Челик 35ЦД4 високе-челик се широко користи у прецизним цилиндричним деловима ваздухопловства због својих одличних перформанси, али има техничке потешкоће као што су висока тврдоћа, велика тешкоћа сечења, лака деформација делова са танким-зидовима и строги захтеви за толеранцију. Као одговор на ове техничке потешкоће, формулисана је шема витке обраде која покрива више процеса комбиновањем карактеристика материјала са прецизним димензијама и посебним захтевима процеса делова. Оптимизацијом параметара и алата кључних карика као што су спољно стругање, унутрашње бушење, обрада косих рупа и рупа лежаја у процесу обраде, и подешавањем редоследа сачмарења и хонања, решени су проблеми као што су машинска деформација и одступање димензија. Коначно, постигнута је стабилна масовна производња делова, а релевантни процес може да пружи референцу за машинску обраду прецизних делова тешко--материјала за сечење.
ДЕО 1
Увод
Пробој у перформансама ваздухопловне опреме у великој мери зависи од тачности обраде и поузданости основних компоненти[1]. Челик-велике чврстоће 35ЦД4 постао је идеалан материјал за прецизне цилиндричне делове ваздухопловства због својих одличних карактеристика као што су висока чврстоћа и висока каљивост. Међутим, велика сила резања и значајна склоност ка каљењу овог материјала, у комбинацији са неправилним обликом и лако деформабилним, и строге прецизне димензионалне толеранције цилиндричних делова, представљају значајан изазов традиционалним процесима обраде.
Да би се превазишао овај производни изазов, овај рад се фокусира на својства материјала 35ЦД4 и процесне захтеве цилиндричних делова, и спроводи истраживање о процесима витке обраде. Кроз низ мера, укључујући оптимизацију дизајна процеса, побољшање избора алата и подешавање параметара обраде, систематски су решени кључни проблеми као што су деформација машинске обраде и одступања димензија, што је резултирало стабилним и поузданим решењем за масовну производњу.
Овај рад систематски разматра идеје истраживања и развоја и процес верификације ове технологије, са циљем да пружи техничку референцу за машинску обраду сличних делова за ваздухопловство.
ДЕО 2
Карактеристике процеса ваздухопловних прецизних цилиндричних делова
Одређени ваздухопловни прецизни цилиндрични део наше компаније је направљен од 35ЦД4, а његов облик је приказан на слици 1. Овај део је неправилног облика, посебне структуре је склона деформацијама, а дебљина зида је релативно танка. Толеранције за унутрашњу рупу и спољашњи круг су стриктно потребне, рупа за лежај на ушцу је прецизна рупа, а део има косих рупа унутра, што отежава контролу сродних димензионалних толеранција. Технолошке карактеристике овог цилиндричног дела се углавном огледају у следећим аспектима.
Слика 1. Спољашњи облик цилиндричног дела
2.1 Карактеристике материјала
(1) Металне карактеристике
35ЦД4 високо{2}}легирани челик је уобичајено коришћен челик средњег{3}}угљеника никла-хрома-молибдена у ваздухопловној индустрији. Његов хемијски састав је приказан у табели 1. У поређењу са другим металима, овај челик има јединствене предности у хемијским, физичким и механичким својствима.
Табела 1. Елементи легуре и параметри 35ЦД4 (хемијски састав)
(2) Карактеристике материјала 35ЦД4
Углавном укључују следеће четири тачке:
① Висока чврстоћа. Пошто је то ниско-угљенични, ниско-легирани челик, има већу чврстоћу од не-нелегираног челика, па се зато назива „ниско-легираним челиком високе{5}}ће чврстоће.
② Висока граница течења. Његова граница течења је виша од оне код нелегираног челика. Под истим оптерећењем, тежина делова направљених од овог материјала може се смањити за 20% до 30%.
③ Добра пластичност и жилавост. Удео легура елемената је релативно низак, што даје материјалу и добру пластичност и жилавост. ④ Висока отврдљивост. Састав легуре садржи елементе као што су никл, хром и молибден, који могу одржати суперохлађени аустенит челика високо стабилним. Мартензитне и бејнитне структуре се могу добити гашењем на ваздуху.
(3) Карактеристике обраде материјала. Овај материјал генерално има два стања топлотне обраде: нормализација + каљење и гашење + каљење. Тврдоћа која одговара ова два стања приказана је у табели 2.
Табела 2 Тврдоћа материјала
Као што се може видети из табеле 2, и тврдоћа и затезна чврстоћа овог материјала су на високом нивоу. Такође је богат елементима као што су хром и манган. Ови фактори заједно отежавају обраду и типично је тешко-машински-материјал. Специфичне потешкоће обраде су следеће:
1) Велика сила резања. Материјал има високу тврдоћу и чврстоћу, високу атомску густину и силу везивања и одличну отпорност на лом и дуготрајну-пластичност. Током процеса сечења, не само да је сила резања велика, већ и сила сечења значајно флуктуира [2].
2) Висока температура сечења. Деформација резања троши много енергије и ствара много топлоте. Велика количина топлоте резања је концентрисана у зони сечења, формирајући окружење високе{3}}температуре.
3) Висока склоност ка радном каљењу. Материјал показује добру пластичност и жилавост, са високим коефицијентом ојачања. Под комбинованим ефектима силе резања и топлоте резања, подвргава се озбиљној пластичној деформацији, што доводи до радног очвршћавања. Истовремено, топлота резања доводи до тога да материјал апсорбује атоме водоника, кисеоника и азота из околног медијума, формирајући тврд и ломљив површински слој, додатно повећавајући потешкоће сечења.
4) Јако хабање алата. Високе силе резања и температуре током сечења појачавају трење између алата и струготине, а материјал алата је склон афинитетним интеракцијама са материјалом радног предмета. У комбинацији са присуством тврдих честица у материјалу и тешким радним отврдњавањем, алат је веома подложан хабању лепком, дифузијском хабању, абразивном хабању, трошењу на ивицама и трошењу удубљења током сечења, што на крају губи способност сечења.
5) Тешко руковање чипом. Висока чврстоћа, пластичност и жилавост материјала доводе до појаве уплетених струготина налик на траку- током сечења, што представља опасност по безбедност, омета процес сечења и изазива огреботине на површини дела, што отежава испуњавање захтева за храпавост површине.
6) Велика деформација резања. Високе температуре резања и висока пластичност материјала током машинске обраде лако доводе до термичке деформације, што отежава гарантовање прецизних димензија и облика.
(4) Шема обраде материјала Да би се осигурало да сировине могу у потпуности да заврше третман каљења и темперирања, ковачки отвор треба грубо-обрађивати пре топлотне обраде како би се осигурало да дебљина зида сваког попречног пресека- буде<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.
Слика 2: Празан
Слика 3: Грубо{1}}обрађени облик
2.2 Карактеристике процеса Овај део има неколико захтева за високо{1}}димензионалним захтевима. Стабилан и поуздан ток процеса мора бити дизајниран свеобухватним разматрањем свих параметара прецизне димензије како би се осигурао квалитет производа. Главне прецизне димензије дела приказане су на слици 4.
Слика 4: Главне прецизне димензије дела
(1) Прецизни спољни пречник Прецизни спољни пречник на отвору је мм, са ширином зоне толеранције од само 0,022 мм; величина унутрашње рупе је φ83,37 мм, што одговара дебљини зида од 2,81 мм. Овај захтев за толеранцију димензија је строг, зид дела је танак, а тешкоћа обраде је изузетно велика. (2) Прецизна унутрашња рупа: Прецизна унутрашња рупа има пречник од φ мм и толеранцију од 0,04 мм. Захтев коаксијалности ове унутрашње рупе у односу на спољашњи круг је φ0,04 мм, захтев за цилиндричност је φ0,02 мм, а дубина рупе је 287,5 мм.
(3) Продужени коси отвор: Као што је приказано на слици 5, коси отвор који се налази на месту уха дела има пречник од мм и угао од 45 степени у односу на осу дела. Приликом обраде ове рупе, вретено алатке машине треба да се подеси под углом од 45 степени са делом. Да би се избегле сметње између алата и учвршћења, потребна је дугачка конструкција препуста за алат за обраду, што је велики изазов у обради овог дела.
Слика 5: Проширени коси отвор и рупа за лежај
(4) Рупа за лежај: Као што је приказано на слици 5, отвор за лежај на уху има пречник од мм. Ова рупа се може обрађивати само са леве крајње стране дела. Препуст алата је велики, а захтеви за толеранцију пречника су строги, што отежава гарантовање тачности димензија. 2.3 Специјални процеси
Поред горе наведених захтева за обраду, овај део захтева неколико посебних корака обраде, и то:
1) Мечирање. Подручје бризгања је спољни пречник дела, али се мора избегавати део спољашњег пречника пречника φмм. Пуштање унутрашње рупе је строго забрањено.
2) Хромирање. Подручје хромирања је унутрашња рупа пречника φмм. Дебљина слоја хрома мора бити контролисана између 20 и 25 μм.
3) Кадмијум. Подручје кадмијума су све површине осим површине хромиране.
4) Сликарство. Подручје фарбања је спољни пречник дела, али се мора избегавати део спољашњег пречника пречника φмм.
ДЕО 3
Дизајн процеса обраде цилиндара прецизног авиона
На основу анализе особина материјала, мера прецизности и посебних процеса овог дела цилиндра, план процеса је приказан у табели 3.
Табела 3 План процеса
ДЕО 4
Верификација процеса обраде прецизних цилиндара авиона
4.1 Завршна обрада спољашњег пречника уха
35ЦД4 материјал има јаку адхезију, што отежава ломљење струготине током обраде. Када се користе нижи параметри обраде, дубоки трагови сечења се појављују на крајњој страни дела, што доводи до поцепаног изгледа површинског материјала. Да би се решио овај проблем, потребно је подесити спољне параметре обраде стругањем. Специфични параметри оптимизације су приказани у табели 4. Оптимизацијом параметара, трагови сечења на крајњој страни дела су елиминисани, обрађена крајња страна је глатка, а квалитет обраде остаје конзистентан од центра до ивице. Оптимизовано стање крајње површине је приказано на слици 6.
Табела 4 Оптимизација параметара стругања крајње стране
Слика 6 Стање дела након завршног окретања крајње стране
4.2 Прецизно стругање спољашњег пречника
14. ЦНЦ операција токарења је кључни процес у машинској обради овог дела. Ова операција користи самоцентрирајућу-стезну главу и средишњи ослонац за подупирање спољашњег пречника. Специфични захтеви за машинску обраду приказани су на слици 7. Толеранција прецизног спољног пречника дела је 0,024 мм, а обрада се изводи у три фазе. Специфични параметри обраде су приказани у табели 5. Због високог вискозитета материјала, потребан је оштар спољни уметак за стругање. Пожељни радијус врха уметка је Р0,2 мм. Ако је радијус врха уметка превелик, захтеви за храпавост површине за део се не могу гарантовати.
Слика 7 Захтеви за ЦНЦ процес стругања Табела 5 Оптимизација спољних параметара стругања Након завршетка, спољни пречник дела је 88,85~88,89мм, што превазилази захтеве цртежа. Пре проналажења основног узрока, једини начин да прилагодите величину је да оставите маргину на спољашњем пречнику, а затим га ручно полирате. Након анализе, заобљеност спољног пречника коју подржава средишњи ослонац током стезања имаће значајан утицај на ротационо закретање дела [3]. Под захтевима високе прецизности толеранције, овај утицај је посебно изражен. Измерен је спољни пречник стезања дела ван{9}}од-толеранције, а промена заобљености је била 0,020~0,035 мм, што је у основи у складу са флуктуацијом ван-од-толеранције спољног пречника дела. Да би се решио овај проблем, потребно је оптимизовати и кориговати техничке захтеве референтног процеса. У процесу спољашњег стругања 11. процеса, јасно је потребно да се округлост спољашњег пречника контролише унутар 0,01 мм. Специфични захтеви за побољшање приказани су на слици 8. Након додавања захтева за контролу заобљености 11. процесу, димензионална стабилност стругања спољашњег пречника у 14. процесу је значајно побољшана. Опсег флуктуације спољашњег пречника смањен је на 88,865–88,875 мм, а деформација се могла контролисати унутар 0,01 мм. Оператер није захтевао локална подешавања да би се осигурало да толеранција спољашњег пречника испуњава захтеве. Тестови стабилности су потврдили да један врх резног алата може стабилно да обради четири дела; међутим, тачност димензија се не може гарантовати након хабања алата.
Слика 8: Захтеви за побољшање основног процеса
4.3 Нагнуто побољшање доње површине унутрашње рупе
Током ЦНЦ процеса стругања у 14. процесу, на дну дела појавио се дефект у машинској обради, који се манифестовао као заостала глава пречника 1 мм и висине 0,3 мм, као што је приказано на слици 9. Почетни план обраде је био да се користи равна-крајња глодалица да се уклони вишак доњег дела, затим да се користи велики пречник{5} алата за завршну обраду доњу површину. Приликом уклањања доњег додатка помоћу глодала, отицање алата се мора контролисати унутар 0,01 мм. Међутим, због мале косине на дну равног-завршног глодала, дно дела не може да се обради у равно стање. Плоснато-завршно глодало је приказано на слици 10.
Слика 9: Дефект дна
Слика 10: плоснати{1}}мрез
Да би се решио овај проблем, шема машинске обраде је оптимизована заменом дна са глодалом за бушење малог-пречника, као што је приказано на слици 11. Тестови машинске обраде су показали да коришћење глодала за бушење за бушење дна у потпуности елиминише дефект главе.
Слика 11: Додати резач за бушење
4.4 Оптимизација унутрашњег токарења рупа
Током 14. ЦНЦ операције стругања, унутрашње бушење рупа оставља 0,05 мм простора на једној страни за накнадно хоновање. Међутим, након бушења, у унутрашњој рупи су се појавили различити недостаци квалитета. Типови и пропорције дефекта су приказани у табели 6. Ови недостаци представљају значајан ризик за каснији процес хонања.
Табела 6. Врсте и проценти дефеката
Анализа је открила три главна узрока горе наведених недостатака: Прво, пречник унутрашњег алата за бушење је био премали, што је резултирало недовољном крутошћу алата и нестабилним димензијама рупе након бушења. Друго, материјал је имао висок вискозитет, што је довело до нестабилног сечења и лошег ломљења струготине када се користе традиционални параметри завршне обраде, са струготинама које се врте около и гребу зид рупе. Треће, брзина сечења је била прениска, не испуњавајући захтеве за тачност димензија и храпавост површине.
Да би се решили ови проблеми, примењене су следеће мере оптимизације: Прво, замените унутрашњи алат за бушење са већим пречником да би се побољшала крутост алата; оптимизовани алат за бушење је приказан на слици 12. Друго, повећајте брзину сечења да бисте повећали дубину реза у завршној обради. Треће, оптимизујте унутрашњи систем хлађења како бисте омогућили течности за сечење да директно делује на врх алата за бушење. Поређење оптимизација алата је приказано у табели 7.
Слика 12 Оптимизовани алат за бушење
Табела 7 Поређење оптимизације алата
4.5 Оптимизација проширеног косог отвора
У 13. операцији, хоризонтално глодање проширеног косог отвора, почетни план је био: коришћењем продуженог глодала φ6мм за повећање рупе на φ7,3мм, стварни пречник рупе након обраде био је 7,1~7,2мм, са флуктуацијом димензија од 0,1мм; након подешавања програма за глодање на φ7.5мм, пречник рупе је био 7.35~7.42мм, а флуктуација је смањена на 0.07мм; коначно, за завршну обраду је коришћен развртач са равним дршком, пречник рупе је био 7,62~7,69 мм, а димензије су биле изузетно нестабилне.
У првој оптимизацији, развртач је замењен алатом за бушење, а пречник отвора након обраде био је 7,60~7,72 мм, што је премашило захтеве толеранције и довело до распадања дела. Коначни оптимизовани план је био: коришћењем глодала са променљивим пречником-7 мм за глодање косих рупа, брзина пролазности обрађених делова достигла је 100%. Алат за проширену обраду косих рупа приказан је на слици 13.
а) Глодало са равним дршком б) Развијач са равним дршком ц) Резач за бушење д) Завршно глодало променљивог пречника Слика 13 Алати за машинску обраду проширених косих рупа
4.6 Побољшање обраде рупа лежаја
У 13. процесу обраде рупе лежаја, захтев за пречник рупе је мм. Почетни план је био: користити завршну глодалицу φ20мм за глодање до φ34,4мм, а затим користити резач за бушење да избушите до готове величине. Међутим, након машинске обраде, на зиду рупе су се појавиле вибрационе ознаке, које се нису могле отклонити након вишеструких подешавања параметара. Алати за машинску обраду су приказани на слици 14.
а) Резач за бушење б) Завршно глодало Слика 14 Алати за обраду рупа лежаја
4.7 Утицај сачмарења на делове
Почетни план за прецизну машинску обраду рупа је био: ЦНЦ прецизно бушење унутрашње рупе са додатком од 0,05 мм на једној страни, хоновање да би се обезбедила толеранција пречника рупе од 0,02 мм и цилиндричност од 0,02 мм, и на крају бризгање спољашњег пречника дела. Међутим, сачмарење је изазвало деформацију унутрашње рупе дела, са повећањем пречника за 0,015–0,025 мм у аксијалном средишњем положају. Неки делови су премашили горњу границу толеранције и расходовани су.
Да би се решио овај проблем, секвенца процеса је прилагођена након консултација са купцем, постављањем хоновања након бризгања. Деформација унутрашње рупе након бризгања је била приближно 0,025 мм, што је у потпуности било покривено једностраним додатком од 0,05 мм- резервисаним за брушење. Након подешавања, толеранција унутрашњег пречника рупе након хонања могла би се контролисати унутар 0,010 мм, а цилиндричност унутар 0,015 мм, испуњавајући захтеве за цртање. Утицај сачмарења на унутрашњу рупу приказан је у табели 8.
Табела 8. Утицај сачмарења на контролу унутрашње рупе (јединица: мм)
ДЕО 5
Закључак
Кроз више кругова оптимизације и побољшања у фази провере обраде, овај ваздушни прецизни цилиндрични део је коначно постигао стабилну масовну производњу. Традиционално искуство обраде више није примењиво на потешкоће у обрађивању 35ЦД4 материјала. Више мера, као што су оптимизација процеса, оптимизација избора алата и оптимизација параметара обраде, потребне су да би се превазишли изазови обраде [4]. 35ЦД4 високе-челик високе чврстоће има одличне перформансе, али доноси и веће изазове обраде. У стварној производњи потребно је посебно одабрати моделе алата и формулисати разумне параметре обраде. Са развојем нових технологија обраде, потешкоће обраде тако-тешких-материјала ће се постепено смањивати, а релевантно искуство обраде треба континуирано да се сумира и акумулира. Поред тога, процес бризгања има неповратан утицај на прецизне димензије делова, што указује да је пројектовање процеса систематски пројекат. Аранжман процеса треба да прати логичка правила и да у потпуности узме у обзир међусобни утицај између сваког процеса како би се формулисао научни и разуман план обраде [5], и постигла ефикасна производња уз обезбеђивање квалитета производа.
