Augstas -stiprības tērauds 35CD4 tiek plaši izmantots precīzās, cilindriskās aviācijas detaļās tā izcilās veiktspējas dēļ, taču tam ir tehniskas grūtības, piemēram, augsta cietība, lielas griešanas grūtības, viegla plānu -sienu daļu deformācija un stingras pielaides prasības. Reaģējot uz šīm tehniskajām grūtībām, tika izstrādāta vienkārša apstrādes shēma, kas aptver vairākus procesus, apvienojot materiāla īpašības ar precizitātes izmēriem un detaļu īpašajām procesa prasībām. Apstrādes procesā optimizējot galveno saišu, piemēram, ārējās virpošanas, iekšējās urbšanas, slīpo urbumu un gultņu urbumu apstrādes parametrus un instrumentus, kā arī pielāgojot skrotis un slīpēšanas secību, tika atrisinātas tādas problēmas kā apstrādes deformācija un izmēru novirze. Visbeidzot, tika panākta stabila detaļu masveida ražošana, un attiecīgais process var sniegt atsauci grūti{7}}-griežamu materiālu precīzu detaļu apstrādei.
1. DAĻA
Ievads
Aviācijas un kosmosa iekārtu veiktspējas izrāviens ir ļoti atkarīgs no galveno komponentu apstrādes precizitātes un uzticamības[1]. Augstas -izturības tērauds 35CD4 ir kļuvis par ideālu materiālu precīzijas cilindriskām aviācijas detaļām, pateicoties tā izcilajām īpašībām, piemēram, augstajai izturībai un augstajai rūdāmībai. Tomēr šī materiāla lielais griešanas spēks un ievērojamā darba sacietēšanas tendence apvienojumā ar neregulāro formu un viegli deformējamo, kā arī cilindrisko daļu stingrām precizitātes izmēru pielaidēm rada ievērojamu izaicinājumu tradicionālajiem apstrādes procesiem.
Lai pārvarētu šo ražošanas izaicinājumu, šajā rakstā galvenā uzmanība tiek pievērsta 35CD4 materiāla īpašībām un cilindrisko daļu procesa prasībām, kā arī tiek veikti pētījumi par liesās apstrādes procesiem. Veicot virkni pasākumu, tostarp optimizējot procesa dizainu, uzlabojot instrumentu izvēli un pielāgojot apstrādes parametrus, tika sistemātiski atrisinātas tādas galvenās problēmas kā apstrādes deformācija un izmēru novirzes, kā rezultātā tika izveidots stabils un uzticams masveida ražošanas risinājums.
Šajā rakstā ir sistemātiski apskatītas šīs tehnoloģijas pētniecības un attīstības idejas un verifikācijas process, lai sniegtu tehnisko atsauci līdzīgu aviācijas un kosmosa precizitātes detaļu apstrādei.
2. DAĻA
Aviācijas un kosmosa precizitātes cilindrisko detaļu procesa raksturojums
Noteikta aviācijas un kosmosa precizitātes cilindriskā daļa, ko ražo mūsu uzņēmums, ir izgatavota no 35CD4, un tās forma ir parādīta 1. attēlā. Šī daļa ir neregulāras formas daļa, tās īpašā struktūra ir pakļauta deformācijai, un tās sieniņu biezums ir salīdzinoši plāns. Iekšējā cauruma un ārējā apļa pielaides ir stingri nepieciešamas, gultņa caurums pie izciļņa ir precīzs caurums, un daļas iekšpusē ir slīpi caurumi, kas apgrūtina saistīto izmēru pielaides kontroli. Šīs cilindriskās daļas tehnoloģiskās īpašības galvenokārt atspoguļojas turpmākajos aspektos.
1. attēls. Cilindriskās daļas ārējā forma
2.1. Materiāla īpašības
(1) Metāla raksturlielumi
35CD4 augstas stiprības-leģētais tērauds ir kosmosa rūpniecībā plaši izmantots vidēja-oglekļa niķeļa-hroma-molibdēna tērauds. Tā ķīmiskais sastāvs ir parādīts 1. tabulā. Salīdzinājumā ar citiem metāliem šim tēraudam ir unikālas priekšrocības ķīmisko, fizikālo un mehānisko īpašību ziņā.
1. tabula. 35CD4 sakausējuma elementi un parametri (ķīmiskais sastāvs)
(2) 35CD4 materiāla īpašības
Galvenokārt iekļaujiet šādus četrus punktus:
① Augsta izturība. Tā kā tas ir zema-oglekļa-leģētais tērauds, tam ir lielāka izturība nekā ne-leģētam tēraudam, tāpēc to sauc par "zema-leģēto augstas{5}izturības tēraudu".
② Augsta tecēšanas robeža. Tā tecēšanas robeža ir augstāka nekā ne-leģētam tēraudam. Ar tādu pašu slodzi no šī materiāla izgatavoto detaļu svaru var samazināt par 20% līdz 30%.
③ Laba plastiskums un stingrība. Sakausējuma elementu īpatsvars ir salīdzinoši zems, nodrošinot materiālam gan labu plastiskumu, gan stingrību. ④ Augsta rūdāmība. Sakausējuma sastāvs satur tādus elementus kā niķelis, hroms un molibdēns, kas var uzturēt ļoti stabilu pārdzesēto tērauda austenītu. Martensīta un beinīta struktūras var iegūt ar gaisa rūdīšanu.
(3) Materiālu apstrādes raksturlielumi. Šim materiālam parasti ir divi termiskās apstrādes stāvokļi: normalizēšana + rūdīšana un rūdīšana + rūdīšana. Šiem diviem stāvokļiem atbilstošā cietība ir parādīta 2. tabulā.
2. tabula Materiāla cietība
Kā redzams 2. tabulā, šī materiāla cietība un stiepes izturība ir augstā līmenī. Tas ir arī bagāts ar tādiem elementiem kā hroms un mangāns. Šie faktori kopā apgrūtina apstrādi, un tas ir tipisks grūti-apstrādājams-materiāls. Īpašas apstrādes grūtības ir šādas:
1) Augsts griešanas spēks. Materiālam ir augsta cietība un izturība, augsts atomu blīvums un saistīšanas spēks, kā arī lieliska izturība pret lūzumiem un ilgtermiņa plastiskums. Griešanas procesā ir ne tikai liels griešanas spēks, bet arī griešanas spēks ievērojami svārstās [2].
2) Augsta griešanas temperatūra. Griešanas deformācija patērē daudz enerģijas un rada daudz siltuma. Liels griešanas siltuma daudzums tiek koncentrēts griešanas zonā, veidojot augstas-temperatūras vidi.
3) Augsta tieksme uz darba rūdījumu. Materiālam ir laba plastika un stingrība, ar augstu stiprinājuma koeficientu. Kombinētā griešanas spēka un griešanas karstuma ietekmē tas tiek pakļauts smagai plastiskai deformācijai, kas izraisa darba sacietēšanu. Vienlaikus griešanas siltums liek materiālam absorbēt ūdeņraža, skābekļa un slāpekļa atomus no apkārtējās vides, veidojot cietu un trauslu virsmas slāni, vēl vairāk palielinot griešanas grūtības.
4) Spēcīgs instrumentu nodilums. Lieli griešanas spēki un temperatūra griešanas laikā pastiprina berzi starp instrumentu un skaidām, un instrumenta materiāls ir pakļauts afinitātes mijiedarbībai ar sagataves materiālu. Apvienojumā ar cietu daļiņu klātbūtni materiālā un smagu sacietēšanu darbā, instruments ir ļoti jutīgs pret adhezīvu nodilumu, difūzijas nodilumu, abrazīvu nodilumu, robeždilumu un rievotu nodilumu griešanas laikā, galu galā zaudējot griešanas spēju.
5) Sarežģīta mikroshēmu apstrāde. Materiāla augstā izturība, plastiskums un stingrība rada lentei līdzīgas šķembas griešanas laikā, kas apdraud drošību, kavē griešanas procesu un rada skrāpējumus uz detaļas virsmas, apgrūtinot virsmas raupjuma prasību izpildi.
6) Liela griešanas deformācija. Augsta griešanas temperatūra un augsta materiāla plastiskums apstrādes laikā viegli noved pie termiskās deformācijas, kas apgrūtina precīzu izmēru un formu garantēšanu.
(4) Materiālu apstrādes shēma Lai nodrošinātu, ka izejmateriāli var pilnībā pabeigt rūdīšanas un rūdīšanas apstrādi, kalšanas sagatave pirms termiskās apstrādes ir rupji-jāapstrādā, lai nodrošinātu, ka katra šķērsgriezuma sienas biezums ir vienāds.<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.
2. attēls: tukšs
3. attēls: neapstrādāta{1}}forma
2.2. Procesa raksturlielumi Šai daļai ir vairākas augstas{1}}precizitātes prasības. Lai nodrošinātu produkta kvalitāti, ir jāveido stabila un uzticama procesa plūsma, vispusīgi apsverot visus precīzus izmēru parametrus. Detaļas galvenie precizitātes izmēri ir parādīti 4. attēlā.
4. attēls. Detaļas galvenie precizitātes izmēri
(1) Precizitātes ārējais diametrs Precīzs ārējais diametrs pie pieslēgvietas ir mm, pielaides zonas platums ir tikai 0,022 mm; iekšējā cauruma izmērs ir φ83,37 mm, kas atbilst sienas biezumam 2,81 mm. Šī izmēru pielaides prasība ir stingra, daļas siena ir plāna un apstrādes grūtības ir ārkārtīgi augstas. (2) Precīzijas iekšējais caurums: precīzā iekšējā cauruma diametrs ir φ mm un pielaide 0,04 mm. Šī iekšējā cauruma koaksialitātes prasība attiecībā pret ārējo apli ir φ0,04 mm, cilindriskuma prasība ir φ0,02 mm un cauruma dziļums ir 287,5 mm.
(3) Pagarināts slīpais caurums: kā parādīts 5. attēlā, slīpā cauruma, kas atrodas daļas auss pozīcijā, diametrs ir mm un 45 grādu leņķis ar daļas asi. Apstrādājot šo caurumu, darbgalda vārpsta ar detaļu jānoregulē 45 grādu leņķī. Lai izvairītos no iejaukšanās starp instrumentu un armatūru, apstrādes instrumentam ir nepieciešama gara pārkares struktūra, kas ir galvenais izaicinājums šīs daļas apstrādē.
5. attēls. Pagarināts slīpais caurums un gultņa caurums
(4) Gultņa caurums: kā parādīts 5. attēlā, gultņa atveres diametrs pie auss ir mm. Šo caurumu var apstrādāt tikai no detaļas kreisās gala virsmas. Instrumenta pārkare ir liela, un diametra pielaides prasības ir stingras, tāpēc ir grūti garantēt izmēru precizitāti. 2.3 Īpaši procesi
Papildus iepriekš minētajām apstrādes prasībām šai daļai ir jāveic vairākas īpašas apstrādes darbības, piemēram:
1) Šāviens. Atdalīšanas laukums ir detaļas ārējais diametrs, bet jāizvairās no ārējā diametra daļas, kuras diametrs ir φmm. Stingri aizliegta iekšējās atveres izgriešana.
2) Hromēšana. Hromēšanas laukums ir iekšējais caurums ar diametru φmm. Hroma slāņa biezums jākontrolē no 20 līdz 25 μm.
3) Kadmija pārklājums. Kadmija pārklājuma laukums ir visas virsmas, izņemot hromēšanas laukumu.
4) Glezniecība. Krāsošanas laukums ir detaļas ārējais diametrs, bet jāizvairās no ārējā diametra daļas ar diametru φmm.
3. DAĻA
Lidmašīnu precīzās cilindru apstrādes procesa projektēšana
Pamatojoties uz šīs cilindra daļas materiāla īpašību, precizitātes izmēru un īpašo procesu analīzi, procesa plāns ir parādīts 3. tabulā.
3. tabula Procesa plāns
4. DAĻA
Gaisa kuģu precīzās cilindru apstrādes procesa pārbaude
4.1. Auss ārējā diametra apdare
35CD4 materiālam ir spēcīga adhēzija, kas apstrādes laikā apgrūtina skaidu pārrāvumu. Izmantojot zemākus apstrādes parametrus, detaļas gala virsmā parādās dziļas griešanas pēdas, kā rezultātā virsmas materiāls ir saplēsts. Lai atrisinātu šo problēmu, ir jāpielāgo ārējās virpošanas apstrādes parametri. Konkrēti optimizācijas parametri ir parādīti 4. tabulā. Izmantojot parametru optimizāciju, tiek novērstas griešanas pēdas uz detaļas gala virsmas, apstrādātā gala virsma ir gluda, un apstrādes kvalitāte paliek nemainīga no centra līdz malai. Optimizētais gala virsmas stāvoklis ir parādīts 6. attēlā.
4. tabula Gala virsmas pagriešanas parametru optimizācija
6. attēls Daļas stāvoklis pēc gala virsmas apdares pagriešanas
4.2 Precīza ārējā diametra virpošana
14. CNC virpošanas operācija ir galvenais process šīs daļas apstrādē. Šī darbība izmanto paš-centrējošu patronu un centra balstu, lai atbalstītu ārējo diametru. Īpašas apstrādes prasības ir parādītas 7. attēlā. Detaļas ārējā diametra precizitātes pielaide ir 0,024 mm, un apstrāde jāveic trīs posmos. Konkrēti apstrādes parametri ir parādīti 5. tabulā. Materiāla augstās viskozitātes dēļ ir nepieciešams ass ārējais virpošanas ieliktnis. Vēlamais ieliktņa gala rādiuss ir R0,2 mm. Ja ieliktņa gala rādiuss ir pārāk liels, nevar garantēt detaļas virsmas raupjuma prasības.
7.attēls Prasības CNC virpošanas procesam 5.tabula Ārējo virpošanas parametru optimizācija Pēc apdares detaļas ārējais diametrs ir 88.85~88.89mm, kas pārsniedz rasējuma prasības. Pirms pamatcēloņa noteikšanas vienīgais veids, kā pielāgot izmēru, ir atstāt ārējā diametra rezervi un pēc tam to manuāli pulēt. Pēc analīzes ārējā diametra apaļums, ko atbalsta centra balsts iespīlēšanas laikā, būtiski ietekmēs detaļas griešanās gaitu [3]. Saskaņā ar augstas precizitātes pielaides prasībām šī ietekme ir īpaši pamanāma. Tika izmērīts ārējās-no{10}}pielaides daļas iespīlēšanas ārējais diametrs, un tās apaļuma izmaiņas bija 0,020–0,035 mm, kas būtībā atbilst detaļas ārējā diametra-no-pielaides svārstībām. Lai atrisinātu šo problēmu, ir nepieciešams optimizēt un labot atsauces procesa tehniskās prasības. 11. procesa ārējā virpošanas procesā nepārprotami tiek noteikts, ka ārējā diametra apaļums jākontrolē 0,01 mm robežās. Specifiskās uzlabošanas prasības ir parādītas 8. attēlā. Pēc apaļuma kontroles prasību pievienošanas 11. procesam tika ievērojami uzlabota ārējā diametra virpošanas izmēru stabilitāte 14. procesā. Ārējā diametra svārstību diapazons tika samazināts līdz 88, 865–88, 875 mm, un deformāciju varēja kontrolēt 0, 01 mm robežās. Lai nodrošinātu ārējā diametra pielaides atbilstību prasībām, operatoram nebija jāveic vietējie pielāgojumi. Stabilitātes testi apstiprināja, ka ar vienu griezējinstrumenta galu var stabili apstrādāt četras detaļas; tomēr izmēru precizitāti nevarēja garantēt pēc instrumenta nodiluma.
8. attēls. Uzlabošanas prasības bāzes procesam
4.3. Iekšējā cauruma apakšējās virsmas slīpums
CNC virpošanas procesā 14. procesā detaļas apakšā parādījās apstrādes defekts, kas izpaudās kā atlikušais izciļnis ar diametru 1 mm un augstumu 0,3 mm, kā parādīts 9. attēlā. Sākotnējais apstrādes plāns bija izmantot plakanu -gala frēzi, lai noņemtu apakšējo daļu, pēc tam izmantot lielu- urbuma virsmu un urbuma virsmas diametru. Noņemot apakšējo pielaidi, izmantojot frēzi, instrumenta izskrējiens jākontrolē 0,01 mm robežās. Tomēr, ņemot vērā nelielo slīpumu plakanās gala frēzes-apakšā, detaļas apakšējo daļu nevar apstrādāt līdz plakanam stāvoklim. Plakanās gala frēzes ir parādītas 10. attēlā.
9. attēls: apakšas defekts
10. attēls: plakanā-gala frēze
Lai atrisinātu šo problēmu, apstrādes shēma tika optimizēta, nomainot apakšējo daļu ar maza-diametra urbšanas griezēju, kā parādīts 11. attēlā. Apstrādes testi pierādīja, ka, izmantojot urbšanas griezēju, lai izurbtu apakšu, tika pilnībā novērsts priekšgala defekts.
11. attēls. Pievienots urbšanas griezējs
4.4 Iekšējo caurumu virpošanas optimizācija
14. CNC virpošanas operācijas laikā iekšējais urbuma urbums atstāj 0,05 mm atstarpi vienā pusē turpmākai slīpēšanai. Taču pēc urbšanas iekšējā caurumā parādījās dažādi kvalitātes defekti. Defektu veidi un proporcijas ir parādītas 6. tabulā. Šie defekti rada būtisku risku turpmākajam slīpēšanas procesam.
6. tabula. Defektu veidi un procenti
Analīze atklāja trīs galvenos iepriekš minēto defektu cēloņus: Pirmkārt, iekšējā urbšanas instrumenta diametrs bija pārāk mazs, kā rezultātā instruments nebija pietiekami stingrs un nestabili urbuma izmēri pēc urbšanas. Otrkārt, materiālam bija augsta viskozitāte, kas noveda pie nestabilas griešanas un sliktas skaidu lūzuma, izmantojot tradicionālos apdares parametrus, šķembām griežoties un skrāpējot cauruma sienu. Treškārt, griešanas ātrums bija pārāk zems, neatbilstot detaļas izmēru precizitātes un virsmas raupjuma prasībām.
Lai risinātu šīs problēmas, tika īstenoti šādi optimizācijas pasākumi: Pirmkārt, nomainiet iekšējo urbšanas instrumentu ar lielāku diametru, lai uzlabotu instrumenta stingrību; optimizētais urbšanas rīks ir parādīts 12. attēlā. Otrkārt, palieliniet griešanas ātrumu, lai palielinātu griešanas dziļumu apdarē. Treškārt, optimizējiet iekšējo dzesēšanas sistēmu, lai griešanas šķidrums varētu tieši iedarboties uz urbšanas instrumenta galu. Rīku optimizāciju salīdzinājums ir parādīts 7. tabulā.
12. attēls Optimizētais urbšanas rīks
7. tabula Rīku optimizācijas salīdzinājums
4.5. Pagarināta slīpā cauruma optimizācija
13. operācijā, izvērsta slīpā urbuma horizontālā frēzēšana, sākotnējais plāns bija šāds: izmantojot φ6 mm pagarinātu frēzi, lai palielinātu urbumu līdz φ7,3 mm, faktiskais urbuma diametrs pēc apstrādes bija 7,1 ~ 7,2 mm, ar izmēru svārstībām 0,1 mm; pēc programmas pielāgošanas frēzēšanai līdz φ7,5 mm cauruma diametrs bija 7,35–7,42 mm, un svārstības tika samazinātas līdz 0,07 mm; visbeidzot, apdarei tika izmantota taisna kāta rīve, cauruma diametrs bija 7,62–7,69 mm, un izmēri bija ārkārtīgi nestabili.
Pirmajā optimizācijā rīvgriezējs tika aizstāts ar urbšanas instrumentu, un cauruma diametrs pēc apstrādes bija 7,60–7,72 mm, pārsniedzot pielaides prasības un izraisot detaļas nodošanu metāllūžņos. Galīgais optimizētais plāns bija šāds: izmantojot 7 mm diametra mainīga-diametra frēzi slīpo caurumu frēzēšanai, apstrādāto detaļu caurlaides ātrums sasniedza 100%. Instruments pagarinātai slīpo urbumu apstrādei ir parādīts 13. attēlā.
a) Taisnā kāta gala frēze b) Taisna kāta rīve c) Urbšanas griezējs d) Mainīga diametra gala frēze 13. attēls Pagarināti slīpo caurumu apstrādes instrumenti
4.6 Gultņu caurumu apstrādes uzlabošana
Gultņa cauruma 13. apstrādes procesā urbuma diametra prasība ir mm. Sākotnējais plāns bija šāds: izmantojiet φ20 mm gala frēzi, lai frēzētu līdz φ34,4 mm, un pēc tam izmantojiet urbšanas griezēju, lai izurbtu līdz gatavajam izmēram. Tomēr pēc apstrādes uz urbuma sienas parādījās vibrācijas zīmes, kuras nevarēja novērst pēc vairāku parametru pielāgošanas. Apstrādes instrumenti ir parādīti 14. attēlā.
a) Urbšanas griezējs b) Gala frēze 14. attēls Gultņu caurumu apstrādes instrumenti
4.7. Šāviena atslāņošanās ietekme uz detaļām
Sākotnējais precīzās urbuma apstrādes plāns bija šāds: CNC virpošanas precīza iekšējā cauruma urbšana ar 0,05 mm pielaidi vienā pusē, slīpēšana, lai nodrošinātu urbuma diametra pielaidi 0,02 mm un cilindriskums 0,02 mm, un visbeidzot detaļas ārējā diametra urbšana. Taču skrotis radīja detaļas iekšējā cauruma deformāciju, diametram aksiālā centra pozīcijā palielinoties par 0,015–0,025 mm. Dažas daļas pārsniedza augšējo pielaides robežu un tika nodotas metāllūžņos.
Lai atrisinātu šo problēmu, pēc konsultācijas ar pasūtītāju tika koriģēta procesu secība, izvietojot slīpēšanu pēc skrotis. Iekšējā cauruma deformācija pēc skrotis bija aptuveni 0,025 mm, ko pilnībā nosedza 0,05 mm vienpusējs pielaide, kas bija paredzēta slīpēšanai. Pēc regulēšanas iekšējā cauruma diametra pielaidi pēc slīpēšanas varēja kontrolēt 0,010 mm robežās un cilindriskumu 0,015 mm robežās, kas atbilst zīmēšanas prasībām. Skrotis skrotis ietekme uz iekšējo caurumu ir parādīta 8. tabulā.
8. tabula Štancēšanas ietekme uz iekšējo caurumu vadību (vienība: mm)
5. DAĻA
Secinājums
Apstrādes verifikācijas posmā veicot vairākas optimizācijas un uzlabošanas kārtas, šī aviācijas un kosmosa precizitātes cilindriskā daļa beidzot panāca stabilu masveida ražošanu. Tradicionālā apstrādes pieredze vairs nav piemērojama 35CD4 materiāla apstrādes grūtībām. Lai pārvarētu apstrādes problēmas, ir nepieciešami vairāki pasākumi, piemēram, procesa optimizācija, instrumentu atlases optimizācija un apstrādes parametru optimizācija [4] . 35CD4 augstas stiprības-tēraudam ir lieliska veiktspēja, taču tas rada arī lielākas apstrādes problēmas. Faktiskajā ražošanā ir nepieciešams īpaši izvēlēties instrumentu modeļus un formulēt saprātīgus apstrādes parametrus. Attīstoties jaunām apstrādes tehnoloģijām, šādu grūti{10}}mašīnām{11}}apstrādājamu materiālu apstrādes grūtības pakāpeniski samazināsies, un ir nepārtraukti jāapkopo un jāuzkrāj attiecīgā apstrādes pieredze. Turklāt skrošu atdalīšanas process neatgriezeniski ietekmē detaļu precizitātes izmērus, kas liecina, ka procesa projektēšana ir sistemātisks projekts. Procesa izkārtojumam ir jāievēro loģiski noteikumi un pilnībā jāņem vērā katra procesa savstarpējā ietekme, lai izveidotu zinātnisku un saprātīgu apstrādes plānu [5] un panāktu efektīvu ražošanu, vienlaikus nodrošinot produkta kvalitāti.
