
Рисунок 4: Основні прецизійні розміри деталі
(1) Точний зовнішній діаметр Точний зовнішній діаметр порту становить мм, із шириною зони допуску лише 0,022 мм; розмір внутрішнього отвору становить φ83,37 мм, що відповідає товщині стінки 2,81 мм. Ця вимога допуску на розміри сувора, стінка деталі тонка, а складність обробки надзвичайно висока. (2) Точний внутрішній отвір: прецизійний внутрішній отвір має діаметр φ мм і допуск 0,04 мм. Вимоги до коаксіальності цього внутрішнього отвору відносно зовнішнього кола становлять φ0,04 мм, вимоги до циліндричності – φ0,02 мм, а глибина отвору – 287,5 мм.
(3) Подовжений похилий отвір: як показано на малюнку 5, похилий отвір, розташований у вусі деталі, має діаметр мм і кут 45 градусів до осі деталі. При обробці цього отвору шпиндель верстата повинен бути відрегульований під кутом 45 градусів з деталлю. Щоб уникнути перешкод між інструментом і пристосуванням, для обробного інструменту необхідна конструкція з довгим виступом, що є основною проблемою при обробці цієї частини.
Малюнок 5: Розширений похилий отвір і отвір для підшипника
(4) Отвір для підшипника: як показано на малюнку 5, отвір для підшипника на вусі має діаметр мм. Цей отвір можна виконати тільки з лівого торця деталі. Виліт інструменту великий, а вимоги щодо допуску діаметра суворі, тому важко гарантувати точність розмірів. 2.3 Спеціальні процеси
Окрім наведених вище вимог до обробки, ця частина вимагає кількох спеціальних етапів обробки, а саме:
1) дробеструйна обробка. Площа дробеструйної обробки - це зовнішній діаметр деталі, але слід уникати ділянки зовнішнього діаметра діаметром φмм. Категорично забороняється дробеструйна обробка внутрішнього отвору.
2) Хромування. Область хромування - це внутрішній отвір діаметром φмм. Товщина шару хрому повинна бути від 20 до 25 мкм.
3) Кадміювання. Площа кадміювання — це всі поверхні, крім зони хромування.
4) Живопис. Область фарбування - це зовнішній діаметр деталі, але слід уникати ділянки зовнішнього діаметра діаметром φмм.
ЧАСТИНА 3
Проектування процесу обробки прецизійного циліндра літака
На основі аналізу властивостей матеріалу, точних розмірів і спеціальних процесів цієї частини циліндра план процесу показано в таблиці 3.
Таблиця 3 План процесу
ЧАСТИНА 4
Перевірка процесу обробки прецизійного циліндра літака
4.1 Оздоблення зовнішнього діаметра вуха
Матеріал 35CD4 має сильну адгезію, що ускладнює поломку стружки під час обробки. При менших параметрах обробки на торці деталі з’являються глибокі різи, що призводить до рваного вигляду матеріалу поверхні. Щоб вирішити цю проблему, необхідно налаштувати параметри зовнішньої токарної обробки. Конкретні параметри оптимізації наведено в таблиці 4. Завдяки оптимізації параметрів сліди різання на торцевій поверхні деталі усуваються, оброблена торцева поверхня стає гладкою, а якість обробки залишається незмінною від центру до краю. Оптимізований стан торця показано на малюнку 6.
Таблиця 4. Оптимізація параметрів торцевої обробки
Рисунок 6 Стан деталі після завершення точіння торця
4.2 Точність зовнішнього діаметра
14-та токарна операція з ЧПУ є ключовим процесом обробки цієї деталі. У цій операції використовується само-затискний патрон і центральна опора для підтримки зовнішнього діаметра. Конкретні вимоги до механічної обробки показані на малюнку 7. Точний допуск зовнішнього діаметра деталі становить 0,024 мм, і механічну обробку потрібно виконувати в три етапи. Конкретні параметри обробки наведені в таблиці 5. Через високу в'язкість матеріалу необхідна гостра зовнішня токарна пластина. Бажаний радіус наконечника вставки становить R0,2 мм. Якщо радіус вершини пластини занадто великий, вимоги до шорсткості поверхні деталі не можуть бути гарантовані.
Рисунок 7 Вимоги до процесу токарної обробки з ЧПУ Таблиця 5 Оптимізація зовнішніх параметрів точіння Після обробки зовнішній діаметр деталі становить 88,85~88,89 мм, що перевищує вимоги креслення. Перш ніж знайти першопричину, єдиний спосіб відкоригувати розмір – залишити запас на зовнішньому діаметрі, а потім відполірувати його вручну. Після аналізу округлість зовнішнього діаметра, що підтримується центральною опорою під час затискання, матиме значний вплив на обертальне биття деталі [3]. За високих вимог до точності цей вплив є особливо помітним. Було виміряно зовнішній діаметр затиску частини з допуском поза --, і зміна його округлості становила 0,020~0,035 мм, що в основному узгоджується з коливанням--допуску зовнішнього діаметра деталі. Для вирішення цієї проблеми необхідно оптимізувати та відкоригувати технічні вимоги довідкового процесу. У процесі зовнішнього точіння 11-го процесу чітко вимагається, щоб округлість зовнішнього діаметра контролювалася в межах 0,01 мм. Конкретні вимоги до вдосконалення показані на малюнку 8. Після додавання вимог до контролю круглості до 11-го процесу стабільність розмірів зовнішнього діаметра точіння в 14-му процесі була значно покращена. Діапазон коливань зовнішнього діаметра було зменшено до 88,865–88,875 мм, а деформацію можна було контролювати в межах 0,01 мм. Для того, щоб допуск зовнішнього діаметра відповідав вимогам, оператору не потрібні були локальні коригування. Випробування стабільності підтвердили, що один наконечник ріжучого інструменту може стабільно обробляти чотири деталі; однак точність розмірів не може бути гарантована після зносу інструменту.
Рисунок 8: Вимоги до вдосконалення базового процесу
4.3 Покращення нижньої поверхні внутрішнього отвору
Під час токарної обробки з ЧПК у 14-му процесі в нижній частині деталі з’явився дефект обробки, який проявився у вигляді залишкової бобишки діаметром 1 мм і висотою 0,3 мм, як показано на малюнку 9. Початковий план обробки передбачав використання плоскої-кінцевої фрези для видалення нижнього надлишку, потім використання свердлильного інструменту великого-діаметра для просвердлення отвору та остаточного вирівнювання нижню поверхню. При видаленні нижнього припуску за допомогою фрези слід контролювати биття інструменту в межах 0,01 мм. Однак через невеликий скіс у нижній частині плоскої-кінцевої фрези нижню частину деталі неможливо обробити до плоского стану. Плоска{11}}кінцева фреза показана на малюнку 10.
Малюнок 9: Дефект дна
Рисунок 10: Фреза з плоским-кінцем
Щоб вирішити цю проблему, схему обробки було оптимізовано шляхом заміни днища свердлильною фрезою малого-діаметра, як показано на малюнку 11. Тестування обробки довело, що використання свердлильної фрези для свердління нижньої частини повністю усунуло дефект втулки.
Малюнок 11: Додано розточувальний фрез
4.4 Оптимізація токарної обробки внутрішнього отвору
Під час 14-ї операції точіння з ЧПУ розточування внутрішнього отвору залишає припуск 0,05 мм з одного боку для подальшого хонінгування. Однак після розточування у внутрішньому отворі з'явилися різні дефекти якості. Типи дефектів і пропорції наведені в таблиці 6. Ці дефекти становлять значний ризик для подальшого процесу хонінгування.
Таблиця 6. Типи та відсотки дефектів
Аналіз виявив три основні причини вищезазначених дефектів: по-перше, діаметр внутрішнього розточувального інструменту був занадто малим, що призвело до недостатньої жорсткості інструменту та нестабільних розмірів отвору після розточування. По-друге, матеріал мав високу в’язкість, що призводило до нестабільного різання та поганого руйнування стружки при використанні традиційних параметрів фінішної обробки, коли стружка оберталася навколо та дряпала стінку отвору. По-третє, швидкість різання була надто низькою, що не відповідало вимогам щодо точності розмірів і шорсткості поверхні.
Щоб вирішити ці проблеми, було реалізовано наступні заходи з оптимізації: по-перше, замініть внутрішній розточувальний інструмент на інструмент більшого діаметру, щоб підвищити жорсткість інструменту; оптимізований розточувальний інструмент показаний на малюнку 12. По-друге, збільште швидкість різання, щоб збільшити глибину різання під час обробки. По-третє, оптимізуйте внутрішню систему охолодження, щоб ріжуча рідина могла безпосередньо впливати на наконечник бурового інструменту. Порівняння оптимізацій інструментів показано в таблиці 7.
Малюнок 12 Оптимізований розточувальний інструмент
Таблиця 7 Порівняння оптимізації інструментів
4.5 Оптимізація розширеного похилого отвору
Під час 13-ї операції, горизонтального фрезерування розширеного похилого отвору, початковий план був таким: використання подовженої фрези φ6 мм для збільшення отвору до φ7,3 мм, фактичний діаметр отвору після обробки становив 7,1–7,2 мм, з коливаннями розмірів 0,1 мм; після налаштування програми для фрезерування до φ7,5 мм, діаметр отвору становив 7,35~7,42 мм, а коливання було зменшено до 0,07 мм; нарешті, для фінішної обробки використовувалася розгортка з прямим хвостовиком, діаметр отвору становив 7,62~7,69 мм, а розміри були надзвичайно нестабільними.
Під час першої оптимізації розгортку було замінено розточувальним інструментом, а діаметр отвору після обробки становив 7,60–7,72 мм, що перевищувало вимоги допуску та спричиняло брак деталі. Остаточним оптимізованим планом було: використання фрези зі змінним діаметром-діаметра 7 мм для фрезерування похилих отворів швидкість проходження оброблених деталей досягла 100%. Інструмент для обробки розширених похилих отворів показано на малюнку 13.
a) Кінцева фреза з прямим хвостовиком b) Розгортка з прямим хвостовиком c) Розточувальна фреза d) Кінцева фреза змінного діаметра Рисунок 13 Інструменти для обробки розширених косих отворів
4.6 Удосконалення обробки отворів підшипників
У 13-му процесі обробки отвору підшипника необхідний діаметр отвору становить мм. Початковий план був такий: використовуйте торцеву фрезу φ20 мм для фрезерування до φ34,4 мм, а потім використовуйте розточувальну фрезу для розточування до готового розміру. Однак після механічної обробки на стінці отвору з’явилися сліди вібрації, які не вдалося усунути після кількох налаштувань параметрів. Інструменти для обробки показані на малюнку 14.
a) Розточувальна фреза b) Кінцева фреза Рисунок 14 Інструменти для обробки отворів підшипників
4.7 Вплив дробеструйної обробки на деталі
Початковий план прецизійної обробки отвору був таким: токарне розточування внутрішнього отвору з ЧПУ з припуском 0,05 мм з одного боку, хонінгування для забезпечення допуску діаметра отвору 0,02 мм і циліндричності 0,02 мм, і, нарешті, дробеструйне оброблення зовнішнього діаметра деталі. Однак дробеструйне оброблення спричиняло деформацію внутрішнього отвору деталі, діаметр якої збільшувався на 0,015–0,025 мм у центрі осі. Деякі деталі перевищили верхню межу допуску та були знищені.
Щоб вирішити цю проблему, послідовність процесу була скоригована після консультації із замовником, розміщуючи хонінгування після дробеструйної обробки. Деформація внутрішнього отвору після дробеструйної обробки становила приблизно 0,025 мм, яка була повністю покрита одностороннім припуском 0,05 мм, зарезервованим для хонінгування. Після регулювання допуск внутрішнього діаметра отвору після хонінгування можна контролювати в межах 0,010 мм, а циліндричність - в межах 0,015 мм, що відповідає вимогам креслення. Вплив дробеструйної обробки на внутрішній отвір показано в таблиці 8.
Таблиця 8 Вплив дробеструйної обробки на контроль внутрішнього отвору (одиниці: мм)
ЧАСТИНА 5
Висновок
Завдяки численним раундам оптимізації та вдосконалення під час етапу перевірки обробки, ця аерокосмічна точна циліндрична деталь нарешті досягла стабільного масового виробництва. Традиційний досвід обробки більше не застосовний до труднощів обробки матеріалу 35CD4. Для подолання труднощів обробки необхідні численні заходи, такі як оптимізація процесу, оптимізація вибору інструменту та оптимізація параметрів обробки [4]. 35Високоміцна сталь CD4- має чудові характеристики, але вона також створює складніші процеси обробки. У реальному виробництві необхідно конкретно підбирати моделі інструментів і формулювати розумні параметри обробки. З розвитком нових технологій обробки складність обробки таких--матеріалів поступово зменшуватиметься, і відповідний досвід обробки потрібно постійно узагальнювати та накопичувати. Крім того, процес дробеструйної обробки має незворотний вплив на точність розмірів деталей, що вказує на те, що процес розробки є систематичним проектом. Організація процесу повинна відповідати логічним правилам і повністю враховувати взаємний вплив між кожним процесом, щоб сформулювати науковий і розумний план обробки [5] і досягти ефективного виробництва при забезпеченні якості продукції.
