35CD4 höghållfast stål används ofta i precisionscylindriska delar av flyg- och rymdindustrin på grund av dess utmärkta prestanda, men det har tekniska svårigheter som hög hårdhet, hög skärsvårighet, lätt deformering av tunna-väggiga delar och strikta toleranskrav. Som svar på dessa tekniska svårigheter formulerades ett magert bearbetningsschema som täcker flera processer genom att kombinera materialegenskaperna med delarnas precisionsdimensioner och speciella processkrav. Genom att optimera parametrarna och verktygen för nyckellänkar som extern svarvning, inre borrning, snedhåls- och lagerhålsbearbetning i bearbetningsprocessen, och justera sekvensen av kulblästring och honing, löstes problem som bearbetningsdeformation och dimensionsavvikelse. Slutligen uppnåddes en stabil massproduktion av delar, och den relevanta processen kan ge en referens för bearbetning av precisionsdelar av svåra-att skära material.
DEL 1
Introduktion
Prestandagenombrottet för flygutrustning är starkt beroende av bearbetningsnoggrannheten och tillförlitligheten hos kärnkomponenter[1]. Hög-hållfast stål 35CD4 har blivit ett idealiskt material för precisionscylindriska delar av flygindustrin på grund av dess utmärkta egenskaper som hög hållfasthet och hög härdbarhet. Men den höga skärkraften och den betydande arbetshärdningsbenägenheten hos detta material, i kombination med den oregelbundna formen och lätt deformerbara, och de stränga precisionsdimensionella toleranserna för de cylindriska delarna, utgör en betydande utmaning för traditionella bearbetningsprocesser.
För att övervinna denna produktionsutmaning fokuserar detta dokument på materialegenskaperna hos 35CD4 och processkraven för cylindriska delar, och bedriver forskning om magra bearbetningsprocesser. Genom en rad åtgärder, inklusive optimering av processdesign, förbättring av verktygsval och justering av bearbetningsparametrar, löstes nyckelfrågor som bearbetningsdeformation och dimensionsavvikelser systematiskt, vilket resulterade i en stabil och pålitlig massproduktionslösning.
Det här dokumentet går systematiskt igenom forsknings- och utvecklingsidéerna och verifieringsprocessen för denna teknik, i syfte att tillhandahålla teknisk referens för bearbetning av liknande precisionsdelar för flygindustrin.
DEL 2
Processegenskaper för cylindriska delar för flyg- och rymdprecision
En viss cylindrisk precisionsdel för flygindustrin tillverkad av vårt företag är gjord av 35CD4, och dess form visas i figur 1. Denna del är en oregelbundet formad del, dess speciella struktur är benägen att deformeras och dess väggtjocklek är relativt tunn. Toleranserna för det inre hålet och den yttre cirkeln är strikt nödvändiga, lagerhålet vid fliken är ett precisionshål och delen har sneda hål inuti, vilket gör det svårt att kontrollera relaterade dimensionstoleranser. De tekniska egenskaperna hos denna cylindriska del återspeglas huvudsakligen i följande aspekter.
Figur 1. Yttre form på den cylindriska delen
2.1 Materialegenskaper
(1) Metalliska egenskaper
35CD4 hög-höghållfast legerat stål är ett vanligt använt medium-kolnickel-krom-molybdenstål inom flygindustrin. Dess kemiska sammansättning visas i tabell 1. Jämfört med andra metaller har detta stål unika fördelar i kemiska, fysikaliska och mekaniska egenskaper.
Tabell 1. Legeringselement och parametrar för 35CD4 (kemisk sammansättning)
(2) Materialegenskaper hos 35CD4
Inkludera huvudsakligen följande fyra punkter:
① Hög styrka. Eftersom det är ett låg-kol, låg-legerat stål, har det högre hållfasthet än o-legerat stål, därför kallas det "låg-legerat hög-stål".
② Hög sträckgräns. Dess sträckgräns är högre än för o-legerat stål. Under samma belastning kan vikten av delar gjorda av detta material minskas med 20% till 30%.
③ Bra plasticitet och seghet. Andelen legeringselement är relativt låg, vilket ger materialet både god plasticitet och seghet. ④ Hög härdbarhet. Legeringskompositionen innehåller element som nickel, krom och molybden, vilket kan hålla stålets underkylda austenit mycket stabil. Martensit- och bainitstrukturer kan erhållas genom luftkylning.
(3) Materialbearbetningsegenskaper. Detta material har i allmänhet två värmebehandlingstillstånd: normalisering + anlöpning och släckning + härdning. Hårdheten som motsvarar dessa två tillstånd visas i tabell 2.
Tabell 2 Materialhårdhet
Som framgår av tabell 2 är både hårdheten och draghållfastheten hos detta material på en hög nivå. Den är också rik på element som krom och mangan. Dessa faktorer tillsammans gör det svårt att bearbeta, och det är ett typiskt-att-bearbetat material. De specifika bearbetningssvårigheterna är följande:
1) Hög skärkraft. Materialet har hög hårdhet och hållfasthet, hög atomdensitet och bindningskraft och utmärkt brottseghet och långtidsplasticitet. Under skärprocessen är inte bara skärkraften stor utan skärkraften fluktuerar också avsevärt [2].
2) Hög skärtemperatur. Skärdeformationen förbrukar mycket ström och genererar mycket värme. En stor mängd skärvärme koncentreras i skärzonen och bildar en miljö med hög-temperatur.
3) Hög benägenhet för arbetshärdning. Materialet uppvisar god plasticitet och seghet, med en hög förstärkningskoefficient. Under de kombinerade effekterna av skärkraft och skärvärme genomgår den kraftig plastisk deformation, vilket leder till arbetshärdning. Samtidigt får skärvärme materialet att absorbera väte, syre och kväveatomer från det omgivande mediet, vilket bildar ett hårt och sprött ytskikt, vilket ytterligare ökar svårigheten att skära.
4) Stort verktygsslitage. Höga skärkrafter och temperaturer under skärning intensifierar friktionen mellan verktyget och spånen, och verktygsmaterialet är benäget för affinitetsinteraktioner med arbetsstyckets material. I kombination med närvaron av hårda partiklar i materialet och kraftig härdning är verktyget mycket känsligt för limslitage, diffusionsslitage, nötande slitage, gränsslitage och räfflade slitage under skärning, vilket slutligen förlorar sin skärförmåga.
5) Svår spånhantering. Materialets höga hållfasthet, plasticitet och seghet resulterar i bandliknande-spån intrasslade under skärning, vilket utgör säkerhetsrisker, hindrar skärprocessen och orsakar repor på delens yta, vilket gör det svårt att uppfylla kraven på ytjämnhet.
6) Stor skärdeformation. Höga skärtemperaturer och hög materialplasticitet under bearbetning leder lätt till termisk deformation, vilket gör det svårt att garantera exakta dimensioner och former.
(4) Materialbearbetningsschema För att säkerställa att råmaterialen kan fullfölja härdnings- och härdningsbehandlingen helt måste smidesämnet grovbearbetas- före värmebehandlingen för att säkerställa att väggtjockleken för varje tvärsnitt är-<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.
Bild 2: Tom
Figur 3: Grov-bearbetad form
2.2 Processegenskaper Den här delen har flera höga-dimensionella krav. Ett stabilt och tillförlitligt processflöde måste utformas genom att överväga alla precisionsdimensionella parametrar för att säkerställa produktkvalitet. De viktigaste precisionsmåtten för delen visas i figur 4.
Figur 4: Huvudprecisionsmått för delen
(1) Yttre precisionsdiameter Precisionens ytterdiameter vid porten är mm, med en toleranszonsbredd på endast 0,022 mm; det inre hålets storlek är φ83,37 mm, vilket motsvarar en väggtjocklek på 2,81 mm. Detta dimensionella toleranskrav är strikt, delväggen är tunn och bearbetningssvårigheten är extremt hög. (2) Precisionsinre hål: Det inre precisionshålet har en diameter på φ mm och en tolerans på 0,04 mm. Koaxialitetskravet för detta inre hål i förhållande till den yttre cirkeln är φ0,04 mm, cylindricitetskravet är φ0,02 mm och håldjupet är 287,5 mm.
(3) Förlängt lutande hål: Som visas i figur 5, har det lutande hålet vid delens öronposition en diameter på mm och en vinkel på 45 grader med delens axel. Vid bearbetning av detta hål måste verktygsmaskinens spindel justeras till en 45 graders vinkel med detaljen. För att undvika interferens mellan verktyget och fixturen krävs en lång överhängsstruktur för bearbetningsverktyget, vilket är en stor utmaning vid bearbetning av denna del.
Figur 5: Förlängt lutande hål och lagerhål
(4) Lagerhål: Som visas i figur 5 har lagerhålet vid örat en diameter på mm. Detta hål kan endast bearbetas från delens vänstra ändyta. Verktygsöverhänget är stort och diametertoleranskravet är strikt, vilket gör det svårt att garantera dimensionsnoggrannhet. 2.3 Specialprocesser
Utöver ovanstående bearbetningskrav kräver denna del flera speciella bearbetningssteg, enligt följande:
1) Kulblästring. Kulblästringsområdet är delens ytterdiameter, men den yttre diameterdelen med en diameter på φmm måste undvikas. Kulblästring av det inre hålet är strängt förbjudet.
2) Kromplätering. Förkromningsområdet är det inre hålet med en diameter på φmm. Kromskiktets tjocklek måste kontrolleras mellan 20 och 25 μm.
3) Kadmiumplätering. Kadmiumbeläggningsområdet är alla ytor utom krompläteringsområdet.
4) Målning. Målningsytan är delens ytterdiameter, men ytterdiameterdelen med en diameter på φmm måste undvikas.
DEL 3
Flygplans precisionscylinderbearbetningsprocessdesign
Baserat på analysen av materialegenskaper, precisionsdimensioner och specialprocesser för denna cylinderdel, visas processplanen i tabell 3.
Tabell 3 Processplan
DEL 4
Verifiering av flygplans precisionscylinderbearbetningsprocess
4.1 Efterbehandling av örats yttre diameter
35CD4-material har stark vidhäftning, vilket gör spånbrott svårt under bearbetning. Vid användning av lägre bearbetningsparametrar uppstår djupa skärmärken på delens ändyta, vilket resulterar i ett rivigt utseende på ytmaterialet. För att lösa detta problem måste de externa svarvbearbetningsparametrarna justeras. Specifika optimeringsparametrar visas i tabell 4. Genom parameteroptimering elimineras skärmärkena på ändytan av delen, den bearbetade ändytan är jämn och bearbetningskvaliteten förblir konsekvent från mitten till kanten. Det optimerade ändytans tillstånd visas i figur 6.
Tabell 4 Ändvändningsparameteroptimering
Figur 6 Deltillstånd efter svarvning av ändytan
4.2 Extern svarvning med ytterdiameter
Den 14:e CNC-svarvningen är en nyckelprocess vid bearbetning av denna del. Denna operation använder en själv-centrerande chuck och ett mittstöd för att stödja den yttre diametern. Specifika bearbetningskrav visas i figur 7. Den exakta ytterdiametertoleransen för delen är 0,024 mm, och bearbetningen måste utföras i tre steg. Specifika bearbetningsparametrar visas i tabell 5. På grund av materialets höga viskositet krävs ett skarpt yttre svarvskär. Den föredragna skärspetsradien är R0,2 mm. Om skärspetsradien är för stor kan detaljens ytjämnhetskrav inte garanteras.
Figur 7 Krav för CNC-svarvningsprocess Tabell 5 Optimering av externa svarvparametrar Efter slutbehandling är detaljens ytterdiameter 88,85~88,89 mm, vilket överstiger kraven i ritningen. Innan man hittar grundorsaken är det enda sättet att justera storleken att lämna en marginal på den yttre diametern och sedan polera den manuellt. Efter analys kommer rundheten på den yttre diametern som stöds av mittstödet under fastspänningen att ha en betydande inverkan på delens rotationsutlopp [3]. Under de höga precisionstoleranskraven är denna påverkan särskilt framträdande. Den yttre klämdiametern för delen ut-ur-toleransen mättes och dess rundhetsförändring var 0,020~0,035 mm, vilket i princip överensstämmer med fluktuationen utanför-toleransen för delens ytterdiameter. För att lösa detta problem är det nödvändigt att optimera och korrigera de tekniska kraven för referensprocessen. I den yttre svarvningen av den 11:e processen krävs det tydligt att rundheten på den yttre diametern kontrolleras inom 0,01 mm. De specifika förbättringskraven visas i figur 8. Efter att ha lagt till krav på rundhetsreglering till den 11:e processen, förbättrades dimensionsstabiliteten för ytterdiametersvarvningen i den 14:e processen avsevärt. Fluktuationsområdet för ytterdiametern reducerades till 88,865–88,875 mm, och deformationen kunde kontrolleras inom 0,01 mm. Inga lokala justeringar av operatören krävdes för att säkerställa att ytterdiametertoleransen uppfyllde kraven. Stabilitetstester verifierade att en enda skärverktygsspets stabilt kunde bearbeta fyra delar; dimensionell noggrannhet kunde dock inte garanteras efter verktygsslitage.
Figur 8: Förbättringskrav för baslinjeprocessen
4.3 Lean förbättring av bottenytan av det inre hålet
Under CNC-svarvningsprocessen i den 14:e processen uppträdde en bearbetningsdefekt i botten av detaljen, manifesterad som en kvarvarande nav med en diameter på 1 mm och en höjd av 0,3 mm, som visas i figur 9. Den initiala bearbetningsplanen var att använda en platt-pinnfräs för att ta bort bottenöverskottet, sedan använda en stor{{5} diameter för att borra hålet, bottenytan. När du tar bort bottentillägget med en fräs måste verktygsloppet kontrolleras inom 0,01 mm. Men på grund av den lilla avfasningen i botten av den plana-ändfräsen, kan delens botten inte bearbetas till ett plant tillstånd. Den platta-pinnfräsen visas i figur 10.
Bild 9: Bottenfel
Figur 10: Platt-ändfräs
För att lösa detta problem optimerades bearbetningsschemat genom att ersätta botten med en borrfräs med liten -diameter, som visas i figur 11. Bearbetningstester visade att användningen av en borrfräs för att borra botten helt eliminerade navdefekten.
Figur 11: Tillagd tråkkutter
4.4 Invändigt hålsvarvningsoptimering
Under den 14:e CNC-svarvningen lämnar den interna hålborrningen ett 0,05 mm utrymme på ena sidan för efterföljande honing. Men efter tråkning uppstod olika kvalitetsdefekter i det inre hålet. Defekttyperna och proportionerna visas i tabell 6. Dessa defekter utgör en betydande risk för den efterföljande slipprocessen.
Tabell 6. Defekttyper och procentandelar
Analys avslöjade tre huvudorsaker till de ovan nämnda defekterna: För det första var diametern på det inre borrverktyget för liten, vilket resulterade i otillräcklig verktygsstyvhet och instabila håldimensioner efter borrning. För det andra hade materialet hög viskositet, vilket ledde till instabil skärning och dålig spånbrytning vid användning av traditionella efterbehandlingsparametrar, med spån som virvlade runt och repade hålväggen. För det tredje var skärhastigheten för låg, vilket inte uppfyllde delens krav på dimensionsnoggrannhet och ytjämnhet.
För att lösa dessa problem implementerades följande optimeringsåtgärder: Byt först ut det inre borrverktyget med ett verktyg med större diameter för att förbättra verktygets styvhet; det optimerade borrverktyget visas i figur 12. För det andra, öka skärhastigheten för att öka skärdjupet vid finbearbetning. För det tredje, optimera det interna kylsystemet så att skärvätskan kan verka direkt på borrverktygsspetsen. En jämförelse av verktygsoptimeringar visas i Tabell 7.
Figur 12 Optimerat borrverktyg
Tabell 7 Jämförelse av verktygsoptimering
4.5 Optimering av förlängt lutande hål
I den 13:e operationen, horisontell fräsning av det förlängda lutande hålet, var den initiala planen: att använda en φ6 mm förlängd fräs för att förstora hålet till φ7,3 mm, den faktiska håldiametern efter bearbetning var 7,1~7,2 mm, med en dimensionell fluktuation på 0,1 mm; efter justering av programmet för fräsning till φ7,5 mm var håldiametern 7,35~7,42 mm, och fluktuationen reducerades till 0,07 mm; slutligen användes en brotsch med rakt skaft för efterbehandling, håldiametern var 7,62~7,69 mm och dimensionerna var extremt instabila.
I den första optimeringen ersattes brotschen med ett borrverktyg, och håldiametern efter bearbetning var 7,60~7,72 mm, vilket överskred toleranskraven och gjorde att delen skrotades. Den slutliga optimerade planen var: med hjälp av en 7 mm diameter variabel-diameter fräsning för lutande hålfräsning, nådde passhastigheten för de bearbetade delarna 100 %. Verktyget för bearbetning av utsträckt lutande hål visas i figur 13.
a) Pinnfräs med rakt skaft b) Broschare med rakt skaft c) Borrfräs d) Pinnfräs med variabel diameter Figur 13 Förlängda verktyg för bearbetning av sneda hål
4.6 Förbättring av bearbetning av lagerhål
I den 13:e bearbetningsprocessen av lagerhålet är kravet på håldiameter mm. Den ursprungliga planen var: använd en φ20 mm pinnfräs för att fräsa till φ34,4 mm, och använd sedan en borrfräs för att borra till den färdiga storleken. Efter bearbetning uppstod dock vibrationsmärken på hålväggen, som inte kunde lösas efter flera parameterjusteringar. Bearbetningsverktygen visas i figur 14.
a) Borrfräs b) Pinnfräs Figur 14 Bearbetningsverktyg för lagerhål
4.7 Inverkan av kulblästring på delar
Den initiala planen för precisionshålsbearbetning var: CNC-svarvning precisionsborrning av det inre hålet med ett 0,05 mm utrymme på ena sidan, slipning för att säkerställa en håldiametertolerans på 0,02 mm och en cylindricitet på 0,02 mm, och slutligen kulblästring av delens ytterdiameter. Kulblästring orsakade dock deformation av delens inre hål, med diametern som ökade med 0,015–0,025 mm i axiell mittposition. Vissa delar överskred den övre toleransgränsen och skrotades.
För att lösa detta problem justerades processföljden efter samråd med kunden, placerande av slipning efter kulblandning. Deformationen av det inre hålet efter kulblästring var cirka 0,025 mm, vilket täcktes helt av det 0,05 mm enkelsidiga-utrymmet reserverat för honing. Efter justeringen kunde den inre hålets diametertolerans efter honing kontrolleras inom 0,010 mm och cylindriciteten inom 0,015 mm, vilket uppfyller ritningskraven. Effekten av kulblästring på det inre hålet visas i tabell 8.
Tabell 8 Inverkan av kulblästring på intern hålkontroll (Enhet: mm)
DEL 5
Slutsats
Genom flera omgångar av lean optimering och förbättringar under bearbetningsverifieringsstadiet, uppnådde denna precisionscylindriska del för flygindustrin äntligen en stabil massproduktion. Traditionell bearbetningserfarenhet är inte längre tillämplig på bearbetningssvårigheterna för 35CD4-material. Flera åtgärder, såsom processoptimering, optimering av verktygsval och optimering av bearbetningsparametrar, behövs för att övervinna bearbetningsutmaningarna [4]. 35CD4 hög-stål har utmärkta prestanda, men det medför också högre bearbetningsutmaningar. I själva produktionen är det nödvändigt att välja verktygsmodeller specifikt och formulera rimliga bearbetningsparametrar. Med utvecklingen av framväxande bearbetningstekniker kommer bearbetningssvårigheterna för sådana svårbearbetade-material gradvis att minska, och relevant bearbetningserfarenhet måste kontinuerligt sammanfattas och ackumuleras. Dessutom har kulblästringsprocessen en oåterkallelig inverkan på detaljernas precisionsdimensioner, vilket indikerar att processdesign är ett systematiskt projekt. Processarrangemanget måste följa logiska regler och fullt ut beakta det ömsesidiga inflytandet mellan varje process för att kunna formulera en vetenskaplig och rimlig bearbetningsplan [5] och uppnå en effektiv produktion samtidigt som produktkvaliteten säkerställs.
