35CD4 høj-stål er meget udbredt i præcisionscylindriske dele af rumfart på grund af dets fremragende ydeevne, men det har tekniske vanskeligheder såsom høj hårdhed, høj skærebesvær, let deformation af tynde-væggede dele og strenge tolerancekrav. Som svar på disse tekniske vanskeligheder blev et slankt bearbejdningsskema, der dækker flere processer, formuleret ved at kombinere materialeegenskaberne med delenes præcisionsdimensioner og særlige proceskrav. Ved at optimere parametrene og værktøjerne for nøgleled såsom ekstern drejning, indvendig boring, skrå hul og lejehuls bearbejdning i bearbejdningsprocessen, og justere rækkefølgen af spånblødning og honing, blev problemer såsom bearbejdningsdeformation og dimensionelle afvigelser løst. Endelig blev der opnået en stabil masseproduktion af dele, og den relevante proces kan give en reference til bearbejdning af præcisionsdele af svært-at-skære materialer.
DEL 1
Indledning
Luftfartsudstyrs præstationsgennembrud er meget afhængig af bearbejdningsnøjagtigheden og pålideligheden af kernekomponenter[1]. Høj-styrkestål 35CD4 er blevet et ideelt materiale til præcisionscylindriske dele af rumfart på grund af dets fremragende egenskaber såsom høj styrke og høj hærdbarhed. Imidlertid udgør dette materiales høje skærekraft og betydelige hærdningstendens, kombineret med den uregelmæssige form og let deformerbare, og de stringente præcisionsdimensionelle tolerancer for de cylindriske dele, en betydelig udfordring for traditionelle bearbejdningsprocesser.
For at overvinde denne produktionsudfordring fokuserer dette papir på materialeegenskaberne af 35CD4 og proceskravene til cylindriske dele og udfører forskning i slanke bearbejdningsprocesser. Gennem en række tiltag, herunder optimering af procesdesign, forbedring af værktøjsvalg og justering af bearbejdningsparametre, blev nøglespørgsmål såsom bearbejdningsdeformation og dimensionelle afvigelser systematisk løst, hvilket resulterede i en stabil og pålidelig masseproduktionsløsning.
Dette papir gennemgår systematisk forsknings- og udviklingsideerne og verifikationsprocessen for denne teknologi med det formål at give teknisk reference til bearbejdning af lignende præcisionsdele til luftfartsindustrien.
DEL 2
Proceskarakteristika for præcisionscylindriske dele til luftfartsindustrien
En vis præcision cylindrisk del fremstillet af vores virksomhed er lavet af 35CD4, og dens form er vist i figur 1. Denne del er en uregelmæssigt formet del, dens specielle struktur er tilbøjelig til deformation, og dens vægtykkelse er relativt tynd. Tolerancerne for det indre hul og den ydre cirkel er strengt påkrævet, lejehullet ved tappen er et præcisionshul, og delen har skrå huller indeni, hvilket gør kontrollen af relaterede dimensionelle tolerancer vanskelig. De teknologiske egenskaber ved denne cylindriske del afspejles hovedsageligt i følgende aspekter.
Figur 1. Udvendig form af den cylindriske del
2.1 Materialeegenskaber
(1) Metalliske egenskaber
35CD4 høj-legeret stål er et almindeligt anvendt medium-kulstofnikkel-chrom-molybdænstål i rumfartsindustrien. Dets kemiske sammensætning er vist i tabel 1. Sammenlignet med andre metaller har dette stål unikke fordele med hensyn til kemiske, fysiske og mekaniske egenskaber.
Tabel 1. Legeringselementer og parametre for 35CD4 (kemisk sammensætning)
(2) Materialeegenskaber for 35CD4
Inkluder primært følgende fire punkter:
① Høj styrke. Fordi det er et lav-kulstof, lav-legeret stål, har det højere styrke end ikke-legeret stål, derfor kaldes det "lav-legeret høj-styrkestål".
② Høj flydespænding. Dens flydegrænse er højere end for ikke-legeret stål. Under samme belastning kan vægten af dele lavet af dette materiale reduceres med 20% til 30%.
③ God plasticitet og sejhed. Andelen af legeringselementer er relativt lav, hvilket giver materialet både god plasticitet og sejhed. ④ Høj hærdeevne. Legeringssammensætningen indeholder elementer som nikkel, krom og molybdæn, som kan holde stålets superafkølede austenit meget stabil. Martensit- og bainitstrukturer kan opnås ved luftkøling.
(3) Materialebearbejdningsegenskaber. Dette materiale har generelt to varmebehandlingstilstande: normalisering + temperering og quenching + temperering. Hårdheden svarende til disse to tilstande er vist i tabel 2.
Tabel 2 Materialehårdhed
Som det fremgår af tabel 2, er hårdheden og trækstyrken af dette materiale begge på et højt niveau. Den er også rig på elementer som krom og mangan. Disse faktorer tilsammen gør det vanskeligt at bearbejde, og det er et typisk svært-at-materiale. De specifikke behandlingsproblemer er som følger:
1) Høj skærekraft. Materialet har høj hårdhed og styrke, høj atomartæthed og bindingskraft og fremragende brudsejhed og langtidsplasticitet. Under skæreprocessen er ikke kun skærekraften stor, men skærekraften svinger også betydeligt [2].
2) Høj skæretemperatur. Skæredeformationen bruger meget strøm og genererer meget varme. En stor mængde skærevarme er koncentreret i skærezonen og danner et miljø med høje-temperaturer.
3) Høj tendens til arbejdshærdning. Materialet udviser god plasticitet og sejhed med en høj forstærkningskoefficient. Under de kombinerede virkninger af skærekraft og skærevarme gennemgår den alvorlig plastisk deformation, hvilket fører til arbejdshærdning. Samtidig får skærevarme materialet til at absorbere brint-, oxygen- og nitrogenatomer fra det omgivende medium, hvilket danner et hårdt og skørt overfladelag, hvilket yderligere øger sværhedsgraden ved skæring.
4) Alvorligt værktøjsslitage. Høje skærekræfter og temperaturer under skæring intensiverer friktionen mellem værktøjet og spånerne, og værktøjsmaterialet er tilbøjeligt til affinitetsinteraktioner med emnematerialet. Kombineret med tilstedeværelsen af hårde partikler i materialet og kraftig hærdning, er værktøjet meget modtageligt for klæbemiddelslid, diffusionsslid, slibende slid, grænseslid og rilleslid under skæring, hvilket i sidste ende mister sin skæreevne.
5) Vanskelig spånhåndtering. Materialets høje styrke, plasticitet og sejhed resulterer i båndlignende-spåner under skæring, hvilket udgør sikkerhedsrisici, hindrer skæreprocessen og forårsager ridser på delens overflade, hvilket gør det vanskeligt at opfylde kravene til overfladeruhed.
6) Stor skærende deformation. Høje skæretemperaturer og høj materialeplasticitet under bearbejdning fører let til termisk deformation, hvilket gør det vanskeligt at garantere præcise dimensioner og former.
(4) Materialebehandlingsskema For at sikre, at råmaterialerne kan fuldføre bratkølings- og hærdningsbehandlingen fuldt ud, skal smedeemnet råbearbejdes- før varmebehandlingen for at sikre, at vægtykkelsen af hvert- tværsnit er<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.
Figur 2: Blank
Figur 3: Ru-bearbejdet form
2.2 Proceskarakteristika Denne del har adskillige høje-dimensionelle krav. Et stabilt og pålideligt procesflow skal designes ved at overveje alle præcisionsdimensionelle parametre for at sikre produktkvalitet. De vigtigste præcisionsdimensioner af delen er vist i figur 4.
Figur 4: Delens vigtigste præcisionsdimensioner
(1) Præcisions ydre diameter Den ydre præcisionsdiameter ved porten er mm, med en tolerancezonebredde på kun 0,022 mm; den indre hulstørrelse er φ83,37 mm, svarende til en vægtykkelse på 2,81 mm. Dette dimensionelle tolerancekrav er strengt, delvæggen er tynd, og bearbejdningsbesværet er ekstremt højt. (2) Indvendigt præcisionshul: Det indre præcisionshul har en diameter på φ mm og en tolerance på 0,04 mm. Koaksialitetskravet for dette indre hul i forhold til den ydre cirkel er φ0,04 mm, cylindricitetskravet er φ0,02 mm, og huldybden er 287,5 mm.
(3) Forlænget skrå hul: Som vist i figur 5 har det skrå hul placeret ved delens øreposition en diameter på mm og en vinkel på 45 grader med delens akse. Ved bearbejdning af dette hul skal værktøjsmaskinens spindel justeres til en 45 graders vinkel med delen. For at undgå interferens mellem værktøjet og fiksturen kræves der en lang overhængsstruktur til bearbejdningsværktøjet, hvilket er en stor udfordring ved bearbejdning af denne del.
Figur 5: Forlænget skrå hul og lejehul
(4) Lejehul: Som vist i figur 5 har lejehullet ved øret en diameter på mm. Dette hul kan kun bearbejdes fra delens venstre endeflade. Værktøjsudhænget er stort, og diametertolerancekravet er strengt, hvilket gør det vanskeligt at garantere dimensionsnøjagtighed. 2.3 Specialprocesser
Ud over ovenstående behandlingskrav kræver denne del flere specielle behandlingstrin, som følger:
1) Skudblæsning. Skudblæsningsområdet er delens ydre diameter, men den ydre diameterdel med en diameter på φmm skal undgås. Skudblæsning af det indre hul er strengt forbudt.
2) Forkromning. Forkromningsområdet er det indre hul med en diameter på φmm. Chromlagtykkelsen skal kontrolleres mellem 20 og 25 μm.
3) Cadmiumbelægning. Cadmiumbelægningsområdet er alle overflader undtagen forkromningsområdet.
4) Maleri. Maleområdet er delens ydre diameter, men den ydre diameterdel med en diameter på φmm skal undgås.
DEL 3
Aircraft Precision Cylinder Machining Process Design
Baseret på analysen af materialeegenskaber, præcisionsdimensioner og specielle processer for denne cylinderdel, er procesplanen vist i tabel 3.
Tabel 3 Procesplan
DEL 4
Verifikation af flypræcisionscylinderbearbejdningsproces
4.1 Efterbehandling af ørets ydre diameter
35CD4-materiale har stærk vedhæftning, hvilket gør spånbrud vanskelig under bearbejdning. Ved brug af lavere bearbejdningsparametre vises dybe skæremærker på endefladen af delen, hvilket resulterer i et revet udseende af overfladematerialet. For at løse dette problem skal de eksterne drejebearbejdningsparametre justeres. Specifikke optimeringsparametre er vist i tabel 4. Gennem parameteroptimering elimineres skæremærkerne på endefladen af delen, den bearbejdede endeflade er glat, og bearbejdningskvaliteten forbliver ensartet fra midten til kanten. Den optimerede endefladetilstand er vist i figur 6.
Tabel 4 Optimering af endefladedrejning
Figur 6 Deltilstand efter drejning af endefladen
4.2 Præcisionsdrejning med udvendig diameter
Den 14. CNC-drejning er en nøgleproces i bearbejdningen af denne del. Denne operation bruger en selv-centrerende borepatron og en midterstøtte til at understøtte den udvendige diameter. Specifikke bearbejdningskrav er vist i figur 7. Den udvendige præcisionstolerance for delen er 0,024 mm, og bearbejdningen skal udføres i tre trin. Specifikke bearbejdningsparametre er vist i tabel 5. På grund af materialets høje viskositet kræves et skarpt udvendigt drejeskær. Den foretrukne skærspidsradius er R0,2 mm. Hvis skærspidsens radius er for stor, kan delens overfladeruhedskrav ikke garanteres.
Figur 7 Krav til CNC-drejeproces Tabel 5 Optimering af eksterne drejeparametre Efter færdiggørelse er delens ydre diameter 88,85~88,89 mm, hvilket overstiger kravene i tegningen. Før man finder årsagen, er den eneste måde at justere størrelsen på at efterlade en margen på den ydre diameter og derefter polere den manuelt. Efter analyse vil rundheden af den ydre diameter understøttet af midterstøtten under fastspænding have en væsentlig indflydelse på delens rotationsudløb [3]. Under de høje præcisionstolerancekrav er denne påvirkning særligt fremtrædende. Den ydre klemmediameter på delen uden for-{10}}tolerance blev målt, og dens rundhedsændring var 0,020~0,035 mm, hvilket grundlæggende er i overensstemmelse med ud{13}}udsvingningen af-tolerancen af delens ydre diameter. For at løse dette problem er det nødvendigt at optimere og korrigere de tekniske krav til referenceprocessen. I den udvendige drejning af den 11. proces er det klart påkrævet, at rundingen af den ydre diameter kontrolleres inden for 0,01 mm. De specifikke forbedringskrav er vist i figur 8. Efter tilføjelse af rundhedskontrolkrav til den 11. proces, blev dimensionsstabiliteten af den ydre diameterdrejning i den 14. proces væsentligt forbedret. Udsvingsområdet for den ydre diameter blev reduceret til 88,865-88,875 mm, og deformationen kunne kontrolleres inden for 0,01 mm. Ingen lokale justeringer af operatøren var påkrævet for at sikre, at den ydre diametertolerance opfyldte kravene. Stabilitetstests bekræftede, at en enkelt skærende værktøjsspids stabilt kunne bearbejde fire dele; dimensionsnøjagtighed kunne dog ikke garanteres efter værktøjsslid.
Figur 8: Forbedringskrav til basisprocessen
4.3 Lean forbedring af bundfladen af det indre hul
Under CNC-drejningsprocessen i den 14. proces opstod der en bearbejdningsfejl i bunden af delen, manifesteret som et resterende nav med en diameter på 1 mm og en højde på 0,3 mm, som vist i figur 9. Den oprindelige bearbejdningsplan var at bruge en flad-endefræser til at fjerne det overskydende bundfræser, derefter bruge et stort{{4} diameterværktøj til at bore det endelige{5} værktøj. bundfladen. Ved fjernelse af bundtillæg ved hjælp af en fræser, skal værktøjsudløbet kontrolleres inden for 0,01 mm. På grund af den lille affasning i bunden af den flade-endefræser, kan bunden af delen ikke bearbejdes til en flad tilstand. Den flade-pindfræser er vist i figur 10.
Figur 9: Bunddefekt
Figur 10: Flad-endefræser
For at løse dette problem blev bearbejdningsskemaet optimeret ved at erstatte bunden med en boreskærer med lille -diameter, som vist i figur 11. Bearbejdningstests viste, at brugen af en boreskærer til at bore bunden fuldstændigt eliminerede navdefekten.
Figur 11: Tilføjet Boring Cutter
4.4 Optimering af indre huldrejning
Under den 14. CNC-drejeoperation efterlader den indvendige hulboring et 0,05 mm-rum på den ene side til efterfølgende honing. Men efter boring optrådte forskellige kvalitetsfejl i det indvendige hul. Fejltyperne og proportionerne er vist i tabel 6. Disse defekter udgør en væsentlig risiko for den efterfølgende slibeproces.
Tabel 6. Fejltyper og procenter
Analyse afslørede tre hovedårsager til de førnævnte defekter: For det første var diameteren af det indvendige boreværktøj for lille, hvilket resulterede i utilstrækkelig værktøjsstivhed og ustabile huldimensioner efter boring. For det andet havde materialet høj viskositet, hvilket førte til ustabil skæring og dårlig spånbrud ved brug af traditionelle efterbehandlingsparametre, hvor spåner hvirvlede rundt og ridser hulvæggen. For det tredje var skærehastigheden for lav, idet den ikke opfyldte delens krav til dimensionsnøjagtighed og overfladeruhed.
For at løse disse problemer blev følgende optimeringsforanstaltninger implementeret: Udskift først det indvendige boreværktøj med et større diameter for at forbedre værktøjets stivhed; det optimerede boreværktøj er vist i figur 12. For det andet skal du øge skærehastigheden for at øge skæredybden ved efterbehandling. For det tredje, optimer det interne kølesystem for at tillade skærevæsken at virke direkte på boreværktøjets spids. En sammenligning af værktøjsoptimeringer er vist i tabel 7.
Figur 12 Optimeret boreværktøj
Tabel 7 Sammenligning af værktøjsoptimering
4.5 Optimering af forlænget skrå hul
I den 13. operation, vandret fræsning af det forlængede skrå hul, var den oprindelige plan: ved at bruge en φ6 mm forlænget fræser til at forstørre hullet til φ7,3 mm, var den faktiske huldiameter efter bearbejdning 7,1~7,2 mm, med en dimensionsudsving på 0,1 mm; efter justering af programmet til fræsning til φ7,5 mm, var huldiameteren 7,35~7,42 mm, og udsvinget blev reduceret til 0,07 mm; endelig blev der brugt en lige skaftrømmer til efterbehandling, huldiameteren var 7,62~7,69 mm, og dimensionerne var ekstremt ustabile.
I den første optimering blev riveren udskiftet med et boreværktøj, og huldiameteren efter bearbejdning var 7,60~7,72 mm, hvilket overskred tolerancekravene og forårsagede, at delen blev skrottet. Den endelige optimerede plan var: ved at bruge en 7 mm diameter variabel- diameter fræser til skrå hulfræsning nåede gennemløbshastigheden af de bearbejdede dele 100 %. Værktøjet til bearbejdning af udvidet skrå hul er vist i figur 13.
a) Lige skaft pindfræser b) Lige skaft river c) Bore fræser d) Variabel diameter pindfræser Figur 13 Udvidet skrå hul bearbejdningsværktøj
4.6 Forbedring af bearbejdning af lejehul
I den 13. bearbejdningsproces af lejehullet er kravet til huldiameter mm. Den oprindelige plan var: brug en φ20 mm pindfræser til at fræse til φ34,4 mm, og brug derefter en borefræser til at bore til den færdige størrelse. Efter bearbejdning opstod der dog vibrationsmærker på hulvæggen, som ikke kunne løses efter flere parameterjusteringer. Bearbejdningsværktøjerne er vist i figur 14.
a) Boreskærer b) Pindfræser Figur 14 Værktøjer til bearbejdning af lejehul
4.7 Indvirkning af shot pening på dele
Den oprindelige plan for præcisionshulsbearbejdning var: CNC-drejning præcisionsboring af det indre hul med en 0,05 mm justering på den ene side, honing for at sikre en huldiametertolerance på 0,02 mm og en cylindricitet på 0,02 mm, og til sidst kugleblæsning af delens ydre diameter. Skudblæsning forårsagede imidlertid deformation af delens indre hul, hvor diameteren steg med 0,015-0,025 mm i den aksiale midterposition. Nogle dele overskred den øvre tolerancegrænse og blev skrottet.
For at løse dette problem blev procesrækkefølgen justeret efter samråd med kunden, hvor honing blev anbragt efter shot peening. Deformationen af det indvendige hul efter kugleblæsning var ca. 0,025 mm, hvilket var fuldstændigt dækket af det 0,05 mm enkelt-tilskud, der var reserveret til honing. Efter justeringen kunne den indre huldiametertolerance efter honning kontrolleres inden for 0,010 mm, og cylindriciteten inden for 0,015 mm, hvilket opfylder tegningskravene. Indvirkningen af shot peening på det indre hul er vist i tabel 8.
Tabel 8 Indvirkning af shot pening på intern hulkontrol (Enhed: mm)
DEL 5
Konklusion
Gennem flere runder af lean optimering og forbedring under behandlingsverifikationsstadiet opnåede denne præcisionscylindriske del til luftfarten endelig en stabil masseproduktion. Traditionel bearbejdningserfaring er ikke længere anvendelig til bearbejdningsvanskelighederne for 35CD4-materiale. Flere tiltag, såsom procesoptimering, optimering af værktøjsvalg og procesparameteroptimering, er nødvendige for at overvinde behandlingsudfordringerne [4]. 35CD4 høj-stål har fremragende ydeevne, men det medfører også højere forarbejdningsudfordringer. I egentlig produktion er det nødvendigt at udvælge værktøjsmodeller specifikt og formulere rimelige forarbejdningsparametre. Med udviklingen af nye forarbejdningsteknologier vil bearbejdningsvanskeligheden for så vanskelige-at-materialer gradvist falde, og relevant behandlingserfaring skal løbende opsummeres og akkumuleres. Derudover har shotpeening-processen en irreversibel indvirkning på delenes præcisionsdimensioner, hvilket indikerer, at procesdesign er et systematisk projekt. Procesarrangementet skal følge logiske regler og fuldt ud tage højde for den gensidige indflydelse mellem hver proces for at kunne formulere en videnskabelig og rimelig behandlingsplan [5] og opnå en effektiv produktion og samtidig sikre produktkvalitet.
