Высокопрочная-сталь 35CD4 широко используется в прецизионных цилиндрических деталях аэрокосмической промышленности из-за своих превосходных характеристик, но она имеет технические трудности, такие как высокая твердость, высокая сложность резки, легкая деформация тонко-деталей и строгие требования к допускам. В ответ на эти технические трудности была сформулирована экономичная схема обработки, охватывающая несколько процессов, путем объединения характеристик материала с точными размерами и особыми технологическими требованиями к деталям. За счет оптимизации параметров и инструментов ключевых звеньев, таких как наружное точение, внутреннее растачивание, обработка косых отверстий и отверстий под подшипники в процессе обработки, а также корректировки последовательности дробеструйной обработки и хонингования, были решены такие проблемы, как деформация обработки и отклонения размеров. Наконец, было достигнуто стабильное массовое производство деталей, и соответствующий процесс может стать эталоном для обработки прецизионных деталей из трудно--режущих материалов.
ЧАСТЬ 1
Введение
Прорыв в производительности аэрокосмического оборудования во многом зависит от точности обработки и надежности основных компонентов[1]. Высокопрочная-сталь 35CD4 стала идеальным материалом для прецизионных цилиндрических деталей аэрокосмической промышленности благодаря своим превосходным характеристикам, таким как высокая прочность и высокая прокаливаемость. Однако высокая сила резания и значительная склонность этого материала к деформационному упрочнению в сочетании с неправильной формой и легкостью деформируемости, а также строгими прецизионными размерными допусками цилиндрических деталей представляют собой серьезную проблему для традиционных процессов обработки.
Чтобы преодолеть эту производственную проблему, в данной статье основное внимание уделяется свойствам материала 35CD4 и технологическим требованиям к цилиндрическим деталям, а также проводятся исследования процессов бережливой обработки. Благодаря ряду мер, включая оптимизацию технологического процесса, улучшение выбора инструмента и корректировку параметров обработки, были систематически решены такие ключевые проблемы, как деформация обработки и отклонения размеров, что привело к созданию стабильного и надежного решения для массового производства.
В этом документе систематически рассматриваются идеи исследований и разработок, а также процесс проверки этой технологии с целью предоставить техническую информацию по обработке аналогичных прецизионных деталей в аэрокосмической отрасли.
ЧАСТЬ 2
Технологические характеристики прецизионных цилиндрических деталей аэрокосмической отрасли
Определенная прецизионная цилиндрическая деталь для аэрокосмической промышленности, производимая нашей компанией, изготовлена из стали 35CD4, ее форма показана на рисунке 1. Эта деталь имеет неправильную форму, ее особая структура склонна к деформации, а толщина ее стенок относительно мала. Допуски для внутреннего отверстия и внешнего круга строго обязательны, отверстие подшипника на выступе представляет собой прецизионное отверстие, а внутри детали имеются косые отверстия, что затрудняет контроль соответствующих допусков на размеры. Технологические характеристики этой цилиндрической детали отражаются главным образом в следующих аспектах.
Рисунок 1. Внешняя форма цилиндрической части
2.1 Характеристики материала
(1) Металлические характеристики
Высокопрочная легированная сталь 35CD4 — это широко используемая средне-углеродисто-никель-хром-молибденовая сталь в аэрокосмической промышленности. Ее химический состав приведен в таблице 1. По сравнению с другими металлами эта сталь имеет уникальные преимущества по химическим, физико-механическим свойствам.
Таблица 1. Элементы сплава и параметры 35CD4 (химический состав)
(2) Характеристики материала 35CD4
В основном включают следующие четыре пункта:
① Высокая прочность. Поскольку это низко-углеродистая низко-легированная сталь, она имеет более высокую прочность, чем не-легированная сталь, поэтому ее называют «низко-легированной высоко-сталью».
② Высокий предел текучести. Ее предел текучести выше, чем у не-легированной стали. При той же нагрузке вес деталей из этого материала может быть уменьшен на 20-30%.
③ Хорошая пластичность и прочность. Доля легирующих элементов относительно невелика, что придает материалу хорошую пластичность и вязкость. ④ Высокая прокаливаемость. В состав сплава входят такие элементы, как никель, хром и молибден, которые могут сохранять переохлажденный аустенит стали очень стабильным. Мартенситные и бейнитные структуры могут быть получены закалкой на воздухе.
(3) Характеристики обработки материала. Этот материал обычно имеет два состояния термической обработки: нормализация + отпуск и закалка + отпуск. Твердость, соответствующая этим двум состояниям, приведена в табл. 2.
Таблица 2 Твердость материала
Как видно из таблицы 2, твердость и прочность на разрыв этого материала находятся на высоком уровне. Он также богат такими элементами, как хром и марганец. В совокупности эти факторы затрудняют обработку, и это типичный трудный для--механической обработки материал. Конкретные трудности обработки заключаются в следующем:
1) Высокая сила резания. Материал обладает высокой твердостью и прочностью, высокой атомной плотностью и силой сцепления, а также превосходной вязкостью разрушения и долговременной-пластичностью. В процессе резания сила резания не только велика, но и значительно колеблется [2].
2) Высокая температура резания. Режущая деформация потребляет много энергии и выделяет много тепла. Большое количество тепла при резке концентрируется в зоне резания, образуя среду с высокой-температурой.
3) Высокая склонность к наклепу. Материал обладает хорошей пластичностью и вязкостью, имеет высокий коэффициент упрочнения. Под совместным воздействием силы резания и тепла резания он подвергается сильной пластической деформации, что приводит к наклепу. В то же время тепло резки заставляет материал поглощать атомы водорода, кислорода и азота из окружающей среды, образуя твердый и хрупкий поверхностный слой, что еще больше затрудняет резку.
4) Сильный износ инструмента. Высокие силы резания и температуры во время резания усиливают трение между инструментом и стружкой, а материал инструмента склонен к сродству взаимодействия с материалом заготовки. В сочетании с наличием твердых частиц в материале и сильным наклепом инструмент сильно подвержен адгезионному износу, диффузионному износу, абразивному износу, граничному износу и канавочному износу в процессе резания, в конечном итоге теряя свою режущую способность.
5) Сложная обработка стружки. Высокая прочность, пластичность и ударная вязкость материала приводят к образованию лент-запутанной стружки во время резки, что создает угрозу безопасности, затрудняет процесс резки и вызывает царапины на поверхности детали, что затрудняет соблюдение требований к шероховатости поверхности.
6) Большая деформация резания. Высокие температуры резания и высокая пластичность материала при механической обработке легко приводят к термической деформации, что затрудняет обеспечение точных размеров и форм.
(4) Схема обработки материала Чтобы сырье могло полностью пройти закалку и отпуск, поковочную заготовку необходимо подвергнуть черновой -механической обработке перед термообработкой, чтобы гарантировать, что толщина стенки каждого поперечного- сечения равна<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.
Рисунок 2: Пустой
Рисунок 3. Черновая-обработанная форма.
2.2 Характеристики процесса К этой детали предъявляется ряд требований к высокой-точности размеров. Для обеспечения качества продукции необходимо разработать стабильный и надежный технологический процесс, всесторонне учитывая все прецизионные размерные параметры. Основные прецизионные размеры детали показаны на рисунке 4.
Рисунок 4. Основные прецизионные размеры детали.
(1) Прецизионный внешний диаметр Прецизионный внешний диаметр порта составляет мм, ширина зоны допуска составляет всего 0,022 мм; Размер внутреннего отверстия составляет φ83,37 мм, что соответствует толщине стенки 2,81 мм. Требования к размерным допускам строгие, стенки детали тонкие, а сложность обработки чрезвычайно высока. (2) Прецизионное внутреннее отверстие: прецизионное внутреннее отверстие имеет диаметр φ мм и допуск 0,04 мм. Требование соосности этого внутреннего отверстия относительно внешнего круга составляет φ0,04 мм, требование цилиндричности - φ0,02 мм, а глубина отверстия - 287,5 мм.
(3) Расширенное наклонное отверстие: Как показано на рисунке 5, наклонное отверстие, расположенное в месте ушка детали, имеет диаметр в мм и угол 45 градусов с осью детали. При обработке этого отверстия шпиндель станка необходимо отрегулировать под углом 45 градусов к детали. Чтобы избежать взаимодействия между инструментом и приспособлением, обрабатывающему инструменту требуется конструкция с длинным вылетом, что является серьезной проблемой при обработке этой детали.
Рис. 5. Удлиненное наклонное отверстие и отверстие для подшипника.
(4) Отверстие подшипника: Как показано на рисунке 5, отверстие подшипника на проушине имеет диаметр в мм. Это отверстие можно обработать только с левого торца детали. Вылет инструмента большой, а требования к допускам на диаметр строгие, что затрудняет обеспечение точности размеров.. 2.3 Специальные процессы
Помимо вышеуказанных требований к обработке, эта часть требует нескольких специальных этапов обработки, а именно:
1) Дробеструйная обработка. Зона дробеструйной обработки представляет собой внешний диаметр детали, однако следует избегать участков внешнего диаметра диаметром φмм. Дробеструйная обработка внутреннего отверстия строго запрещена.
2) Хромирование. Зона хромирования представляет собой внутреннее отверстие диаметром φмм. Толщина слоя хрома должна контролироваться в пределах 20–25 мкм.
3) Кадмиевое покрытие. К зоне кадмирования относятся все поверхности, кроме зоны хромирования.
4) Живопись. Область окраски соответствует внешнему диаметру детали, однако следует избегать участков внешнего диаметра диаметром φмм.
ЧАСТЬ 3
Проектирование процесса прецизионной обработки цилиндров самолета
На основе анализа свойств материала, прецизионных размеров и специальных процессов этой детали цилиндра план процесса показан в таблице 3.
Таблица 3. План процесса
ЧАСТЬ 4
Проверка процесса прецизионной обработки цилиндров самолета
4.1 Обработка внешнего диаметра уха
Материал 35CD4 обладает сильной адгезией, что затрудняет разрушение стружки во время механической обработки. При использовании более низких параметров обработки на торце детали появляются глубокие следы резания, что приводит к рваному виду поверхностного материала. Чтобы решить эту проблему, необходимо отрегулировать параметры внешней токарной обработки. Конкретные параметры оптимизации показаны в Таблице 4. Благодаря оптимизации параметров устраняются следы резки на торцевой поверхности детали, обработанная торцевая поверхность становится гладкой, а качество обработки остается постоянным от центра к краю. Оптимизированное состояние торцевой поверхности показано на рисунке 6.
Таблица 4. Оптимизация параметров торцевой обработки
Рис. 6. Состояние детали после чистовой обработки торцевой поверхности.
4.2 Прецизионное точение наружного диаметра
14-я токарная обработка на станке с ЧПУ является ключевым процессом при обработке этой детали. В этой операции используется самоцентрирующийся-патрон и центральная опора для поддержки внешнего диаметра. Конкретные требования к обработке показаны на рисунке 7. Прецизионный допуск на внешний диаметр детали составляет 0,024 мм, поэтому обработку необходимо выполнять в три этапа. Конкретные параметры обработки приведены в Таблице 5. Из-за высокой вязкости материала требуется острая внешняя токарная пластина. Предпочтительный радиус вершины пластины составляет R0,2 мм. Если радиус вершины пластины слишком велик, требования к шероховатости поверхности детали не могут быть гарантированы.
Рисунок 7. Требования к процессу точения на станке с ЧПУ. Таблица 5. Оптимизация внешних параметров точения. После отделки внешний диаметр детали составляет 88,85–88,89 мм, что превышает требования чертежа. Прежде чем найти первопричину, единственный способ отрегулировать размер — оставить запас по внешнему диаметру, а затем отполировать его вручную. После анализа округлость наружного диаметра, поддерживаемая центральным упором во время зажима, будет иметь существенное влияние на биение детали [3]. В условиях высоких требований к точности это влияние особенно заметно. Был измерен наружный диаметр зажима детали, выходящей за--допуск, и изменение его круглости составило 0,020~0,035 мм, что в основном соответствует отклонению-за-допуска наружного диаметра детали. Для решения этой проблемы необходимо оптимизировать и скорректировать технические требования эталонного процесса. При наружном точении 11-го процесса явно требуется, чтобы округлость наружного диаметра контролировалась в пределах 0,01 мм. Конкретные требования к улучшению показаны на рисунке 8. После добавления требований по контролю круглости к 11-му процессу стабильность размеров при токарной обработке наружного диаметра в 14-м процессе была значительно улучшена. Диапазон колебаний наружного диаметра сократился до 88,865–88,875 мм, а деформацию удалось контролировать в пределах 0,01 мм. Для обеспечения соответствия допуска на внешний диаметр требованиям оператору не требовалось никаких местных корректировок. Испытания на стабильность подтвердили, что один кончик режущего инструмента может стабильно обрабатывать четыре детали; однако точность размеров не может быть гарантирована после износа инструмента.
Рисунок 8: Требования к улучшению базового процесса
4.3 Улучшение обеднения забоя внутренней скважины
Во время точения на станке с ЧПУ в 14-м процессе в нижней части детали появился дефект обработки, проявившийся в виде остаточной бобышки диаметром 1 мм и высотой 0,3 мм, как показано на рисунке 9. Первоначальный план обработки заключался в использовании плоской -концевой фрезы для удаления излишков нижней части, затем с помощью расточного инструмента большого- диаметра для растачивания отверстия и, наконец, выравнивания нижней поверхности. При снятии нижнего припуска фрезой биение инструмента необходимо контролировать в пределах 0,01мм. Однако из-за небольшого скоса в нижней части плоской концевой фрезы нижнюю часть детали невозможно обработать до плоского состояния. Фреза с плоским-концом показана на рисунке 10.
Рисунок 9: Нижний дефект
Рисунок 10. Фреза с плоским-концом
Чтобы решить эту проблему, схема обработки была оптимизирована путем замены нижней части расточной фрезой-меньшего диаметра, как показано на рисунке 11. Испытания на обработку показали, что использование расточной фрезы для растачивания нижней части полностью устраняет дефект бобышки.
Рис. 11. Добавлен расточный резак.
4.4 Оптимизация токарной обработки внутренних отверстий
Во время 14-й токарной обработки на станке с ЧПУ при растачивании внутреннего отверстия остается припуск 0,05 мм с одной стороны для последующего хонингования. Однако после растачивания во внутреннем отверстии появились различные дефекты качества. Типы и размеры дефектов показаны в Таблице 6. Эти дефекты представляют значительный риск для последующего процесса хонингования.
Таблица 6. Типы и проценты дефектов
Анализ выявил три основные причины вышеупомянутых дефектов: во-первых, диаметр внутреннего расточного инструмента был слишком мал, что приводило к недостаточной жесткости инструмента и нестабильным размерам отверстия после расточки. Во-вторых, материал имел высокую вязкость, что приводило к нестабильному резанию и плохому стружкодроблению при использовании традиционных параметров чистовой обработки, когда стружка кружилась и царапала стенки отверстия. В-третьих, скорость резания была слишком низкой и не соответствовала требованиям к точности размеров и шероховатости поверхности.
Для решения этих проблем были реализованы следующие меры по оптимизации: во-первых, заменить внутренний расточный инструмент на инструмент большего диаметра для повышения жесткости инструмента; оптимизированный расточный инструмент показан на рисунке 12. Во-вторых, увеличьте скорость резания, чтобы увеличить глубину резания при чистовой обработке. В-третьих, оптимизируйте внутреннюю систему охлаждения, чтобы смазочно-охлаждающая жидкость могла напрямую воздействовать на острие расточного инструмента. Сравнение оптимизаций инструментов показано в таблице 7.
Рис. 12. Оптимизированный расточный инструмент
Таблица 7. Сравнение оптимизации инструментов
4.5 Оптимизация удлиненного наклонного отверстия
В 13-й операции, горизонтальном фрезеровании удлиненного наклонного отверстия, первоначальный план был следующим: использование удлиненной фрезы диаметром 6 мм для увеличения отверстия до диаметра 7,3 мм, фактический диаметр отверстия после обработки составлял 7,1–7,2 мм с отклонением размеров 0,1 мм; после настройки программы на фрезерование до φ7,5 мм диаметр отверстия составил 7,35–7,42 мм, а отклонение уменьшилось до 0,07 мм; наконец, для чистовой обработки использовалась развертка с прямым хвостовиком, диаметр отверстия составлял 7,62 ~ 7,69 мм, а размеры были крайне нестабильными.
При первой оптимизации развертка была заменена расточным инструментом, а диаметр отверстия после обработки составил 7,60–7,72 мм, что превышает требования к допускам и приводит к списанию детали. Окончательный оптимизированный план заключался в следующем: при использовании фрезы переменного-диаметра диаметром 7 мм для фрезерования наклонных отверстий пропускная способность обработанных деталей достигла 100 %. Инструмент для обработки расширенных наклонных отверстий показан на рисунке 13.
a) Концевая фреза с прямым хвостовиком b) Развертка с прямым хвостовиком c) Расточная фреза d) Концевая фреза с переменным диаметром Рисунок 13. Инструменты для обработки удлиненных косых отверстий
4.6 Улучшение обработки отверстий подшипников
В 13-м процессе обработки отверстия подшипника требуемый диаметр отверстия составляет мм. Первоначальный план был таков: использовать концевую фрезу диаметром 20 мм для фрезерования до диаметра 34,4 мм, а затем использовать расточную фрезу для растачивания до конечного размера. Однако после механической обработки на стенке отверстия появились следы вибрации, которые не удалось устранить после многократной настройки параметров. Обрабатывающие инструменты показаны на рисунке 14.
а) Расточная фреза б) Концевая фреза Рисунок 14 Инструменты для обработки отверстий подшипников
4.7 Влияние дробеструйной обработки на детали
Первоначальный план прецизионной обработки отверстий заключался в следующем: прецизионное растачивание внутреннего отверстия на токарном станке с ЧПУ с припуском 0,05 мм с одной стороны, хонингование для обеспечения допуска на диаметр отверстия 0,02 мм и цилиндричности 0,02 мм и, наконец, дробеструйная обработка наружного диаметра детали. Однако дробеструйная обработка вызвала деформацию внутреннего отверстия детали, при этом диаметр увеличился на 0,015–0,025 мм в осевом центре. Некоторые детали превысили верхний предел допуска и были списаны.
Для решения этой проблемы после консультации с заказчиком была скорректирована технологическая последовательность, ставящая хонингование после дробеструйной обработки. Деформация внутреннего отверстия после дробеструйной обработки составила примерно 0,025 мм, что было полностью перекрыто односторонним припуском 0,05 мм-, отведенным для хонингования. После регулировки допуск внутреннего диаметра отверстия после хонингования можно контролировать в пределах 0,010 мм, а цилиндричность - в пределах 0,015 мм, что соответствует требованиям чертежа. Влияние дробеструйной обработки на внутреннее отверстие показано в Таблице 8.
Таблица 8. Влияние дробеструйной обработки на контроль внутреннего отверстия (единица измерения: мм)
ЧАСТЬ 5
Заключение
Благодаря многочисленным этапам оптимизации и усовершенствований на этапе проверки обработки эта прецизионная цилиндрическая деталь для аэрокосмической отрасли, наконец, достигла стабильного массового производства. Традиционный опыт обработки больше не применим к трудностям обработки материала 35CD4. Для решения проблем обработки необходимы многочисленные меры, такие как оптимизация процесса, оптимизация выбора инструмента и оптимизация параметров обработки. [4]. 35Высокопрочная сталь CD4- обладает отличными эксплуатационными характеристиками, но она также создает более серьезные проблемы при обработке. В реальном производстве необходимо конкретно подбирать модели инструментов и формулировать обоснованные параметры обработки. С развитием новых технологий обработки сложность обработки таких труднообрабатываемых материалов будет постепенно уменьшаться, и соответствующий опыт обработки необходимо постоянно обобщать и накапливать. Кроме того, процесс дробеструйной обработки оказывает необратимое влияние на прецизионные размеры деталей, что указывает на то, что проектирование процесса является систематическим проектом. Организация процесса должна следовать логическим правилам и полностью учитывать взаимное влияние между каждым процессом, чтобы сформулировать научный и разумный план обработки [5] и достичь эффективного производства, обеспечивая при этом качество продукции.
