Vysokopevnostná oceľ 35CD4- sa široko používa v presných valcových častiach leteckého a kozmického priemyslu vďaka svojmu vynikajúcemu výkonu, má však technické problémy, ako je vysoká tvrdosť, veľké ťažkosti pri rezaní, ľahká deformácia tenkostenných častí- a prísne tolerancie. V reakcii na tieto technické ťažkosti bola formulovaná schéma štíhleho obrábania pokrývajúca viacero procesov kombináciou charakteristík materiálu s presnými rozmermi a špeciálnymi procesnými požiadavkami dielov. Optimalizáciou parametrov a nástrojov kľúčových článkov, ako je vonkajšie sústruženie, vnútorné vyvrtávanie, obrábanie šikmých otvorov a otvorov pre ložiská v procese obrábania, a úpravou postupnosti brokového brúsenia a honovania boli vyriešené problémy ako deformácia obrábania a rozmerová odchýlka. Nakoniec sa podarilo dosiahnuť stabilnú hromadnú výrobu dielov a príslušný proces môže poskytnúť referenciu pre obrábanie presných dielov z ťažko--obrábateľných materiálov.
ČASŤ 1
Úvod
Prielom vo výkonnosti leteckých zariadení vo veľkej miere závisí od presnosti obrábania a spoľahlivosti základných komponentov[1]. Vysoko{2}}pevná oceľ 35CD4 sa stala ideálnym materiálom pre presné valcové časti letectva vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam, ako je vysoká pevnosť a vysoká prekaliteľnosť. Avšak vysoká rezná sila a významný sklon tohto materiálu k mechanickému spevneniu v kombinácii s nepravidelným tvarom a ľahkou deformovateľnosťou a prísnymi presnými rozmerovými toleranciami valcových častí predstavujú značnú výzvu pre tradičné procesy obrábania.
Na prekonanie tejto výrobnej výzvy sa tento dokument zameriava na materiálové vlastnosti 35CD4 a procesné požiadavky valcových častí a vykonáva výskum procesov štíhleho obrábania. Prostredníctvom série opatrení, vrátane optimalizácie návrhu procesu, zlepšenia výberu nástrojov a úpravy parametrov obrábania, boli systematicky vyriešené kľúčové problémy, akými sú deformácia obrábania a rozmerové odchýlky, výsledkom čoho je stabilné a spoľahlivé riešenie hromadnej výroby.
Tento dokument systematicky skúma nápady na výskum a vývoj a overovací proces tejto technológie s cieľom poskytnúť technickú referenciu pre obrábanie podobných presných súčiastok v letectve.
ČASŤ 2
Procesné charakteristiky presných valcových častí z letectva
Určitá presná valcová časť pre letectvo vyrábaná našou spoločnosťou je vyrobená z 35CD4 a jej tvar je znázornený na obrázku 1. Táto časť je nepravidelne tvarovaná, jej špeciálna štruktúra je náchylná na deformáciu a jej hrúbka steny je relatívne tenká. Tolerancie pre vnútorný otvor a vonkajší kruh sú prísne požadované, otvor ložiska na výstupku je presný otvor a časť má vo vnútri šikmé otvory, čo sťažuje kontrolu súvisiacich rozmerových tolerancií. Technologické charakteristiky tejto valcovej časti sa odrážajú najmä v nasledujúcich aspektoch.
Obrázok 1. Vonkajší tvar valcovej časti
2.1 Vlastnosti materiálu
(1) Kovové vlastnosti
Vysokopevnostná legovaná oceľ 35CD4-je bežne používaná stredne-uhlíková niklová-chróm-molybdénová oceľ v leteckom priemysle. Jej chemické zloženie je uvedené v tabuľke 1. V porovnaní s inými kovmi má táto oceľ jedinečné výhody v chemických, fyzikálnych a mechanických vlastnostiach.
Tabuľka 1. Prvky zliatiny a parametre 35CD4 (chemické zloženie)
(2) Materiálové charakteristiky 35CD4
Zahrňte najmä tieto štyri body:
① Vysoká pevnosť. Keďže ide o nízko{1}}uhlíkovú, nízko{2}}legovanú oceľ, má vyššiu pevnosť ako -nelegovaná oceľ, preto sa nazýva „nízko{4}}legovaná vysokopevná- oceľ“.
② Vysoká medza klzu. Jej medza klzu je vyššia ako u nelegovanej ocele-. Pri rovnakom zaťažení je možné znížiť hmotnosť dielov z tohto materiálu o 20 % až 30 %.
③ Dobrá plasticita a húževnatosť. Podiel zliatinových prvkov je relatívne nízky, čo dáva materiálu dobrú plasticitu a húževnatosť. ④ Vysoká kaliteľnosť. Zloženie zliatiny obsahuje prvky ako nikel, chróm a molybdén, ktoré dokážu udržať podchladený austenit ocele vysoko stabilný. Martenzitické a bainitové štruktúry možno získať ochladzovaním vzduchom.
(3) Charakteristiky spracovania materiálu. Tento materiál má vo všeobecnosti dva stavy tepelného spracovania: normalizácia + popúšťanie a kalenie + popúšťanie. Tvrdosť zodpovedajúca týmto dvom stavom je uvedená v tabuľke 2.
Tabuľka 2 Tvrdosť materiálu
Ako je možné vidieť z tabuľky 2, tvrdosť a pevnosť v ťahu tohto materiálu sú na vysokej úrovni. Je tiež bohatá na prvky ako chróm a mangán. Tieto faktory spolu sťažujú spracovanie a je to typický, ťažko{3}}obrobiteľný- materiál. Špecifické ťažkosti so spracovaním sú nasledovné:
1) Vysoká rezná sila. Materiál má vysokú tvrdosť a pevnosť, vysokú atómovú hustotu a spojovaciu silu a vynikajúcu lomovú húževnatosť a dlhodobú- plasticitu. Počas procesu rezania je nielen veľká sila rezu, ale aj sila rezu výrazne kolíše [2].
2) Vysoká teplota rezania. Deformácia rezu spotrebováva veľa energie a vytvára veľa tepla. Veľké množstvo rezného tepla sa sústreďuje v zóne rezu a vytvára prostredie s vysokou-teplotou.
3) Vysoká tendencia k vytvrdzovaniu. Materiál vykazuje dobrú plasticitu a húževnatosť s vysokým koeficientom pevnosti. Pri kombinovaných účinkoch reznej sily a rezného tepla podlieha silnej plastickej deformácii, čo vedie k mechanickému spevneniu. Súčasne rezné teplo spôsobuje, že materiál absorbuje atómy vodíka, kyslíka a dusíka z okolitého média, čím sa vytvorí tvrdá a krehká povrchová vrstva, čo ďalej zvyšuje náročnosť rezania.
4) Silné opotrebovanie nástroja. Vysoké rezné sily a teploty počas rezania zintenzívňujú trenie medzi nástrojom a trieskami a materiál nástroja je náchylný na afinitné interakcie s materiálom obrobku. V kombinácii s prítomnosťou tvrdých častíc v materiáli a silným pracovným spevnením je nástroj veľmi náchylný na adhézne opotrebenie, difúzne opotrebenie, abrazívne opotrebenie, medzné opotrebenie a ryhované opotrebenie počas rezania, čo v konečnom dôsledku stratí svoju reznú schopnosť.
5) Ťažká manipulácia s čipom. Vysoká pevnosť, plasticita a húževnatosť tohto materiálu vedie k tomu, že počas rezania sa triesky- podobajú na stuhy, čo predstavuje bezpečnostné riziko, bráni procesu rezania a spôsobuje škrabance na povrchu dielu, čo sťažuje splnenie požiadaviek na drsnosť povrchu.
6) Veľká deformácia rezu. Vysoké teploty rezania a vysoká plasticita materiálu pri obrábaní ľahko vedú k tepelnej deformácii, čo sťažuje zaručenie presných rozmerov a tvarov.
(4) Schéma spracovania materiálu Aby sa zabezpečilo, že suroviny môžu úplne dokončiť kalenie a popúšťanie, pred tepelným spracovaním je potrebné polotovar kovania nahrubo opracovať-, aby sa zabezpečilo, že hrúbka steny každého prierezu- je rovnaká<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.
Obrázok 2: Blank
Obrázok 3: Hrubý-obrobený tvar
2.2 Charakteristiky procesu Táto časť má niekoľko požiadaviek na vysokú presnosť{1}}rozmerov. Stabilný a spoľahlivý procesný tok musí byť navrhnutý komplexným zvážením všetkých presných rozmerových parametrov, aby sa zabezpečila kvalita produktu. Hlavné presné rozmery dielu sú znázornené na obrázku 4.
Obrázok 4: Hlavné presné rozmery dielu
(1) Presný vonkajší priemer Presný vonkajší priemer na porte je mm, so šírkou tolerančnej zóny iba 0,022 mm; veľkosť vnútorného otvoru je φ83,37 mm, čo zodpovedá hrúbke steny 2,81 mm. Táto požiadavka na rozmerovú toleranciu je prísna, stena dielu je tenká a náročnosť obrábania je extrémne vysoká. (2) Presný vnútorný otvor: Presný vnútorný otvor má priemer φ mm a toleranciu 0,04 mm. Požiadavka súososti tohto vnútorného otvoru vzhľadom na vonkajší kruh je φ0,04 mm, požiadavka na valcovitosť je φ0,02 mm a hĺbka otvoru je 287,5 mm.
(3) Predĺžený šikmý otvor: Ako je znázornené na obrázku 5, šikmý otvor umiestnený v polohe ucha dielu má priemer mm a uhol 45 stupňov s osou dielu. Pri obrábaní tohto otvoru je potrebné nastaviť vreteno obrábacieho stroja do uhla 45 stupňov s dielom. Aby sa predišlo interferencii medzi nástrojom a upínacím prostriedkom, pre obrábací nástroj je potrebná konštrukcia s dlhým presahom, čo predstavuje veľkú výzvu pri obrábaní tejto časti.
Obrázok 5: Predĺžený šikmý otvor a otvor pre ložisko
(4) Otvor pre ložisko: Ako je znázornené na obrázku 5, otvor pre ložisko pri uchu má priemer mm. Tento otvor je možné obrábať iba z ľavej čelnej plochy dielu. Presah nástroja je veľký a požiadavka na toleranciu priemeru je prísna, takže je ťažké zaručiť presnosť rozmerov. 2.3 Špeciálne procesy
Okrem vyššie uvedených požiadaviek na spracovanie si táto časť vyžaduje niekoľko špeciálnych krokov spracovania:
1) Otryskávanie. Oblasť striekania je vonkajší priemer dielu, ale je potrebné vyhnúť sa časti s vonkajším priemerom s priemerom φmm. Brokovanie vnútorného otvoru je prísne zakázané.
2) Chrómovanie. Oblasť pochrómovania je vnútorný otvor s priemerom φmm. Hrúbka chrómovej vrstvy musí byť kontrolovaná medzi 20 a 25 μm.
3) Pokovovanie kadmiom. Oblasťou pokovovania kadmiom sú všetky povrchy okrem oblasti pokovovania chrómom.
4) Maľovanie. Oblasť lakovania je vonkajší priemer dielu, ale je potrebné sa vyhnúť časti s vonkajším priemerom s priemerom φmm.
ČASŤ 3
Návrh procesu obrábania presného valca lietadla
Na základe analýzy vlastností materiálu, presných rozmerov a špeciálnych procesov tejto časti valca je plán procesu uvedený v tabuľke 3.
Tabuľka 3 Procesný plán
ČASŤ 4
Overenie procesu obrábania presného valca lietadla
4.1 Dokončenie vonkajšieho priemeru ucha
Materiál 35CD4 má silnú priľnavosť, čo sťažuje lámanie triesky počas obrábania. Pri použití nižších parametrov obrábania sa na čelnej ploche dielca objavujú stopy po hlbokých rezoch, čo má za následok roztrhaný vzhľad povrchového materiálu. Na vyriešenie tohto problému je potrebné upraviť parametre externého sústruženia. Špecifické optimalizačné parametre sú uvedené v tabuľke 4. Optimalizáciou parametrov sú eliminované stopy po reze na čelnej ploche dielu, obrobená čelná plocha je hladká a kvalita obrábania zostáva konzistentná od stredu k okraju. Optimalizovaný stav koncovej plochy je znázornený na obrázku 6.
Tabuľka 4 Optimalizácia parametrov sústruženia koncovej plochy
Obrázok 6 Stav dielu po dokončovacom sústružení čelnej plochy
4.2 Presné sústruženie vonkajšieho priemeru
14. CNC sústruženie je kľúčovým procesom pri obrábaní tohto dielu. Táto operácia využíva samostrediace skľučovadlo a stredovú opierku na podopretie vonkajšieho priemeru. Špecifické požiadavky na obrábanie sú znázornené na obrázku 7. Presná tolerancia vonkajšieho priemeru dielu je 0,024 mm a obrábanie je potrebné vykonať v troch etapách. Konkrétne parametre obrábania sú uvedené v tabuľke 5. Vzhľadom na vysokú viskozitu materiálu je potrebná ostrá vonkajšia sústružnícka doštička. Preferovaný polomer hrotu doštičky je R0,2 mm. Ak je polomer hrotu vložky príliš veľký, nie je možné zaručiť požiadavky na drsnosť povrchu dielu.
Obrázok 7 Požiadavky na proces CNC sústruženia Tabuľka 5 Optimalizácia vonkajších parametrov sústruženia Po dokončení je vonkajší priemer dielu 88,85~88,89 mm, čo presahuje požiadavky výkresu. Pred zistením základnej príčiny je jediným spôsobom, ako upraviť veľkosť, nechať okraj na vonkajšom priemere a potom ho ručne vyleštiť. Po analýze bude mať kruhovitosť vonkajšieho priemeru podporovaného stredovou opierkou počas upnutia významný vplyv na hádzanie otáčania dielu [3]. Pri požiadavkách na vysokú presnosť tolerancie je tento vplyv obzvlášť výrazný. Bol zmeraný upínací vonkajší priemer časti s vonkajšou-mimo{10}}toleranciou a zmena jej zaoblenia bola 0,020~0,035 mm, čo je v podstate v súlade s fluktuáciou-z{14}}tolerancie vonkajšieho priemeru časti. Na vyriešenie tohto problému je potrebné optimalizovať a opraviť technické požiadavky referenčného procesu. V procese vonkajšieho sústruženia 11. procesu sa jednoznačne vyžaduje, aby sa kruhovitosť vonkajšieho priemeru kontrolovala v rozmedzí 0,01 mm. Konkrétne požiadavky na zlepšenie sú znázornené na obrázku 8. Po pridaní požiadaviek na kontrolu kruhovitosti do 11. procesu sa výrazne zlepšila rozmerová stabilita sústruženia vonkajšieho priemeru v 14. procese. Rozsah kolísania vonkajšieho priemeru sa znížil na 88,865–88,875 mm a deformáciu bolo možné kontrolovať v rozmedzí 0,01 mm. Neboli potrebné žiadne miestne úpravy zo strany operátora, aby sa zabezpečilo, že tolerancia vonkajšieho priemeru spĺňa požiadavky. Testy stability overili, že jeden hrot rezného nástroja by mohol stabilne obrábať štyri časti; po opotrebovaní nástroja však nebolo možné zaručiť presnosť rozmerov.
Obrázok 8: Požiadavky na zlepšenie základného procesu
4.3 Lean Zlepšenie spodného povrchu vnútorného otvoru
Počas procesu CNC sústruženia v 14. procese sa v spodnej časti dielu objavila chyba opracovania, ktorá sa prejavila ako zvyškový výstupok s priemerom 1 mm a výškou 0,3 mm, ako je znázornené na obrázku 9. Pôvodný plán obrábania bol použiť plochú- stopkovú frézu na odstránenie spodného prebytku, potom použiť veľký- povrchový priemer vyvrtávacieho nástroja a nakoniec zarovnať spodný otvor. Pri odstraňovaní spodného prídavku pomocou frézy sa musí hádzanie nástroja kontrolovať v rozmedzí 0,01 mm. Avšak kvôli malému úkosu v spodnej časti plochej-frézy nie je možné spodnú časť dielu opracovať do plochého stavu. Plochá fréza{11}}je znázornená na obrázku 10.
Obrázok 9: Spodný defekt
Obrázok 10: Plochá-fréza
Na vyriešenie tohto problému bola schéma obrábania optimalizovaná nahradením dna vyvrtávacou frézou s malým{0}}priemerom, ako je znázornené na obrázku 11. Testy obrábania preukázali, že použitie vyvrtávacej frézy na vyvŕtanie spodnej časti úplne eliminovalo chybu výstupku.
Obrázok 11: Pridaná vyvrtávacia fréza
4.4 Optimalizácia sústruženia vnútorných otvorov
Počas 14. operácie CNC sústruženia ponecháva vnútorný otvor na jednej strane 0,05 mm prídavok pre následné honovanie. Po vyvŕtaní sa však vo vnútornom otvore objavili rôzne kvalitatívne nedostatky. Typy chýb a ich podiely sú uvedené v tabuľke 6. Tieto chyby predstavujú značné riziko pre následný proces honovania.
Tabuľka 6. Typy chýb a percentá
Analýza odhalila tri hlavné príčiny vyššie uvedených chýb: Po prvé, priemer nástroja na vnútorné vyvrtávanie bol príliš malý, čo malo za následok nedostatočnú tuhosť nástroja a nestabilné rozmery otvoru po vyvŕtaní. Po druhé, materiál mal vysokú viskozitu, čo viedlo k nestabilnému rezaniu a zlému lámaniu triesok pri použití tradičných parametrov dokončovania, pričom triesky vírili okolo a poškriabali stenu otvoru. Po tretie, rýchlosť rezania bola príliš nízka a nespĺňala požiadavky na rozmerovú presnosť a drsnosť povrchu dielu.
Na vyriešenie týchto problémov boli implementované nasledujúce optimalizačné opatrenia: Najprv vymeňte nástroj na vnútorné vyvrtávanie za nástroj s väčším priemerom, aby sa zlepšila tuhosť nástroja; optimalizovaný vyvrtávací nástroj je znázornený na obrázku 12. Po druhé, zvýšte rýchlosť rezania, aby ste zvýšili hĺbku rezu pri dokončovaní. Po tretie, optimalizujte vnútorný chladiaci systém, aby rezná kvapalina mohla priamo pôsobiť na hrot vyvrtávacieho nástroja. Porovnanie optimalizácií nástrojov je uvedené v tabuľke 7.
Obrázok 12 Optimalizovaný vyvrtávací nástroj
Tabuľka 7 Porovnanie optimalizácie nástroja
4.5 Optimalizácia predĺženého šikmého otvoru
V 13. operácii, horizontálnom frézovaní predĺženého šikmého otvoru, počiatočný plán bol: pomocou φ6mm predĺženej frézy na zväčšenie otvoru na φ7,3mm, skutočný priemer otvoru po opracovaní bol 7,1~7,2mm, s kolísaním rozmerov 0,1mm; po nastavení programu na frézovanie na φ7,5 mm bol priemer otvoru 7,35 až 7,42 mm a kolísanie sa znížilo na 0,07 mm; nakoniec sa na dokončovanie použil výstružník s rovnou stopkou, priemer otvoru bol 7,62 ~ 7,69 mm a rozmery boli extrémne nestabilné.
Pri prvej optimalizácii bol výstružník nahradený vyvrtávacím nástrojom a priemer otvoru po obrobení bol 7,60 ~ 7,72 mm, čo prekročilo požiadavky na toleranciu a spôsobilo vyradenie dielu. Konečný optimalizovaný plán bol: pri použití frézy s premenlivým priemerom 7 mm-na šikmé frézovanie otvorov dosiahla rýchlosť prechodu obrábaných dielov 100 %. Nástroj na obrábanie predĺžených šikmých otvorov je znázornený na obrázku 13.
a) Stopková fréza s rovnou stopkou b) Výstružník s rovnou stopkou c) Vyvrtávacia fréza d) Stopková fréza s premenlivým priemerom Obrázok 13 Nástroje na obrábanie predĺžených šikmých otvorov
4.6 Zlepšenie opracovania ložiskových otvorov
Pri 13. procese obrábania ložiskového otvoru je požiadavka na priemer otvoru mm. Pôvodný plán bol: použiť stopkovú frézu φ20 mm na frézovanie na φ34,4 mm a potom použiť vyvrtávaciu frézu na vyvŕtanie na hotovú veľkosť. Po opracovaní sa však na stene otvoru objavili stopy po vibráciách, ktoré sa po viacerých úpravách parametrov nedali vyriešiť. Obrábacie nástroje sú znázornené na obrázku 14.
a) Vyvrtávacia fréza b) Stopková fréza Obrázok 14 Nástroje na obrábanie ložiskových otvorov
4.7 Vplyv prepichovania na diely
Počiatočný plán presného obrábania otvoru bol: CNC sústruženie presné vyvrtávanie vnútorného otvoru s prídavkom 0,05 mm na jednej strane, honovanie na zabezpečenie tolerancie priemeru otvoru 0,02 mm a valcovitosti 0,02 mm a nakoniec brokovanie vonkajšieho priemeru dielu. Avšak brokovaním došlo k deformácii vnútorného otvoru dielu, pričom priemer sa v axiálnej stredovej polohe zväčšil o 0,015–0,025 mm. Niektoré diely prekročili hornú hranicu tolerancie a boli zošrotované.
Aby sa tento problém vyriešil, postupnosť procesu bola upravená po konzultácii so zákazníkom, honovanie po brúsení. Deformácia vnútorného otvoru po brúsení brokovnicou bola približne 0,025 mm, čo bolo úplne zakryté 0,05 mm jednostrannou-prídavkou vyhradenou na honovanie. Po nastavení by sa tolerancia priemeru vnútorného otvoru po honovaní mohla regulovať v rozmedzí 0,010 mm a valcovitosť v rozmedzí 0,015 mm, čo spĺňa požiadavky na výkres. Vplyv brokovania na vnútornú dieru je uvedený v tabuľke 8.
Tabuľka 8 Vplyv hĺbenia brokov na kontrolu vnútorného otvoru (jednotka: mm)
ČASŤ 5
Záver
Prostredníctvom viacerých kôl optimalizácie a zlepšovania štíhlosti počas fázy overovania spracovania táto presná valcová časť pre letectvo a kozmonautiku konečne dosiahla stabilnú sériovú výrobu. Tradičné skúsenosti so spracovaním už nie sú použiteľné na problémy so spracovaním materiálu 35CD4. Na prekonanie výziev spracovania sú potrebné viaceré opatrenia, ako je optimalizácia procesu, optimalizácia výberu nástrojov a optimalizácia parametrov spracovania [4]. 35CD4 vysokopevnostná-oceľ má vynikajúci výkon, ale prináša aj väčšie výzvy pri spracovaní. Pri samotnej výrobe je potrebné špecificky vyberať modely nástrojov a formulovať rozumné parametre spracovania. S rozvojom vznikajúcich technológií spracovania sa bude náročnosť spracovania takýchto ťažko{10}}obrobiteľných{11}} materiálov postupne znižovať a príslušné skúsenosti so spracovaním je potrebné priebežne sumarizovať a zhromažďovať. Okrem toho má proces brokovania nezvratný vplyv na presné rozmery dielov, čo naznačuje, že procesný návrh je systematický projekt. Usporiadanie procesu sa musí riadiť logickými pravidlami a plne zohľadňovať vzájomný vplyv medzi každým procesom, aby bolo možné sformulovať vedecký a rozumný plán spracovania [5] a dosiahnuť efektívnu výrobu pri zabezpečení kvality produktu.
