Vysokopevnostní ocel 35CD4- je široce používána v přesných válcových částech letectví a kosmonautiky díky svému vynikajícímu výkonu, ale má technické potíže, jako je vysoká tvrdost, vysoká obtížnost řezání, snadná deformace tenkostěnných částí a přísné požadavky na toleranci. V reakci na tyto technické potíže bylo formulováno schéma štíhlého obrábění pokrývající více procesů kombinací materiálových charakteristik s přesnými rozměry a speciálními procesními požadavky dílů. Optimalizací parametrů a nástrojů klíčových článků, jako je vnější soustružení, vnitřní vrtání, obrábění šikmých děr a ložiskových děr v procesu obrábění, a úpravou sekvence brokování a honování byly vyřešeny problémy jako deformace obrábění a rozměrové odchylky. Konečně bylo dosaženo stabilní hromadné výroby dílů a příslušný proces může poskytnout referenci pro obrábění přesných dílů z obtížně obrobitelných--materiálů.
ČÁST 1
Zavedení
Průlom ve výkonnosti leteckých zařízení je velmi závislý na přesnosti obrábění a spolehlivosti hlavních součástí[1]. Vysokopevnostní ocel 35CD4 se stala ideálním materiálem pro přesné válcové části letectví a kosmonautiky díky svým vynikajícím vlastnostem, jako je vysoká pevnost a vysoká prokalitelnost. Avšak vysoká řezná síla a značná tendence k mechanickému zpevnění tohoto materiálu v kombinaci s nepravidelným tvarem a snadnou deformovatelností a přísné přesné rozměrové tolerance válcových částí představují významnou výzvu pro tradiční obráběcí procesy.
K překonání této výrobní výzvy se tento článek zaměřuje na materiálové vlastnosti 35CD4 a procesní požadavky válcových dílů a provádí výzkum procesů štíhlého obrábění. Prostřednictvím řady opatření, včetně optimalizace návrhu procesu, zlepšení výběru nástrojů a úpravy parametrů obrábění, byly systematicky vyřešeny klíčové problémy, jako je deformace obrábění a rozměrové odchylky, což vedlo ke stabilnímu a spolehlivému řešení hromadné výroby.
Tento dokument systematicky přezkoumává nápady na výzkum a vývoj a proces ověřování této technologie s cílem poskytnout technickou referenci pro obrábění podobných přesných dílů pro letectví a kosmonautiku.
ČÁST 2
Procesní charakteristiky přesných válcových dílů v letectví a kosmonautiku
Určitý přesný válcový díl pro letectví vyráběný naší společností je vyroben z 35CD4 a jeho tvar je znázorněn na obrázku 1. Tento díl je nepravidelně tvarovaný díl, jeho speciální struktura je náchylná k deformaci a tloušťka stěny je relativně tenká. Tolerance pro vnitřní otvor a vnější kruh jsou přísně vyžadovány, otvor pro ložisko u patky je přesný otvor a součást má uvnitř šikmé otvory, což ztěžuje kontrolu souvisejících rozměrových tolerancí. Technologické charakteristiky této válcové části se odrážejí především v následujících aspektech.
Obrázek 1. Vnější tvar válcové části
2.1 Vlastnosti materiálu
(1) Kovové vlastnosti
Vysokopevnostní legovaná ocel 35CD4- je běžně používaná středně-uhlíková nikl-chrom-molybdenová ocel v leteckém průmyslu. Její chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Ve srovnání s jinými kovy má tato ocel jedinečné výhody v chemických, fyzikálních a mechanických vlastnostech.
Tabulka 1. Prvky slitiny a parametry 35CD4 (chemické složení)
(2) Materiálové charakteristiky 35CD4
Zahrnujte především následující čtyři body:
① Vysoká pevnost. Protože se jedná o nízkou -uhlíkovou, nízko{2}}legovanou ocel, má vyšší pevnost než -nelegovaná ocel, proto se nazývá „nízko{4}}legovaná vysokopevnostní- ocel“.
② Vysoká mez kluzu. Její mez kluzu je vyšší než u nelegované oceli. Při stejném zatížení lze snížit hmotnost dílů z tohoto materiálu o 20 % až 30 %.
③ Dobrá plasticita a houževnatost. Podíl slitinových prvků je relativně nízký, což dává materiálu jak dobrou plasticitu, tak houževnatost. ④ Vysoká prokalitelnost. Složení slitiny obsahuje prvky jako nikl, chrom a molybden, které dokážou udržet podchlazený austenit oceli vysoce stabilní. Martenzitické a bainitové struktury lze získat zhášením vzduchem.
(3) Charakteristiky zpracování materiálu. Tento materiál má obecně dva stavy tepelného zpracování: normalizace + popouštění a kalení + popouštění. Tvrdost odpovídající těmto dvěma stavům je uvedena v tabulce 2.
Tabulka 2 Tvrdost materiálu
Jak je vidět z tabulky 2, tvrdost a pevnost v tahu tohoto materiálu jsou na vysoké úrovni. Je také bohatý na prvky, jako je chrom a mangan. Tyto faktory dohromady znesnadňují zpracování a jedná se o typický obtížný--obrobitelný materiál. Konkrétní potíže se zpracováním jsou následující:
1) Vysoká řezná síla. Materiál má vysokou tvrdost a pevnost, vysokou atomovou hustotu a vazebnou sílu a vynikající lomovou houževnatost a dlouhodobou -plastičnost. Během procesu řezání je nejen velká řezná síla, ale také výrazně kolísá řezná síla [2].
2) Vysoká teplota řezání. Deformace řezu spotřebovává mnoho energie a vytváří velké množství tepla. Velké množství řezného tepla se koncentruje v řezné zóně a vytváří prostředí s vysokou-teplotou.
3) Vysoká tendence k otužování. Materiál vykazuje dobrou plasticitu a houževnatost s vysokým koeficientem zpevnění. Při kombinovaném působení řezné síly a řezného tepla dochází k silné plastické deformaci, která vede k mechanickému zpevnění. Řezné teplo zároveň způsobuje, že materiál absorbuje atomy vodíku, kyslíku a dusíku z okolního média a vytváří tvrdou a křehkou povrchovou vrstvu, což dále zvyšuje obtížnost řezání.
4) Silné opotřebení nástroje. Vysoké řezné síly a teploty během řezání zesilují tření mezi nástrojem a třískami a materiál nástroje je náchylný k afinitním interakcím s materiálem obrobku. V kombinaci s přítomností tvrdých částic v materiálu a silným pracovním zpevněním je nástroj během řezání vysoce náchylný k adhezivnímu opotřebení, difúznímu opotřebení, abrazivnímu opotřebení, hraničnímu opotřebení a rýhovanému opotřebení, což v konečném důsledku ztrácí svou řeznou schopnost.
5) Obtížná manipulace s třískou. Vysoká pevnost, plasticita a houževnatost tohoto materiálu má za následek, že se během řezání -proplétají třísky podobné stuhám, což představuje bezpečnostní riziko, brání procesu řezání a způsobuje škrábance na povrchu součásti, což ztěžuje splnění požadavků na drsnost povrchu.
6) Velká řezná deformace. Vysoké řezné teploty a vysoká plasticita materiálu při obrábění snadno vedou k tepelné deformaci, takže je obtížné zaručit přesné rozměry a tvary.
(4) Schéma zpracování materiálu Aby bylo zajištěno, že suroviny mohou plně dokončit zpracování kalením a popouštěním, musí být polotovar výkovku před tepelným zpracováním nahrubo-opracován, aby byla zajištěna tloušťka stěny každého průřezu-<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.
Obrázek 2: Blank
Obrázek 3: Hrubý-obrobený tvar
2.2 Charakteristiky procesu Tato část má několik požadavků na vysokou-rozměrovou přesnost. Stabilní a spolehlivý procesní tok musí být navržen komplexním zvážením všech přesných rozměrových parametrů, aby byla zajištěna kvalita produktu. Hlavní přesné rozměry součásti jsou znázorněny na obrázku 4.
Obrázek 4: Hlavní přesné rozměry součásti
(1) Přesný vnější průměr Přesný vnější průměr na portu je mm, s šířkou toleranční zóny pouze 0,022 mm; velikost vnitřního otvoru je φ83,37 mm, což odpovídá tloušťce stěny 2,81 mm. Tento požadavek na rozměrovou toleranci je přísný, stěna součásti je tenká a obtížnost obrábění je extrémně vysoká. (2) Přesný vnitřní otvor: Přesný vnitřní otvor má průměr φ mm a toleranci 0,04 mm. Požadavek na souosost tohoto vnitřního otvoru vzhledem k vnějšímu kruhu je φ0,04 mm, požadavek na válcovitost je φ0,02 mm a hloubka otvoru je 287,5 mm.
(3) Prodloužený šikmý otvor: Jak je znázorněno na obrázku 5, šikmý otvor umístěný v poloze ucha dílu má průměr mm a úhel 45 stupňů s osou dílu. Při obrábění tohoto otvoru je třeba vřeteno obráběcího stroje seřídit do úhlu 45 stupňů s dílem. Aby se zabránilo kolizi mezi nástrojem a upínačem, je pro obráběcí nástroj vyžadována konstrukce s dlouhým přesahem, což představuje hlavní výzvu při obrábění této součásti.
Obrázek 5: Prodloužený šikmý otvor a otvor pro ložisko
(4) Otvor pro ložisko: Jak je znázorněno na obrázku 5, otvor pro ložisko u ucha má průměr mm. Tento otvor lze obrábět pouze z levého konce součásti. Přesah nástroje je velký a požadavek na toleranci průměru je přísný, takže je obtížné zaručit rozměrovou přesnost. 2.3 Speciální procesy
Kromě výše uvedených požadavků na zpracování vyžaduje tato část několik speciálních kroků zpracování, a to následovně:
1) Brokování. Oblast brokování je vnější průměr součásti, ale je třeba se vyhnout části s vnějším průměrem o průměru φmm. Brokování vnitřního otvoru je přísně zakázáno.
2) Chromování. Oblast pochromování je vnitřní otvor o průměru φmm. Tloušťka vrstvy chromu musí být řízena mezi 20 a 25 μm.
3) Pokovování kadmiem. Oblast pokovování kadmiem jsou všechny povrchy kromě oblasti pokovování chromováním.
4) Malování. Oblast lakování je vnější průměr součásti, ale je třeba se vyhnout části s vnějším průměrem o průměru φmm.
ČÁST 3
Návrh procesu obrábění přesného válce letadla
Na základě analýzy vlastností materiálu, přesných rozměrů a speciálních procesů této části válce je plán procesu uveden v tabulce 3.
Tabulka 3 Procesní plán
ČÁST 4
Ověření procesu obrábění přesného válce letadla
4.1 Dokončení vnějšího průměru ucha
Materiál 35CD4 má silnou přilnavost, což ztěžuje lámání třísky během obrábění. Při použití nižších parametrů obrábění se na čelní ploše součásti objevují hluboké řezné stopy, což má za následek roztrhaný vzhled povrchového materiálu. K vyřešení tohoto problému je třeba upravit parametry vnějšího soustružení. Konkrétní optimalizační parametry jsou uvedeny v tabulce 4. Prostřednictvím optimalizace parametrů jsou eliminovány řezné stopy na čelní ploše součásti, obrobená čelní plocha je hladká a kvalita obrábění zůstává konzistentní od středu k okraji. Optimalizovaný stav koncové plochy je znázorněn na obrázku 6.
Tabulka 4 Optimalizace parametrů soustružení čelní plochy
Obrázek 6 Stav součásti po konečném soustružení čelní plochy
4.2 Přesné soustružení vnějšího průměru
14. CNC soustružení je klíčovým procesem při obrábění této součásti. Tato operace využívá samostředící sklíčidlo a středovou podpěru k podpoře vnějšího průměru. Specifické požadavky na obrábění jsou znázorněny na obrázku 7. Přesná tolerance vnějšího průměru součásti je 0,024 mm a obrábění je třeba provést ve třech fázích. Konkrétní parametry obrábění jsou uvedeny v tabulce 5. Vzhledem k vysoké viskozitě materiálu je zapotřebí ostrá vnější soustružnická destička. Preferovaný poloměr hrotu břitové destičky je R0,2 mm. Pokud je poloměr hrotu břitové destičky příliš velký, nelze zaručit požadavky na drsnost povrchu součásti.
Obrázek 7 Požadavky na proces CNC soustružení Tabulka 5 Optimalizace vnějších parametrů soustružení Po dokončení je vnější průměr součásti 88,85~88,89 mm, což překračuje požadavky výkresu. Před nalezením základní příčiny je jediným způsobem, jak upravit velikost, ponechat okraj na vnějším průměru a poté jej ručně vyleštit. Po analýze bude mít kruhovitost vnějšího průměru podporovaného středovou opěrou při upnutí významný vliv na rotační házivost součásti [3]. Při vysokých požadavcích na přesnost přesnosti je tento dopad obzvláště výrazný. Byl změřen upínací vnější průměr dílu s mimo-z{10}}tolerancí a jeho změna kruhovitosti byla 0,020~0,035 mm, což je v zásadě v souladu s fluktuací mimo-z-tolerance vnějšího průměru součásti. K vyřešení tohoto problému je nutné optimalizovat a korigovat technické požadavky referenčního procesu. V procesu vnějšího soustružení 11. procesu je jasně požadováno, aby kruhovitost vnějšího průměru byla řízena v rozmezí 0,01 mm. Konkrétní požadavky na zlepšení jsou znázorněny na obrázku 8. Po přidání požadavků na kontrolu kruhovitosti k 11. procesu se rozměrová stabilita soustružení vnějšího průměru ve 14. procesu výrazně zlepšila. Rozsah fluktuace vnějšího průměru byl snížen na 88,865–88,875 mm a deformace mohla být řízena v rozmezí 0,01 mm. Nebyly vyžadovány žádné místní úpravy ze strany operátora, aby se zajistilo, že tolerance vnějšího průměru splňuje požadavky. Testy stability ověřily, že jediný hrot řezného nástroje mohl stabilně obrábět čtyři díly; po opotřebení nástroje však nebylo možné zaručit rozměrovou přesnost.
Obrázek 8: Požadavky na zlepšení pro základní proces
4.3 Lean Zlepšení spodního povrchu vnitřního otvoru
Během procesu CNC soustružení ve 14. procesu se na spodku dílu objevila vada obrábění, která se projevila jako zbytkový výstupek o průměru 1 mm a výšce 0,3 mm, jak je znázorněno na obrázku 9. Původní plán obrábění byl použít plochou-stopkovou frézu k odstranění spodního přebytku, poté použít vyvrtávací nástroj s velkým-povrchovým průměrem a nakonec vyvrtat spodní otvor. Při odstraňování spodního přídavku pomocí frézy musí být házení nástroje řízeno v rozmezí 0,01 mm. Kvůli malému úkosu ve spodní části ploché-frézy však nelze spodní část součásti opracovat do plochého stavu. Plochá fréza{11}}je znázorněna na obrázku 10.
Obrázek 9: Spodní defekt
Obrázek 10: Fréza s plochým koncem-
K vyřešení tohoto problému bylo schéma obrábění optimalizováno nahrazením dna vyvrtávací frézou s malým průměrem, jak je znázorněno na obrázku 11. Testy obrábění prokázaly, že použití vyvrtávací frézy k vyvrtání dna zcela odstranilo vadu výstupku.
Obrázek 11: Přidána vyvrtávací fréza
4.4 Optimalizace soustružení vnitřních děr
Během 14. operace CNC soustružení ponechává vnitřní vyvrtávání díry na jedné straně přídavek 0,05 mm pro následné honování. Po vyvrtání se však ve vnitřním otvoru objevily různé kvalitativní vady. Typy a podíly vad jsou uvedeny v tabulce 6. Tyto vady představují značné riziko pro následný proces honování.
Tabulka 6. Typy a procenta vad
Analýza odhalila tři hlavní příčiny výše uvedených vad: Za prvé, průměr nástroje pro vnitřní vyvrtávání byl příliš malý, což mělo za následek nedostatečnou tuhost nástroje a nestabilní rozměry otvoru po vyvrtání. Za druhé, materiál měl vysokou viskozitu, což vedlo k nestabilnímu řezání a špatnému lámání třísek při použití tradičních parametrů dokončování, přičemž třísky vířily kolem a poškrábaly stěnu otvoru. Za třetí, řezná rychlost byla příliš nízká a nesplňovala požadavky na rozměrovou přesnost a drsnost povrchu součásti.
K vyřešení těchto problémů byla implementována následující optimalizační opatření: Nejprve vyměňte nástroj pro vnitřní vyvrtávání za nástroj s větším průměrem, aby se zlepšila tuhost nástroje; optimalizovaný vyvrtávací nástroj je znázorněn na obrázku 12. Za druhé, zvyšte řeznou rychlost, abyste zvýšili hloubku řezu při dokončování. Za třetí optimalizujte vnitřní chladicí systém, aby řezná kapalina mohla přímo působit na hrot vyvrtávacího nástroje. Srovnání optimalizací nástrojů ukazuje tabulka 7.
Obrázek 12 Optimalizovaný vyvrtávací nástroj
Tabulka 7 Porovnání optimalizace nástroje
4.5 Optimalizace rozšířeného šikmého otvoru
Ve 13. operaci, horizontální frézování prodlouženého šikmého otvoru, byl původní plán: pomocí φ6mm prodloužené frézy zvětšit otvor na φ7,3mm, skutečný průměr otvoru po obrobení byl 7,1~7,2mm, s kolísáním rozměrů 0,1mm; po úpravě programu na frézování na φ7,5 mm byl průměr otvoru 7,35~7,42 mm a kolísání bylo sníženo na 0,07 mm; nakonec byl pro dokončování použit výstružník s přímou stopkou, průměr otvoru byl 7,62~7,69 mm a rozměry byly extrémně nestabilní.
Při první optimalizaci byl výstružník nahrazen vyvrtávacím nástrojem a průměr otvoru po obrobení byl 7,60~7,72 mm, což překročilo požadavky na toleranci a způsobilo vyřazení součásti. Konečný optimalizovaný plán zněl: s použitím frézy s proměnným průměrem 7 mm-pro frézování šikmých otvorů dosáhla rychlost průchodu obráběných součástí 100 %. Nástroj pro obrábění prodloužených šikmých otvorů je na obrázku 13.
a) Stopková fréza s přímou stopkou b) Výstružník s rovnou stopkou c) Vyvrtávací fréza d) Stopková fréza s proměnným průměrem Obrázek 13 Nástroje pro obrábění prodloužených šikmých otvorů
4.6 Zlepšení obrábění ložiskových otvorů
Při 13. procesu obrábění ložiskového otvoru je požadavek na průměr otvoru mm. Původní plán byl: použít stopkovou frézu φ20 mm k frézování na φ34,4 mm a poté použít vyvrtávací frézu k vyvrtání na konečnou velikost. Po opracování se však na stěně otvoru objevily stopy po vibracích, které nebylo možné po vícenásobných úpravách parametrů vyřešit. Obráběcí nástroje jsou znázorněny na obrázku 14.
a) Vyvrtávací fréza b) Stopková fréza Obrázek 14 Nástroje na obrábění ložiskových otvorů
4.7 Vliv brokování na díly
Původní plán přesného obrábění díry byl: CNC soustružení přesné vyvrtávání vnitřní díry s přídavkem 0,05 mm na jedné straně, honování pro zajištění tolerance průměru díry 0,02 mm a válcovitosti 0,02 mm a nakonec brokování vnějšího průměru součásti. Brokování však způsobilo deformaci vnitřního otvoru součásti, přičemž průměr se v axiální středové poloze zvětšil o 0,015–0,025 mm. Některé díly překročily horní mez tolerance a byly sešrotovány.
Pro vyřešení tohoto problému byla po konzultaci se zákazníkem upravena sekvence procesu, umístění honování po brokování. Deformace vnitřního otvoru po brokování byla přibližně 0,025 mm, což bylo zcela pokryto jednostranným přídavkem 0,05 mm rezervovaným pro honování. Po úpravě mohla být tolerance průměru vnitřního otvoru po honování řízena v rozmezí 0,010 mm a válcovitost v rozmezí 0,015 mm, což splňuje požadavky na výkres. Vliv brokování na vnitřní otvor je uveden v tabulce 8.
Tabulka 8 Vliv hloubení broků na vnitřní kontrolu otvoru (jednotka: mm)
ČÁST 5
Závěr
Prostřednictvím několika kol optimalizace a zlepšování štíhlosti během fáze ověřování zpracování dosáhla tato přesná válcová součást pro letectví a kosmonautiku konečně stabilní sériovou výrobu. Tradiční zkušenosti se zpracováním již nelze aplikovat na potíže se zpracováním materiálu 35CD4. K překonání výzev zpracování je zapotřebí více opatření, jako je optimalizace procesu, optimalizace výběru nástrojů a optimalizace parametrů zpracování [4]. 35Vysokopevnostní ocel CD4-má vynikající výkon, ale přináší také vyšší nároky na zpracování. Při vlastní výrobě je nutné specificky volit modely nástrojů a formulovat rozumné parametry zpracování. S rozvojem vznikajících technologií zpracování se bude obtížnost zpracování takto obtížně{10}}obrobitelných{11}}materiálů postupně snižovat a příslušné zkušenosti se zpracováním je třeba průběžně shromažďovat a shromažďovat. Kromě toho má proces brokování nevratný dopad na přesnost rozměrů dílů, což naznačuje, že procesní návrh je systematický projekt. Uspořádání procesu se musí řídit logickými pravidly a plně zohledňovat vzájemné ovlivňování mezi jednotlivými procesy, aby bylo možné formulovat vědecký a rozumný plán zpracování [5] a dosáhnout efektivní výroby při zajištění kvality produktu.
