A 35CD4 nagyszilárdságú acélt kiváló teljesítménye miatt széles körben használják precíziós, hengeres repülőgép-alkatrészekben, de technikai nehézségei vannak, mint például a nagy keménység, a nagy vágási nehézség, a vékony falú alkatrészek könnyű deformálódása és a szigorú tűréskövetelmények. E technikai nehézségekre válaszul egy több folyamatot lefedő lean megmunkálási sémát alakítottak ki az anyagjellemzők és az alkatrészek precíziós méretei és speciális eljárási követelményei kombinálásával. A kulcsfontosságú láncszemek, mint a külső esztergálás, belső fúrás, ferde furat és csapágyfurat megmunkálás paramétereinek és eszközeinek optimalizálásával a megmunkálási folyamatban, valamint a sörétalakítás és hónolás sorrendjének beállításával olyan problémákat oldottak meg, mint a megmunkálási deformáció és a méreteltérés. Végül az alkatrészek stabil tömeggyártása valósult meg, és a megfelelő eljárás referenciaként szolgálhat nehezen --vágható anyagok precíziós alkatrészeinek megmunkálásához.
1. RÉSZ
Bevezetés
Az űrrepülőgépek teljesítménybeli áttörése nagymértékben függ az alapvető alkatrészek megmunkálási pontosságától és megbízhatóságától[1]. A nagyszilárdságú 35CD4 acél ideális anyaggá vált a repülés precíziós hengeres részeihez, köszönhetően kiváló tulajdonságainak, például a nagy szilárdságnak és a nagy edzhetőségnek. Ennek az anyagnak a nagy forgácsolóereje és jelentős munkakeményedési hajlama azonban, a szabálytalan formájú és könnyen deformálható alakkal, valamint a hengeres részek szigorú precíziós mérettűrésével együtt jelentős kihívás elé állítja a hagyományos megmunkálási folyamatokat.
Ennek a gyártási kihívásnak a leküzdése érdekében ez a cikk a 35CD4 anyagtulajdonságaira és a hengeres alkatrészek folyamatkövetelményeire összpontosít, valamint kutatásokat végez a karcsú megmunkálási folyamatokkal kapcsolatban. Egy sor intézkedéssel, beleértve a folyamattervezés optimalizálását, a szerszám kiválasztásának javítását és a megmunkálási paraméterek beállítását, szisztematikusan megoldották a kulcskérdéseket, mint például a megmunkálási deformációt és a méreteltéréseket, ami stabil és megbízható tömeggyártási megoldást eredményezett.
Ez a cikk szisztematikusan áttekinti ennek a technológiának a kutatási és fejlesztési ötleteit és verifikációs folyamatát, azzal a céllal, hogy műszaki referenciát biztosítson hasonló repülőgépipari precíziós alkatrészek megmunkálásához.
2. RÉSZ
Repülési precíziós hengeres alkatrészek folyamatjellemzői
A cégünk által gyártott bizonyos repülőgépipari precíziós hengeres alkatrész 35CD4-ből készül, formáját az 1. ábra mutatja. Ez az alkatrész szabálytalan alakú, speciális szerkezete deformálódásra hajlamos, falvastagsága viszonylag vékony. A belső furat és a külső kör tűrése szigorúan kötelező, a fülnél lévő csapágyfurat precíziós furat, az alkatrész belsejében ferde furatok vannak, ami megnehezíti a kapcsolódó mérettűrések szabályozását. Ennek a hengeres résznek a technológiai jellemzőit elsősorban a következő szempontok tükrözik.
1. ábra A hengeres rész külső alakja
2.1 Anyagjellemzők
(1) Fémes jellemzők
A 35CD4 nagy -szilárdságú ötvözött acél egy általánosan használt közepes-szén-nikkel-króm-molibdén acél a repülőgépiparban. Kémiai összetételét az 1. táblázat mutatja be. Más fémekhez képest ez az acél egyedülálló előnyökkel rendelkezik kémiai, fizikai és mechanikai tulajdonságaiban.
1. táblázat: A 35CD4 ötvözetelemei és paraméterei (kémiai összetétel)
(2) A 35CD4 anyagjellemzői
Főleg a következő négy pontot tartalmazza:
① Nagy szilárdság. Mivel ez egy alacsony szén-
② Magas folyáshatár. A folyáshatár magasabb, mint az ötvözetlen acélé. Ugyanazon terhelés mellett az ebből az anyagból készült alkatrészek tömege 20-30%-kal csökkenthető.
③ Jó plaszticitás és szívósság. Az ötvözött elemek aránya viszonylag alacsony, ami jó plaszticitást és szívósságot biztosít az anyagnak. ④ Magas edzhetőség. Az ötvözet összetétele olyan elemeket tartalmaz, mint a nikkel, a króm és a molibdén, amelyek az acél túlhűtött ausztenitjét nagyon stabilan tudják tartani. Martenzit és bainit szerkezeteket levegős oltással lehet előállítani.
(3) Anyagfeldolgozási jellemzők. Ennek az anyagnak általában két hőkezelési állapota van: normalizálás + temperálás és kioltás + temperálás. Az e két állapotnak megfelelő keménységet a 2. táblázat mutatja.
2. táblázat Anyagkeménység
Amint a 2. táblázatból látható, ennek az anyagnak a keménysége és szakítószilárdsága egyaránt magas szinten van. Olyan elemekben is gazdag, mint a króm és a mangán. Ezek a tényezők együttesen megnehezítik a feldolgozást, és ez egy tipikus nehezen-megmunkálható-anyag. A konkrét feldolgozási nehézségek a következők:
1) Nagy vágóerő. Az anyag nagy keménységgel és szilárdsággal, nagy atomsűrűséggel és kötőerővel, valamint kiváló törési szilárdsággal és hosszú távú plaszticitással rendelkezik. A vágási folyamat során nemcsak a forgácsolóerő nagy, hanem a forgácsolóerő is jelentősen ingadozik [2].
2) Magas vágási hőmérséklet. A vágási deformáció sok energiát fogyaszt és sok hőt termel. A vágási zónában nagy mennyiségű vágási hő koncentrálódik, és magas hőmérsékletű környezetet alkot-.
3) Nagy hajlam a munkakeményedésre. Az anyag jó plaszticitást és szívósságot mutat, magas erősítési együtthatóval. A forgácsolóerő és a vágási hő együttes hatása alatt súlyos képlékeny deformáción megy keresztül, ami munkakeményedéshez vezet. Ezzel egyidejűleg a vágási hő hatására az anyag hidrogén-, oxigén- és nitrogénatomokat vesz fel a környező közegből, kemény és rideg felületi réteget képezve, tovább növelve a vágás nehézségét.
4) Erős szerszámkopás. A vágás során fellépő nagy forgácsolóerők és hőmérsékletek fokozzák a súrlódást a szerszám és a forgács között, és a szerszám anyaga hajlamos a munkadarab anyagával való affinitási kölcsönhatásokra. Az anyagban lévő kemény részecskék jelenlétével és a kemény munkakeményedéssel kombinálva a szerszám nagyon érzékeny a tapadási kopásra, diffúziós kopásra, csiszolókopásra, határkopásra és vágás közbeni hornyos kopásra, ami végül elveszíti vágási képességét.
5) Nehéz forgácskezelés. Az anyag nagy szilárdsága, plaszticitása és szívóssága szalagszerű, összegabalyodott forgácsokat eredményez a vágás során, ami biztonsági kockázatot jelent, hátráltatja a vágási folyamatot, és karcolásokat okoz az alkatrész felületén, ami megnehezíti a felületi érdesség követelményeinek teljesítését.
6) Nagy vágási deformáció. A magas forgácsolási hőmérséklet és az anyag nagy plaszticitása a megmunkálás során könnyen termikus deformációhoz vezet, ami megnehezíti a pontos méretek és formák garantálását.
(4) Anyagfeldolgozási séma Annak biztosítására, hogy a nyersanyagok teljes mértékben befejezhessék az edzést és a temperálást, a kovácsolt nyersdarabot hőkezelés előtt durva -meg kell forgácsolni, hogy az egyes keresztmetszetek falvastagsága megfelelő legyen.<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.
2. ábra: Üres
3. ábra: Durva-megmunkált forma
2.2 A folyamat jellemzői Ennek az alkatrésznek számos nagy pontosságú-méret követelménye van. A termékminőség biztosítása érdekében az összes precíziós méretparaméter átfogó figyelembevételével stabil és megbízható folyamatfolyamatot kell kialakítani. Az alkatrész főbb precíziós méreteit a 4. ábra mutatja.
4. ábra: Az alkatrész főbb precíziós méretei
(1) Precíziós külső átmérő A precíziós külső átmérő a nyílásnál mm, a tűrészóna szélessége mindössze 0,022 mm; a belső furat mérete φ83,37 mm, ami 2,81 mm-es falvastagságnak felel meg. Ez a mérettűrési követelmény szigorú, az alkatrészfal vékony, és a megmunkálási nehézség rendkívül magas. (2) Precíziós belső furat: A precíziós belső furat átmérője φ mm, tűrése 0,04 mm. Ennek a belső furatnak a külső körhöz viszonyított koaxialitási követelménye φ0,04 mm, hengerességi követelménye φ0,02 mm, furatmélysége 287,5 mm.
(3) Kiterjesztett ferde furat: Amint az 5. ábrán látható, az alkatrész fül pozíciójában található ferde furat átmérője mm, és 45 fokos szöget zár be az alkatrész tengelyével. Ennek a furatnak a megmunkálásakor a szerszámgép orsóját 45 fokos szögbe kell állítani az alkatrészsel. A szerszám és a rögzítőelem közötti interferencia elkerülése érdekében a megmunkáló szerszámnak hosszú túlnyúló szerkezetre van szüksége, ami komoly kihívást jelent ennek az alkatrésznek a megmunkálásában.
5. ábra: Kiterjesztett ferde furat és csapágyfurat
(4) Csapágyfurat: Amint az 5. ábrán látható, a fülnél lévő csapágyfurat átmérője mm. Ezt a furatot csak az alkatrész bal oldali homlokfelületétől lehet megmunkálni. A szerszám túlnyúlása nagy, és az átmérőtűrési követelmények szigorúak, ami megnehezíti a méretpontosság garantálását. 2.3 Speciális eljárások
A fenti feldolgozási követelményeken kívül ez a rész több speciális feldolgozási lépést igényel, az alábbiak szerint:
1) Lövéses peening. A lyukasztási terület az alkatrész külső átmérője, de a φmm átmérőjű külső átmérőjű részt kerülni kell. Szigorúan tilos a belső lyuk súrlódása.
2) Krómozás. A krómozási terület a φmm átmérőjű belső furat. A krómréteg vastagságát 20 és 25 μm között kell szabályozni.
3) Kadmium bevonat. A kadmiummal bevont terület minden felületre vonatkozik, kivéve a krómozási területet.
4) Festés. A festési terület az alkatrész külső átmérője, de a φmm átmérőjű külső átmérőjű részt kerülni kell.
3. RÉSZ
Repülőgép precíziós hengeres megmunkálási folyamattervezés
Ennek a hengerrésznek az anyagtulajdonságainak, precíziós méreteinek és speciális eljárásainak elemzése alapján a folyamatterv a 3. táblázatban látható.
3. táblázat Folyamatterv
4. RÉSZ
Repülőgép precíziós hengermegmunkálási folyamatának ellenőrzése
4.1 A fül külső átmérőjének kidolgozása
A 35CD4 anyag erős tapadású, ami megnehezíti a forgácstörést a megmunkálás során. Alacsonyabb megmunkálási paraméterek alkalmazásakor mély vágásnyomok jelennek meg az alkatrész homlokfelületén, ami a felületi anyag szakadt megjelenését eredményezi. A probléma megoldásához a külső esztergálási megmunkálási paramétereket be kell állítani. A specifikus optimalizálási paramétereket a 4. táblázat mutatja be. A paraméteroptimalizálás révén az alkatrész homlokfelületén lévő forgácsolási nyomok megszűnnek, a megmunkált homlokfelület sima, és a megmunkálási minőség egyenletes marad a középponttól a szélekig. Az optimalizált végfelület állapotát a 6. ábra mutatja.
4. táblázat: Véglap esztergálási paraméterek optimalizálása
6. ábra Alkatrész állapota a véglapok simítása után
4.2 Precíziós külső átmérőjű esztergálás
A 14. CNC esztergálási művelet kulcsfontosságú folyamat ennek az alkatrésznek a megmunkálásában. Ez a művelet egy ön-központosító tokmányt és egy középső támaszt használ a külső átmérő megtámasztására. A konkrét megmunkálási követelményeket a 7. ábra mutatja. Az alkatrész precíziós külső átmérőtűrése 0,024 mm, a megmunkálást három szakaszban kell elvégezni. A konkrét megmunkálási paramétereket az 5. táblázat tartalmazza. Az anyag nagy viszkozitása miatt éles külső esztergabetétre van szükség. A lapkacsúcs előnyös sugara R0,2 mm. Ha a lapkacsúcs sugara túl nagy, nem garantálható az alkatrész felületi érdességi követelménye.
7. ábra CNC esztergálási folyamat követelményei 5. táblázat Külső esztergálási paraméterek optimalizálása Kikészítés után az alkatrész külső átmérője 88,85~88,89 mm, ami meghaladja a rajz követelményeit. Mielőtt megtalálná a kiváltó okot, a méret beállításának egyetlen módja az, hogy margót hagy a külső átmérőn, majd kézzel polírozza azt. Az elemzés után a középső támasz által megtámasztott külső átmérő kereksége a befogás során jelentős hatással lesz az alkatrész forgási lefutására [3]. A nagy pontosságú tűréskövetelmények mellett ez a hatás különösen szembetűnő. Megmérték a tűrésen kívüli rész szorító külső átmérőjét, és a kerekség változása 0,020–0,035 mm volt, ami alapvetően összhangban van az alkatrész külső átmérőjének A probléma megoldásához optimalizálni és korrigálni kell a referenciafolyamat műszaki követelményeit. A 11. eljárás külső esztergálásánál egyértelműen előírják, hogy a külső átmérő kerekségét 0,01 mm-en belül kell szabályozni. A specifikus fejlesztési követelményeket a 8. ábra mutatja. Miután a 11. eljáráshoz hozzáadtuk a kerekség-szabályozási követelményeket, a 14. eljárásban a külső átmérő esztergálásának méretstabilitása jelentősen javult. A külső átmérő ingadozási tartománya 88,865-88,875 mm-re csökkent, a deformáció 0,01 mm-en belül szabályozható volt. Nem volt szükség a kezelőnek helyi beállításra annak biztosítására, hogy a külső átmérő tűrés megfeleljen a követelményeknek. Stabilitási tesztek igazolták, hogy egyetlen vágószerszám csúcsával négy alkatrész stabilan megmunkálható; a méretpontosságot azonban a szerszámkopás után nem lehetett garantálni.
8. ábra: Az alapfolyamat fejlesztési követelményei
4.3 A belső furat alsó felületének karcsú javítása
A 14. folyamatban a CNC esztergálás során egy megmunkálási hiba jelent meg az alkatrész alján, ami egy 1 mm átmérőjű és 0,3 mm magas maradék kiemelkedésben nyilvánult meg, amint az a 9. ábrán látható. A kezdeti megmunkálási terv az volt, hogy egy lapos-végmaró segítségével távolítsuk el az alsó felesleget, majd egy nagy-fúrószerszámmal a fúrófelületet és az átmérőt. Az alsó ráhagyás maróval történő eltávolításakor a szerszám kifutását 0,01 mm-en belül kell szabályozni. A lapos-végmaró alján található kis ferde miatt azonban az alkatrész alját nem lehet laposra megmunkálni. A lapos{11}}végmaró a 10. ábrán látható.
9. ábra: Alsó hiba
10. ábra: Lapos-végmarás
A probléma megoldása érdekében a megmunkálási sémát úgy optimalizálták, hogy az alját egy kis -átmérőjű fúróvágóra cserélték, amint az a 11. ábrán látható. A megmunkálási tesztek bebizonyították, hogy egy fúrószerszám használata az aljzat kifúrására teljesen kiküszöbölte a kiemelkedés hibáját.
11. ábra: Hozzáadott fúróvágó
4.4 Belső furatesztergálás optimalizálása
A 14. CNC esztergálási művelet során a belső furatfúrás 0,05 mm-es ráhagyást hagy az egyik oldalon a későbbi hónoláshoz. Fúrás után azonban különböző minőségi hibák jelentek meg a belső furatban. A hibák típusait és arányait a 6. táblázat tartalmazza. Ezek a hibák jelentős kockázatot jelentenek a későbbi hónolási folyamatra.
6. táblázat: Hibatípusok és százalékos arányok
Az elemzés a fent említett hibák három fő okát tárta fel: Először is, a belső fúrószerszám átmérője túl kicsi volt, ami a szerszám elégtelen merevségét és instabil furatméreteket eredményezett a fúrás után. Másodszor, az anyag nagy viszkozitású volt, ami instabil vágáshoz és gyenge forgácstöréshez vezetett a hagyományos befejezési paraméterek alkalmazásakor, miközben forgácsok kavarogtak és megkarcolták a lyuk falát. Harmadszor, a vágási sebesség túl alacsony volt, ami nem felelt meg az alkatrész méretpontossági és felületi érdesség követelményeinek.
E problémák megoldására a következő optimalizálási intézkedéseket hajtották végre: Először cserélje ki a belső fúrószerszámot egy nagyobb átmérőjűre a szerszám merevségének javítása érdekében; Az optimalizált fúrószerszám a 12. ábrán látható. Másodszor, növelje a vágási sebességet, hogy növelje a vágási mélységet a simításnál. Harmadszor, optimalizálja a belső hűtőrendszert, hogy a vágófolyadék közvetlenül a fúrószerszám hegyére tudjon hatni. A szerszámoptimalizálások összehasonlítása a 7. táblázatban látható.
12. ábra Optimalizált fúróeszköz
7. táblázat Eszközoptimalizálás összehasonlítása
4.5 A kiterjesztett ferde furat optimalizálása
A 13. műveletnél, a kiterjesztett ferde furat vízszintes marásánál a kezdeti terv a következő volt: φ6 mm-es meghosszabbított maróval a furatot φ7,3 mm-re nagyították, a tényleges furatátmérő megmunkálás után 7,1-7,2 mm volt, 0,1 mm-es méretingadozás mellett; a marási program φ7,5 mm-re történő beállítása után a furat átmérője 7,35-7,42 mm volt, és az ingadozás 0,07 mm-re csökkent; végül egy egyenes szárú dörzsárat használtak a befejezéshez, a furat átmérője 7,62–7,69 mm volt, és a méretei rendkívül instabilok voltak.
Az első optimalizálás során a dörzsárat fúrószerszámra cserélték, és a furat átmérője megmunkálás után 7,60-7,72 mm volt, ami meghaladja a tűréskövetelményeket, és az alkatrész selejtezését okozta. A végső optimalizált terv a következő volt: 7 mm átmérőjű változtatható-átmérőjű maróval ferde furatmaráshoz a megmunkált alkatrészek áthaladási aránya elérte a 100%-ot. A kiterjesztett ferde furat megmunkálására szolgáló szerszám a 13. ábrán látható.
a) Egyenes szárú szármaró b) Egyenes szárú dörzsár c) Fúróvágó d) Változó átmérőjű szármaró 13. ábra Kiterjesztett ferde furat megmunkáló szerszámok
4.6 A csapágyfuratok megmunkálásának fejlesztése
A csapágyfurat 13. megmunkálási folyamatában a furatátmérő követelmény mm. Az eredeti terv a következő volt: használjon φ20 mm-es szármarót a φ34,4 mm-es maráshoz, majd egy fúróvágóval fúrjon a kész méretre. A megmunkálás után azonban vibrációs nyomok jelentek meg a furat falán, amit többszöri paraméterezés után sem sikerült feloldani. A megmunkáló szerszámokat a 14. ábra mutatja.
a) Furatvágó b) Végmaró 14. ábra Csapágyfurat megmunkáló szerszámok
4.7 A kivágás hatása az alkatrészekre
A kezdeti precíziós furatmegmunkálási terv a következő volt: CNC eszterga precíziós fúrás a belső furatban 0,05 mm-es ráhagyással az egyik oldalon, hónolás a 0,02 mm-es furatátmérő-tűrés és a 0,02 mm-es hengeresség érdekében, végül az alkatrész külső átmérőjének lőtt kivágása. A lövöldözés azonban az alkatrész belső furatának deformációját okozta, az átmérő 0,015-0,025 mm-rel nőtt axiális középső pozícióban. Egyes részek túllépték a felső tűréshatárt, és leselejtezték őket.
Ennek a problémának a megoldására a vevővel történt egyeztetést követően a folyamatok sorrendjét igazították, a hónolást a sörétes vágás után helyezték el. A belső lyuk deformációja a sörétes kivágás után kb. 0,025 mm volt, amit a hónolásra fenntartott 0,05 mm-es egyoldali ráhagyás teljesen lefedett. A beállítás után a belső furat átmérő tűrés a hónolás után 0,010 mm-en belül, a hengeresség 0,015 mm-en belül szabályozható, a rajzi követelményeknek megfelelően. A sörétezés hatását a belső lyukra a 8. táblázat mutatja.
8. táblázat A súrlódás hatása a belső furatszabályozásra (Mértékegység: mm)
5. RÉSZ
Következtetés
A feldolgozás ellenőrzési szakaszában végzett többszöri lean optimalizálás és fejlesztés révén ez a repülőgépipari precíziós hengeres alkatrész végül stabil tömegtermelést ért el. A hagyományos feldolgozási tapasztalatok már nem alkalmazhatók a 35CD4 anyagok feldolgozási nehézségeire. A feldolgozási kihívások leküzdéséhez többféle intézkedésre van szükség, mint például a folyamatoptimalizálás, a szerszámkiválasztás optimalizálása és a feldolgozási paraméterek optimalizálása. [4] A . 35CD4 nagyszilárdságú-acél kiváló teljesítményt nyújt, de magasabb feldolgozási kihívásokat is jelent. A tényleges gyártás során szükséges a szerszámmodellek konkrét kiválasztása és az ésszerű feldolgozási paraméterek megfogalmazása. A feltörekvő feldolgozási technológiák fejlődésével az ilyen nehezen{10}}megmunkálható-anyagok feldolgozási nehézségei fokozatosan csökkennek, és a releváns feldolgozási tapasztalatokat folyamatosan összegezni és felhalmozni kell. Ezen túlmenően, a sörétezési folyamat visszafordíthatatlanul befolyásolja az alkatrészek precíziós méreteit, ami azt jelzi, hogy a folyamattervezés szisztematikus projekt. A folyamatelrendezésnek logikai szabályokat kell követnie, és teljes mértékben figyelembe kell vennie az egyes folyamatok kölcsönös hatását, hogy tudományos és ésszerű feldolgozási tervet alakítsanak ki [5], és hatékony termelést érjenek el a termékminőség biztosítása mellett.
