L'acer-d'alta resistència 35CD4 s'utilitza àmpliament en peces cilíndriques de precisió de l'aeroespacial a causa del seu excel·lent rendiment, però presenta dificultats tècniques com ara una gran duresa, una gran dificultat de tall, una fàcil deformació de les peces de paret-fines i estrictes requisits de tolerància. En resposta a aquestes dificultats tècniques, es va formular un esquema de mecanitzat lleuger que cobreix múltiples processos combinant les característiques del material amb les dimensions de precisió i els requisits especials de procés de les peces. Mitjançant l'optimització dels paràmetres i les eines d'enllaços clau, com ara el tornejat extern, el mandrinat intern, el forat oblic i el mecanitzat del forat del coixinet en el procés de mecanitzat, i ajustant la seqüència de granallat i rectificat, es van resoldre problemes com la deformació del mecanitzat i la desviació dimensional. Finalment, es va aconseguir una producció massiva estable de peces i el procés rellevant pot proporcionar una referència per al mecanitzat de peces de precisió de materials difícils de tallar--.
PART 1
Introducció
L'avenç de rendiment dels equips aeroespacials depèn molt de la precisió i la fiabilitat del mecanitzat dels components bàsics[1]. L'acer-d'alta resistència 35CD4 s'ha convertit en un material ideal per a peces cilíndriques de precisió de l'aeroespacial a causa de les seves excel·lents característiques, com ara l'alta resistència i l'alta tempabilitat. No obstant això, l'alta força de tall i la important tendència d'enduriment per treball d'aquest material, combinada amb la forma irregular i fàcilment deformable, i les estrictes toleràncies dimensionals de precisió de les peces cilíndriques, suposen un repte important per als processos de mecanitzat tradicionals.
Per superar aquest repte de producció, aquest article se centra en les propietats del material del 35CD4 i els requisits del procés de les peces cilíndriques, i realitza investigacions sobre processos de mecanitzat lleuger. Mitjançant una sèrie de mesures, que inclouen l'optimització del disseny del procés, la millora de la selecció d'eines i l'ajust dels paràmetres de mecanitzat, es van resoldre sistemàticament problemes clau com la deformació del mecanitzat i les desviacions dimensionals, donant lloc a una solució de producció massiva estable i fiable.
Aquest article revisa sistemàticament les idees de recerca i desenvolupament i el procés de verificació d'aquesta tecnologia, amb l'objectiu de proporcionar una referència tècnica per al mecanitzat de peces de precisió aeroespacial similars.
PART 2
Característiques del procés de les peces cilíndriques de precisió aeroespacial
Una certa peça cilíndrica de precisió aeroespacial fabricada per la nostra empresa està feta de 35CD4 i la seva forma es mostra a la figura 1. Aquesta peça és una peça de forma irregular, la seva estructura especial és propensa a la deformació i el gruix de la paret és relativament prim. Les toleràncies per al forat interior i el cercle exterior són estrictament necessàries, el forat del coixinet a l'extensió és un forat de precisió i la peça té forats oblics a l'interior, cosa que dificulta el control de les toleràncies dimensionals relacionades. Les característiques tecnològiques d'aquesta peça cilíndrica es reflecteixen principalment en els aspectes següents.
Figura 1. Forma externa de la part cilíndrica
2.1 Característiques dels materials
(1) Característiques metàl·liques
L'acer d'aliatge-d'alta resistència 35CD4 és un acer de níquel-crom-molibdè mitjà-carboni-comú a la indústria aeroespacial. La seva composició química es mostra a la Taula 1. En comparació amb altres metalls, aquest acer té avantatges únics en propietats químiques, físiques i mecàniques.
Taula 1. Elements d'aliatge i paràmetres del 35CD4 (composició química)
(2) Característiques del material del 35CD4
Inclou principalment els quatre punts següents:
① Alta resistència. Com que és un acer de baix-carboni i baix-aliatge, té una resistència més alta que l'acer no-aliat, per això s'anomena "acer de baixa{-aliatge-acer d'alta-aliatge".
② Alt rendiment. El seu límit de fluència és superior al de l'acer no-aliat. Sota la mateixa càrrega, el pes de les peces fetes d'aquest material es pot reduir entre un 20% i un 30%.
③ Bona plasticitat i duresa. La proporció d'elements d'aliatge és relativament baixa, donant al material una bona plasticitat i resistència. ④ Alta templabilitat. La composició de l'aliatge conté elements com el níquel, el crom i el molibdè, que poden mantenir l'austenita sobrerefrigerada de l'acer altament estable. Les estructures de martensita i bainita es poden obtenir mitjançant l'extinció d'aire.
(3) Característiques del processament del material. Aquest material generalment té dos estats de tractament tèrmic: normalització + temperat i trempat + tremp. La duresa corresponent a aquests dos estats es mostra a la taula 2.
Taula 2 Duresa del material
Com es pot veure a la taula 2, la duresa i la resistència a la tracció d'aquest material es troben a un nivell alt. També és ric en elements com el crom i el manganès. Aquests factors junts dificulten el processament i és un material típic de difícil-de-mecanitzar. Les dificultats específiques de processament són les següents:
1) Alta força de tall. El material té una gran duresa i resistència, una gran densitat atòmica i força d'unió, i una excel·lent tenacitat a la fractura i plasticitat-a llarg termini. Durant el procés de tall, no només la força de tall és gran, sinó que la força de tall també fluctua significativament [2].
2) Alta temperatura de tall. La deformació de tall consumeix molta potència i genera molta calor. Una gran quantitat de calor de tall es concentra a la zona de tall, formant un ambient d'alta-temperatura.
3) Alta tendència a l'enduriment. El material presenta una bona plasticitat i duresa, amb un alt coeficient d'enfortiment. Sota els efectes combinats de la força de tall i la calor de tall, pateix una deformació plàstica severa, que provoca un enduriment per treball. Simultàniament, la calor de tall fa que el material absorbeixi àtoms d'hidrogen, oxigen i nitrogen del medi circumdant, formant una capa superficial dura i trencadissa, augmentant encara més la dificultat de tallar.
4) Desgast greu de l'eina. Les forces de tall i les temperatures elevades durant el tall intensifiquen la fricció entre l'eina i els xips, i el material de l'eina és propens a interaccions d'afinitat amb el material de la peça. Combinada amb la presència de partícules dures en el material i un enduriment sever per treball, l'eina és molt susceptible al desgast de l'adhesiu, el desgast per difusió, el desgast abrasiu, el desgast del límit i el desgast acanalat durant el tall, perdent finalment la seva capacitat de tall.
5) Manipulació d'encenalls difícil. L'alta resistència, plasticitat i tenacitat del material donen lloc a estelles-que s'emboliquen durant el tall, que representen perills per a la seguretat, dificulten el procés de tall i provoquen rascades a la superfície de la peça, cosa que dificulta el compliment dels requisits de rugositat de la superfície.
6) Gran deformació de tall. Les altes temperatures de tall i l'alta plasticitat del material durant el mecanitzat condueixen fàcilment a la deformació tèrmica, cosa que dificulta la garantia de dimensions i formes precises.
(4) Esquema de processament de materials Per garantir que les matèries primeres puguin completar completament el tractament d'apagat i tremp, el blanc de forja s'ha de mecanitzar en brut- abans del tractament tèrmic per garantir que el gruix de la paret de cada secció-transversal sigui<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.
Figura 2: En blanc
Figura 3: forma rugosa-mecanitzada
2.2 Característiques del procés Aquesta part té diversos requisits dimensionals d'alta-precisió. S'ha de dissenyar un flux de procés estable i fiable tenint en compte tots els paràmetres dimensionals de precisió per garantir la qualitat del producte. Les dimensions de precisió principals de la peça es mostren a la figura 4.
Figura 4: Dimensions principals de precisió de la peça
(1) Diàmetre exterior de precisió El diàmetre exterior de precisió al port és de mm, amb una amplada de la zona de tolerància de només 0,022 mm; la mida del forat interior és de φ83,37 mm, que correspon a un gruix de paret de 2,81 mm. Aquest requisit de tolerància dimensional és estricte, la paret de la peça és prima i la dificultat de mecanitzat és extremadament alta. (2) Forat interior de precisió: el forat interior de precisió té un diàmetre de φ mm i una tolerància de 0,04 mm. El requisit de coaxialitat d'aquest forat interior en relació amb el cercle exterior és φ0,04 mm, el requisit de cilindricitat és φ0,02 mm i la profunditat del forat és de 287,5 mm.
(3) Forat inclinat estès: com es mostra a la figura 5, el forat inclinat situat a la posició de l'orella de la peça té un diàmetre de mm i un angle de 45 graus amb l'eix de la peça. En mecanitzar aquest forat, l'eix de la màquina-eina s'ha d'ajustar a un angle de 45 graus amb la peça. Per evitar interferències entre l'eina i la fixació, es requereix una estructura llarga de volada per a l'eina de mecanitzat, que és un gran repte en el mecanitzat d'aquesta peça.
Figura 5: Forat inclinat estès i forat de rodament
(4) Forat del coixinet: com es mostra a la figura 5, el forat del coixinet a l'orella té un diàmetre de mm. Aquest forat només es pot mecanitzar des de la cara de l'extrem esquerre de la peça. El voladís de l'eina és gran i el requisit de tolerància del diàmetre és estricte, cosa que dificulta garantir la precisió dimensional. 2.3 Processos especials
A més dels requisits de processament anteriors, aquesta part requereix diversos passos de processament especials, com segueix:
1) Granallat. L'àrea de granallada és el diàmetre exterior de la peça, però s'ha d'evitar la part de diàmetre exterior amb un diàmetre de φmm. El granallat del forat interior està estrictament prohibit.
2) Cromat. L'àrea de cromat és el forat interior amb un diàmetre de φmm. El gruix de la capa de crom s'ha de controlar entre 20 i 25 μm.
3) Revestiment de cadmi. L'àrea de revestiment de cadmi és totes les superfícies excepte la zona de cromat.
4) Pintura. L'àrea de pintura és el diàmetre exterior de la peça, però s'ha d'evitar la part de diàmetre exterior amb un diàmetre de φmm.
PART 3
Disseny del procés de mecanitzat de cilindres de precisió d'avions
A partir de l'anàlisi de les propietats del material, les dimensions de precisió i els processos especials d'aquesta peça del cilindre, el pla de procés es mostra a la taula 3.
Taula 3 Pla de processos
PART 4
Verificació del procés de mecanitzat de cilindres de precisió de l'aeronau
4.1 Acabat del diàmetre exterior de l'orella
El material 35CD4 té una forta adherència, cosa que dificulta el trencament d'encenall durant el mecanitzat. Quan s'utilitzen paràmetres de mecanitzat més baixos, apareixen marques de tall profundes a la cara final de la peça, donant lloc a un aspecte trencat del material de la superfície. Per resoldre aquest problema, cal ajustar els paràmetres de mecanitzat de tornejat extern. Els paràmetres d'optimització específics es mostren a la Taula 4. Mitjançant l'optimització de paràmetres, s'eliminen les marques de tall a la cara final de la peça, la cara final mecanitzada és llisa i la qualitat de mecanitzat es manté constant des del centre fins a la vora. L'estat de cara final optimitzat es mostra a la figura 6.
Taula 4 Optimització dels paràmetres de tornejat final
Figura 6 Estat de la peça després del tornejat final de la cara final
4.2 Tornejat de diàmetre extern de precisió
La 14a operació de tornejat CNC és un procés clau en el mecanitzat d'aquesta peça. Aquesta operació utilitza un mandril auto-centrant i un suport central per suportar el diàmetre extern. Els requisits de mecanitzat específics es mostren a la figura 7. La tolerància de precisió del diàmetre extern de la peça és de 0,024 mm i el mecanitzat s'ha de realitzar en tres etapes. Els paràmetres de mecanitzat específics es mostren a la Taula 5. A causa de l'alta viscositat del material, es requereix una plaqueta de tornejat exterior afilada. El radi de punta d'inserció preferit és R0,2 mm. Si el radi de la punta de la inserció és massa gran, no es poden garantir els requisits de rugositat superficial de la peça.
Figura 7 Requisits per al procés de tornejat CNC Taula 5 Optimització dels paràmetres de tornejat extern Després d'acabar, el diàmetre exterior de la peça és de 88,85~88,89 mm, que supera els requisits del dibuix. Abans de trobar la causa arrel, l'única manera d'ajustar la mida és deixar un marge al diàmetre exterior i després polir-lo manualment. Després de l'anàlisi, la rodonesa del diàmetre exterior suportat pel repòs central durant la subjecció tindrà un impacte significatiu en l'extensió de rotació de la peça [3]. Sota els requisits de tolerància d'alta precisió, aquest impacte és particularment destacat. Es va mesurar el diàmetre exterior de subjecció de la part-de-tolerància, i el seu canvi de rodonesa va ser de 0,020 ~ 0,035 mm, que és bàsicament coherent amb la fluctuació de-de-tolerància del diàmetre exterior de la peça. Per solucionar aquest problema, cal optimitzar i corregir els requisits tècnics del procés de referència. En el procés de tornejat extern de l'11è procés, es requereix clarament que la rodonesa del diàmetre exterior es controli dins de 0,01 mm. Els requisits específics de millora es mostren a la figura 8. Després d'afegir requisits de control de rodonesa al procés 11, l'estabilitat dimensional del tornejat de diàmetre exterior en el procés 14 es va millorar significativament. El rang de fluctuació del diàmetre exterior es va reduir a 88,865–88,875 mm i la deformació es va poder controlar en 0,01 mm. No es van requerir ajustos locals per part de l'operador per garantir que la tolerància del diàmetre exterior complia els requisits. Les proves d'estabilitat van comprovar que una sola punta d'eina de tall podia mecanitzar de manera estable quatre peces; tanmateix, la precisió dimensional no es pot garantir després del desgast de l'eina.
Figura 8: Requisits de millora per al procés de referència
4.3 Millora magra de la superfície inferior del forat interior
Durant el procés de tornejat CNC en el procés 14, va aparèixer un defecte de mecanitzat a la part inferior de la peça, manifestat com una protuberància residual amb un diàmetre d'1 mm i una alçada de 0,3 mm, tal com es mostra a la figura 9. El pla de mecanitzat inicial era utilitzar una fresa plana-per eliminar l'excés de fons, després utilitzar un forat{5}} gran per alinear la superfície final de la perforació i alinear la superfície final. Quan s'elimina el marge inferior amb una fresa, l'extensió de l'eina s'ha de controlar dins de 0,01 mm. Tanmateix, a causa del petit bisell a la part inferior de la fresa-pla, la part inferior de la peça no es pot mecanitzar fins a un estat pla. La fresa plana-es mostra a la figura 10.
Figura 9: Defecte inferior
Figura 10: Fresa d'extrem pla-
Per resoldre aquest problema, l'esquema de mecanitzat es va optimitzar substituint la part inferior per un tallador de -diàmetre petit, tal com es mostra a la figura 11. Les proves de mecanitzat van demostrar que l'ús d'una talladora per perforar la part inferior eliminava completament el defecte del boc.
Figura 11: Tallador de mandrins afegit
4.4 Optimització del tornejat de forats interns
Durant la 14a operació de tornejat CNC, el forat interior deixa un marge de 0,05 mm en un costat per a la rectificació posterior. Tanmateix, després d'avorrir, van aparèixer diversos defectes de qualitat al forat intern. Els tipus i proporcions de defectes es mostren a la Taula 6. Aquests defectes suposen un risc important per al procés de rectificat posterior.
Taula 6. Tipus de defecte i percentatges
L'anàlisi va revelar tres causes principals dels defectes esmentats anteriorment: en primer lloc, el diàmetre de l'eina de mandrinat interna era massa petit, el que provocava una rigidesa de l'eina insuficient i unes dimensions del forat inestables després del mandrinat. En segon lloc, el material tenia una alta viscositat, la qual cosa comportava un tall inestable i un trencament deficient d'encenall quan s'utilitzaven els paràmetres d'acabat tradicionals, amb encenalls girant-se al voltant i ratllant la paret del forat. En tercer lloc, la velocitat de tall era massa baixa, no complint els requisits de precisió dimensional i rugositat superficial de la peça.
Per solucionar aquests problemes, es van implementar les següents mesures d'optimització: En primer lloc, substituir l'eina de mandrinat interna per una de més gran per millorar la rigidesa de l'eina; l'eina de mandrinat optimitzada es mostra a la figura 12. En segon lloc, augmenta la velocitat de tall per augmentar la profunditat de tall en l'acabat. En tercer lloc, optimitzeu el sistema de refrigeració intern per permetre que el fluid de tall actuï directament sobre la punta de l'eina de perforació. A la taula 7 es mostra una comparació d'optimitzacions d'eines.
Figura 12 Eina de perforació optimitzada
Taula 7 Comparació d'optimització d'eines
4.5 Optimització del forat inclinat estès
A la 13a operació, fresat horitzontal del forat inclinat estès, el pla inicial era: utilitzar una fresa allargada de φ6 mm per ampliar el forat a φ7,3 mm, el diàmetre real del forat després del mecanitzat era de 7,1 ~ 7,2 mm, amb una fluctuació dimensional de 0,1 mm; després d'ajustar el programa per fresar a φ7,5 mm, el diàmetre del forat era de 7,35 ~ 7,42 mm i la fluctuació es va reduir a 0,07 mm; finalment, es va utilitzar un escariador de tija recta per a l'acabat, el diàmetre del forat era de 7,62 ~ 7,69 mm i les dimensions eren extremadament inestables.
En la primera optimització, l'escariador es va substituir per una eina avorrida i el diàmetre del forat després del mecanitzat va ser de 7,60 ~ 7,72 mm, superant els requisits de tolerància i fent que la peça es descartés. El pla final optimitzat va ser: utilitzant una fresa de diàmetre variable-de 7 mm de diàmetre per al fresat de forats inclinats, la velocitat de passada de les peces mecanitzades va arribar al 100%. L'eina per al mecanitzat de forats inclinats estès es mostra a la figura 13.
a) Fresa d'extrem de mànec recte b) Escariador de mànec recte c) Fresa per mandrinar d) Fresa d'extrem de diàmetre variable Figura 13 Eines de mecanitzat de forats oblics estès
4.6 Millora del mecanitzat del forat del coixinet
En el 13è procés de mecanitzat del forat del coixinet, el requisit de diàmetre del forat és de mm. El pla inicial era: utilitzar una fresa d'extrem de φ20 mm per fresar a φ34,4 mm, i després utilitzar un tallador avorrit per perforar a la mida acabada. Tanmateix, després del mecanitzat, van aparèixer marques de vibració a la paret del forat, que no es van poder resoldre després de múltiples ajustos de paràmetres. Les eines de mecanitzat es mostren a la figura 14.
a) Mandrinadora b) Fresa d'extrem Figura 14 Eines de mecanitzat de forats de coixinets
4.7 Impacte del granallat a les peces
El pla inicial de mecanitzat de forats de precisió era: Tornejat CNC de precisió del forat interior amb un marge de 0,05 mm en un costat, afilat per garantir una tolerància de diàmetre de forat de 0,02 mm i una cilindricitat de 0,02 mm, i finalment granallat del diàmetre exterior de la peça. Tanmateix, el granallat va provocar una deformació del forat interior de la peça, amb un diàmetre augmentant de 0,015 a 0,025 mm a la posició central axial. Algunes peces van superar el límit de tolerància superior i van ser desballestades.
Per solucionar aquest problema, la seqüència del procés es va ajustar després de consultar amb el client, col·locant el rectificat després del granallat. La deformació del forat interior després de la granallada va ser d'aproximadament 0,025 mm, que estava completament coberta per la reserva de 0,05 mm d'un sol-cara reservada per a l'afilat. Després de l'ajust, la tolerància del diàmetre interior del forat després de la rectificació es pot controlar dins de 0,010 mm i la cilindricitat dins de 0,015 mm, complint els requisits del dibuix. L'impacte del granallat al forat interior es mostra a la taula 8.
Taula 8 Impacte del granallat en el control intern del forat (unitat: mm)
PART 5
Conclusió
A través de múltiples rondes d'optimització i millora magra durant l'etapa de verificació del processament, aquesta peça cilíndrica de precisió aeroespacial finalment va aconseguir una producció en massa estable. L'experiència de processament tradicional ja no és aplicable a les dificultats de processament del material 35CD4. Es necessiten diverses mesures, com ara l'optimització del procés, l'optimització de la selecció d'eines i l'optimització dels paràmetres de processament, per superar els reptes de processament [4]. 35l'acer d'alta-resistencia CD4 té un rendiment excel·lent, però també comporta desafiaments de processament més elevats. En la producció real, cal seleccionar models d'eines específicament i formular paràmetres de processament raonables. Amb el desenvolupament de tecnologies de processament emergents, la dificultat de processament de materials tan difícils de--mecanitzar disminuirà gradualment i l'experiència de processament rellevant s'ha de resumir i acumular contínuament. A més, el procés de granallat té un impacte irreversible en les dimensions de precisió de les peces, la qual cosa indica que el disseny del procés és un projecte sistemàtic. La disposició del procés ha de seguir regles lògiques i tenir en compte plenament la influència mútua entre cada procés per tal de formular un pla de processament científic i raonable [5] i aconseguir una producció eficient alhora que garanteix la qualitat del producte.
