35CD4 høy-stål er mye brukt i presisjonssylindriske deler av romfart på grunn av sin utmerkede ytelse, men det har tekniske vanskeligheter som høy hardhet, høy kuttevanskelighet, enkel deformasjon av tynne-veggede deler og strenge toleransekrav. Som svar på disse tekniske vanskelighetene, ble det formulert et magert maskineringsskjema som dekker flere prosesser ved å kombinere materialegenskapene med nøyaktige dimensjoner og spesielle prosesskrav til delene. Ved å optimalisere parametrene og verktøyene til nøkkelledd som ekstern dreiing, innvendig boring, skråhulls- og lagerhullbearbeiding i bearbeidingsprosessen, og justere sekvensen for kulepering og honing, ble problemer som maskineringsdeformasjon og dimensjonsavvik løst. Til slutt ble det oppnådd en stabil masseproduksjon av deler, og den aktuelle prosessen kan gi en referanse for maskinering av presisjonsdeler av vanskelig-å-kutte materialer.
DEL 1
Introduksjon
Ytelsesgjennombruddet til romfartsutstyr er svært avhengig av maskineringsnøyaktigheten og påliteligheten til kjernekomponenter[1]. Høy-fast stål 35CD4 har blitt et ideelt materiale for presisjonssylindriske deler av romfart på grunn av dets utmerkede egenskaper som høy styrke og høy herdbarhet. Imidlertid utgjør den høye skjærekraften og betydelige arbeidsherdingstendensen til dette materialet, kombinert med den uregelmessige formen og lett deformerbare, og de strenge presisjonsdimensjonale toleransene til de sylindriske delene en betydelig utfordring for tradisjonelle maskineringsprosesser.
For å overkomme denne produksjonsutfordringen fokuserer denne artikkelen på materialegenskapene til 35CD4 og prosesskravene til sylindriske deler, og forsker på magre maskineringsprosesser. Gjennom en rekke tiltak, inkludert optimalisering av prosessdesign, forbedring av verktøyvalg og justering av maskineringsparametere, ble nøkkelproblemer som maskineringsdeformasjon og dimensjonsavvik systematisk løst, noe som resulterte i en stabil og pålitelig masseproduksjonsløsning.
Denne artikkelen gjennomgår systematisk forsknings- og utviklingsideene og verifiseringsprosessen for denne teknologien, med sikte på å gi teknisk referanse for maskinering av lignende presisjonsdeler til luftfart.
DEL 2
Prosessegenskaper for presisjonssylindriske deler til romfart
En viss sylindrisk presisjonsdel for romfart produsert av vårt selskap er laget av 35CD4, og formen er vist i figur 1. Denne delen er en uregelmessig formet del, dens spesielle struktur er utsatt for deformasjon, og veggtykkelsen er relativt tynn. Toleransene for det indre hullet og den ytre sirkelen er strengt påkrevd, lagerhullet ved tappen er et presisjonshull, og delen har skrå hull inni, noe som gjør kontrollen av relaterte dimensjonstoleranser vanskelig. De teknologiske egenskapene til denne sylindriske delen gjenspeiles hovedsakelig i følgende aspekter.
Figur 1. Utvendig form på den sylindriske delen
2.1 Materialegenskaper
(1) Metalliske egenskaper
35CD4 høy-legert stål er et vanlig brukt medium-karbonnikkel-krom-molybdenstål i romfartsindustrien. Dens kjemiske sammensetning er vist i tabell 1. Sammenlignet med andre metaller har dette stålet unike fordeler i kjemiske, fysiske og mekaniske egenskaper.
Tabell 1. Legeringselementer og parametere for 35CD4 (kjemisk sammensetning)
(2) Materialegenskapene til 35CD4
Inkluder hovedsakelig følgende fire punkter:
① Høy styrke. Fordi det er et lav-karbon, lav-legert stål, har det høyere styrke enn ikke-legert stål, derfor kalles det "lav-legert høy-stål".
② Høy flytegrense. Dens flytegrense er høyere enn for ikke-legert stål. Under samme belastning kan vekten av deler laget av dette materialet reduseres med 20% til 30%.
③ God plastisitet og seighet. Andelen legeringselementer er relativt lav, noe som gir materialet både god plastisitet og seighet. ④ Høy herdbarhet. Legeringssammensetningen inneholder elementer som nikkel, krom og molybden, som kan holde den underkjølte austenitten i stålet meget stabil. Martensitt- og bainittstrukturer kan oppnås ved luftkjøling.
(3) Materialbehandlingsegenskaper. Dette materialet har generelt to varmebehandlingstilstander: normalisering + temperering og quenching + temperering. Hardheten som tilsvarer disse to tilstandene er vist i tabell 2.
Tabell 2 Materialhardhet
Som det fremgår av tabell 2, er både hardheten og strekkfastheten til dette materialet på et høyt nivå. Den er også rik på elementer som krom og mangan. Disse faktorene sammen gjør det vanskelig å behandle, og det er et typisk-materiale som er vanskelig å-bearbeide. De spesifikke behandlingsvanskene er som følger:
1) Høy skjærekraft. Materialet har høy hardhet og styrke, høy atomtetthet og bindekraft, og utmerket bruddseighet og langsiktig plastisitet. Under skjæreprosessen er ikke bare skjærekraften stor, men skjærekraften svinger også betydelig [2].
2) Høy skjæretemperatur. Kuttedeformasjonen bruker mye strøm og genererer mye varme. En stor mengde skjærevarme er konsentrert i skjæresonen, og danner et miljø med høye-temperaturer.
3) Høy tendens til arbeidsherding. Materialet viser god plastisitet og seighet, med høy forsterkningskoeffisient. Under de kombinerte effektene av skjærekraft og skjærevarme, gjennomgår den alvorlig plastisk deformasjon, noe som fører til arbeidsherding. Samtidig fører skjærevarme til at materialet absorberer hydrogen, oksygen og nitrogenatomer fra det omkringliggende mediet, og danner et hardt og sprøtt overflatelag, noe som ytterligere øker vanskeligheten med å kutte.
4) Alvorlig verktøyslitasje. Høye kuttekrefter og temperaturer under kutting forsterker friksjonen mellom verktøyet og sponene, og verktøymaterialet er utsatt for affinitetsinteraksjoner med arbeidsstykkematerialet. Kombinert med tilstedeværelsen av harde partikler i materialet og hard arbeidsherding, er verktøyet svært utsatt for limslitasje, diffusjonsslitasje, abrasiv slitasje, grenseslitasje og sporslitasje under skjæring, og mister til slutt sin kutteevne.
5) Vanskelig brikkehåndtering. Materialets høye styrke, plastisitet og seighet resulterer i båndlignende, sammenfiltrede spon under skjæring, utgjør sikkerhetsfarer, hindrer skjæreprosessen og forårsaker riper på delens overflate, noe som gjør det vanskelig å oppfylle kravene til overflateruhet.
6) Stor skjæredeformasjon. Høye skjæretemperaturer og høy materialplastisitet under bearbeiding fører lett til termisk deformasjon, noe som gjør det vanskelig å garantere nøyaktige dimensjoner og former.
(4) Materialbehandlingsplan For å sikre at råvarene kan fullføre bråkjølings- og herdingsbehandlingen fullt ut, må smiemnet grovbearbeides- før varmebehandlingen for å sikre at veggtykkelsen til hvert-tverrsnitt 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: Grov-bearbeidet form
2.2 Prosessegenskaper Denne delen har flere høy-dimensjonale krav. En stabil og pålitelig prosessflyt må utformes ved å vurdere alle presisjonsdimensjonale parametere for å sikre produktkvalitet. De viktigste presisjonsdimensjonene til delen er vist i figur 4.
Figur 4: Hovedpresisjonsdimensjoner for delen
(1) Ytre presisjonsdiameter Den ytre presisjonsdiameteren ved porten er mm, med en toleransesonebredde på bare 0,022 mm; den indre hullstørrelsen er φ83,37 mm, tilsvarende en veggtykkelse på 2,81 mm. Dette dimensjonale toleransekravet er strengt, delveggen er tynn, og maskineringsvanskeligheten er ekstremt høy. (2) Innerpresisjonshull: Det indre presisjonshullet har en diameter på φ mm og en toleranse på 0,04 mm. Koaksialitetskravet til dette indre hullet i forhold til den ytre sirkelen er φ0,04 mm, sylindrisitetskravet er φ0,02 mm, og hulldybden er 287,5 mm.
(3) Forlenget skrå hull: Som vist i figur 5, har det skrånende hullet plassert ved øreposisjonen til delen en diameter på mm og en vinkel på 45 grader med delens akse. Når du bearbeider dette hullet, må maskinspindelen justeres til en 45 graders vinkel med delen. For å unngå interferens mellom verktøyet og fiksturen, kreves det en lang overhengsstruktur for maskineringsverktøyet, noe som er en stor utfordring ved maskinering av denne delen.
Figur 5: Forlenget skråhull og lagerhull
(4) Lagerhull: Som vist i figur 5, har lagerhullet ved øret en diameter på mm. Dette hullet kan kun bearbeides fra venstre endeflate av delen. Verktøyoverhenget er stort, og diametertoleransekravet er strengt, noe som gjør det vanskelig å garantere dimensjonsnøyaktighet. 2.3 spesialprosesser
I tillegg til behandlingskravene ovenfor, krever denne delen flere spesielle behandlingstrinn, som følger:
1) Skudpeening. Slagpeening-området er den ytre diameteren til delen, men den ytre diameterdelen med en diameter på φmm må unngås. Skuddringing av det indre hullet er strengt forbudt.
2) Forkroming. Forkromningsområdet er det indre hullet med en diameter på φmm. Kromlagtykkelsen må kontrolleres mellom 20 og 25 μm.
3) Kadmiumbelegg. Kadmiumbeleggsområdet er alle overflater bortsett fra forkromningsområdet.
4) Maling. Maleområdet er delens ytre diameter, men den ytre diameterdelen med en diameter på φmm må unngås.
DEL 3
Design av prosessdesign for presisjonssylindermaskinering for fly
Basert på analysen av materialegenskaper, presisjonsdimensjoner og spesielle prosesser til denne sylinderdelen, er prosessplanen vist i tabell 3.
Tabell 3 Prosessplan
DEL 4
Verifisering av flypresisjonssylinderbearbeiding
4.1 Etterbehandling av ørets ytre diameter
35CD4-materialet har sterk vedheft, noe som gjør sponbrudd vanskelig under maskinering. Ved bruk av lavere maskineringsparametere vises dype skjæremerker på endeflaten av delen, noe som resulterer i et revet utseende på overflatematerialet. For å løse dette problemet må de eksterne dreiebearbeidingsparametrene justeres. Spesifikke optimaliseringsparametere er vist i tabell 4. Gjennom parameteroptimalisering elimineres skjæremerkene på endeflaten av delen, den bearbeidede endeflaten er jevn, og bearbeidingskvaliteten forblir konsistent fra sentrum til kanten. Den optimaliserte endeflatens tilstand er vist i figur 6.
Tabell 4 Optimalisering av parameter for endevending
Figur 6 Deltilstand etter endevending
4.2 Presisjonsdreiing av ytre diameter
Den 14. CNC-snuoperasjonen er en nøkkelprosess i bearbeiding av denne delen. Denne operasjonen bruker en selv-sentrerende chuck og en midtstøtte for å støtte den ytre diameteren. Spesifikke maskineringskrav er vist i figur 7. Den nøyaktige ytre diametertoleransen til delen er 0,024 mm, og maskinering må utføres i tre trinn. Spesifikke maskineringsparametere er vist i tabell 5. På grunn av materialets høye viskositet er det nødvendig med en skarp utvendig dreieinnsats. Den foretrukne innsatsspissens radius er R0,2 mm. Hvis innsatsspissens radius er for stor, kan ikke delens krav til overflateruhet garanteres.
Figur 7 Krav til CNC dreieprosess Tabell 5 Optimalisering av eksterne dreieparametere Etter etterbehandling er den ytre diameteren på delen 88,85~88,89 mm, noe som overstiger kravene i tegningen. Før du finner årsaken, er den eneste måten å justere størrelsen på å legge igjen en marg på den ytre diameteren og deretter polere den manuelt. Etter analyse vil rundheten til den ytre diameteren støttet av senterstøtten under innspenning ha en betydelig innvirkning på rotasjonsutløpet til delen [3]. Under de høye presisjonstoleransekravene er denne påvirkningen spesielt fremtredende. Den ytre klemmediameteren til delen ut-av-toleranse ble målt, og dens rundhetsendring var 0,020~0,035 mm, noe som i utgangspunktet er konsistent med ut{13}}av{14}}toleransefluktuasjonen til delens ytre diameter. For å løse dette problemet er det nødvendig å optimalisere og korrigere de tekniske kravene til referanseprosessen. I den utvendige dreieprosessen i den 11. prosessen er det klart påkrevd at rundheten til den ytre diameteren kontrolleres innenfor 0,01 mm. De spesifikke forbedringskravene er vist i figur 8. Etter å ha lagt til rundhetskontrollkrav til den 11. prosessen, ble dimensjonsstabiliteten til den ytre diameterdreiningen i den 14. prosessen betydelig forbedret. Fluktuasjonsområdet til den ytre diameteren ble redusert til 88,865–88,875 mm, og deformasjonen kunne kontrolleres innenfor 0,01 mm. Ingen lokale justeringer av operatøren var påkrevd for å sikre at ytre diametertoleranse oppfylte kravene. Stabilitetstester bekreftet at en enkelt skjæreverktøyspiss kunne stabilt bearbeide fire deler; dimensjonsnøyaktighet kunne imidlertid ikke garanteres etter verktøyslitasje.
Figur 8: Forbedringskrav for grunnprosessen
4.3 Lean forbedring av bunnflaten av det indre hullet
Under CNC-dreieprosessen i den 14. prosessen dukket det opp en maskineringsfeil i bunnen av delen, manifestert som en restboss med en diameter på 1 mm og en høyde på 0,3 mm, som vist i figur 9. Den første bearbeidingsplanen var å bruke en flat-endfres for å fjerne bunnoverskuddet, og deretter bruke et stort{{4}diameterverktøy for å bore inn det siste verktøyet, 5} bunnflaten. Når du fjerner bunntilskuddet med en fres, må verktøyets utløp kontrolleres innenfor 0,01 mm. På grunn av den lille avfasningen i bunnen av den flate-endefresen, kan ikke bunnen av delen maskineres til flat tilstand. Den flate-endefresen er vist i figur 10.
Figur 9: Bunndefekt
Figur 10: Flat-endefres
For å løse dette problemet, ble maskineringsskjemaet optimalisert ved å erstatte bunnen med en borekutter med liten-diameter, som vist i figur 11. Maskineringstester viste at bruk av en borekutter til å bore bunnen eliminerte navdefekten fullstendig.
Figur 11: Lagt til kjedelig kutter
4.4 Optimalisering av intern hulldreiing
Under den 14. CNC-svingoperasjonen etterlater den innvendige hullboringen en 0,05 mm kvote på den ene siden for påfølgende honing. Men etter kjedelig dukket det opp forskjellige kvalitetsfeil i det indre hullet. Defekttypene og proporsjonene er vist i tabell 6. Disse defektene utgjør en betydelig risiko for den påfølgende honeprosessen.
Tabell 6. Defekttyper og prosenter
Analyse avdekket tre hovedårsaker til de nevnte defektene: For det første var diameteren på det innvendige boreverktøyet for liten, noe som resulterte i utilstrekkelig verktøystivhet og ustabile hulldimensjoner etter boring. For det andre hadde materialet høy viskositet, noe som førte til ustabil skjæring og dårlig sponbrudd ved bruk av tradisjonelle etterbehandlingsparametere, med spon som virvlet rundt og skrapte hullveggen. For det tredje var skjærehastigheten for lav, og klarte ikke å oppfylle delens dimensjonsnøyaktighet og krav til overflateruhet.
For å løse disse problemene ble følgende optimaliseringstiltak implementert: Først, bytt ut det innvendige boreverktøyet med et større diameter for å forbedre verktøyets stivhet; det optimaliserte boreverktøyet er vist i figur 12. For det andre, øk skjærehastigheten for å øke skjæredybden ved etterbehandling. For det tredje, optimaliser det interne kjølesystemet slik at skjærevæsken kan virke direkte på boreverktøyspissen. En sammenligning av verktøyoptimaliseringer er vist i tabell 7.
Figur 12 Optimalisert boreverktøy
Tabell 7 Sammenligning av verktøyoptimalisering
4.5 Optimalisering av utvidet skråhull
I den 13. operasjonen, horisontal fresing av det utvidede skråhullet, var den opprinnelige planen: ved å bruke en φ6mm utvidet freser for å forstørre hullet til φ7,3mm, var den faktiske hulldiameteren etter maskinering 7,1~7,2mm, med en dimensjonsfluktuasjon på 0,1mm; etter justering av programmet for å frese til φ7,5 mm, var hulldiameteren 7,35~7,42 mm, og svingningen ble redusert til 0,07 mm; til slutt ble det brukt en rett skaftrømmer for etterbehandling, hulldiameteren var 7,62~7,69 mm, og dimensjonene var ekstremt ustabile.
I den første optimaliseringen ble rømmeren erstattet med et boreverktøy, og hulldiameteren etter maskinering var 7,60~7,72 mm, noe som overskred toleransekravene og førte til at delen ble skrotet. Den endelige optimaliserte planen var: ved bruk av en freser med variabel- diameter i diameter for skråhullfresing, nådde gjennomføringshastigheten til de maskinerte delene 100 %. Verktøyet for bearbeiding av utvidet skrå hull er vist i figur 13.
a) Pindfres med rett skaft b) Rømmer med rett skaft c) Borekutter d) Pindfres med variabel diameter Figur 13 Utvidet skråhullsmaskinverktøy
4.6 Forbedring av bearbeiding av lagerhull
I den 13. bearbeidingsprosessen av lagerhullet er hulldiameterkravet mm. Den opprinnelige planen var: bruk en φ20 mm endefres for å frese til φ34,4 mm, og bruk deretter en borekutter for å bore til ferdig størrelse. Etter bearbeiding dukket det imidlertid opp vibrasjonsmerker på hullveggen, som ikke kunne løses etter flere parameterjusteringer. Maskineringsverktøyene er vist i figur 14.
a) Borekutter b) Pindfres Figur 14 Bearbeidingsverktøy for lagerhull
4.7 Innvirkning av kuleblending på deler
Den opprinnelige planen for bearbeiding av presisjonshull var: CNC-dreiing av presisjonsboring av det indre hullet med en 0,05 mm kvote på den ene siden, honing for å sikre en hulldiametertoleranse på 0,02 mm og en sylindrisitet på 0,02 mm, og til slutt kulepering av delens ytre diameter. Imidlertid forårsaket kulepening deformasjon av det indre hullet i delen, med diameteren som økte med 0,015–0,025 mm i aksial senterposisjon. Noen deler overskred den øvre toleransegrensen og ble skrotet.
For å løse dette problemet ble prosessrekkefølgen justert etter samråd med kunden, plassering av honing etter kulepering. Deformasjonen av det indre hullet etter kulepering var omtrent 0,025 mm, som var fullstendig dekket av den 0,05 mm ensidige kvoten reservert for honing. Etter justeringen kunne den indre hulldiametertoleransen etter honing kontrolleres innen 0,010 mm, og sylindrisiteten innen 0,015 mm, i samsvar med tegningskravene. Påvirkningen av kuleblending på det indre hullet er vist i tabell 8.
Tabell 8 Virkning av skuddblending på intern hullkontroll (Enhet: mm)
DEL 5
Konklusjon
Gjennom flere runder med lean-optimalisering og forbedring under prosesseringsverifiseringsstadiet, oppnådde denne presisjonssylindriske delen for romfart til slutt en stabil masseproduksjon. Tradisjonell prosesseringserfaring er ikke lenger aktuelt for behandlingsvanskene til 35CD4-materiale. Flere tiltak, som prosessoptimalisering, verktøyvalgoptimalisering og prosesseringsparameteroptimalisering, er nødvendig for å overvinne prosesseringsutfordringene [4]. 35CD4 høy-stål har utmerket ytelse, men det gir også høyere prosesseringsutfordringer. I faktisk produksjon er det nødvendig å velge verktøymodeller spesifikt og formulere rimelige prosessparametere. Med utviklingen av nye prosesseringsteknologier vil prosesseringsvanskeligheten for så vanskelig-å-materiale gradvis reduseres, og relevant prosesseringserfaring må kontinuerlig oppsummeres og akkumuleres. I tillegg har shot peening-prosessen en irreversibel innvirkning på presisjonsdimensjonene til delene, noe som indikerer at prosessdesign er et systematisk prosjekt. Prosessordningen må følge logiske regler og fullt ut vurdere den gjensidige påvirkningen mellom hver prosess for å kunne formulere en vitenskapelig og rimelig prosesseringsplan [5], og oppnå effektiv produksjon samtidig som produktkvaliteten sikres.
