35CD4 hoog-staal wordt veel gebruikt in cilindrische precisieonderdelen van de lucht- en ruimtevaart vanwege de uitstekende prestaties, maar het heeft technische problemen zoals hoge hardheid, hoge snijmoeilijkheden, gemakkelijke vervorming van dun-wandige onderdelen en strikte tolerantie-eisen. Als reactie op deze technische problemen werd een lean bewerkingsprogramma opgesteld dat meerdere processen omvatte door de materiaaleigenschappen te combineren met de precisieafmetingen en speciale procesvereisten van de onderdelen. Door de parameters en gereedschappen van belangrijke schakels zoals uitwendig draaien, inwendig kotteren, het bewerken van schuine gaten en lagergaten tijdens het bewerkingsproces te optimaliseren en de volgorde van het kogelstralen en honen aan te passen, werden problemen zoals vervorming van de bewerking en maatafwijkingen opgelost. Ten slotte werd een stabiele massaproductie van onderdelen bereikt, en het relevante proces kan een referentie bieden voor de bewerking van precisieonderdelen van moeilijk-te-snijmaterialen.
DEEL 1
Invoering
De prestatiedoorbraak van lucht- en ruimtevaartapparatuur is in hoge mate afhankelijk van de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de kerncomponenten[1]. Hoog-staal 35CD4 is een ideaal materiaal geworden voor precisiecilindrische onderdelen van de lucht- en ruimtevaart vanwege zijn uitstekende eigenschappen zoals hoge sterkte en hoge hardbaarheid. De hoge snijkracht en de aanzienlijke neiging tot verharding van dit materiaal, gecombineerd met de onregelmatige vorm en gemakkelijk vervormbaar, en de strenge maattoleranties van de cilindrische onderdelen, vormen echter een aanzienlijke uitdaging voor traditionele bewerkingsprocessen.
Om deze productie-uitdaging het hoofd te bieden, concentreert dit artikel zich op de materiaaleigenschappen van 35CD4 en de procesvereisten van cilindrische onderdelen, en wordt onderzoek gedaan naar lean-bewerkingsprocessen. Door een reeks maatregelen, waaronder het optimaliseren van het procesontwerp, het verbeteren van de gereedschapsselectie en het aanpassen van de bewerkingsparameters, werden belangrijke problemen zoals vervorming van de bewerking en maatafwijkingen systematisch opgelost, wat resulteerde in een stabiele en betrouwbare oplossing voor massaproductie.
Dit artikel geeft een systematische beoordeling van de onderzoeks- en ontwikkelingsideeën en het verificatieproces van deze technologie, met als doel een technische referentie te bieden voor de bewerking van soortgelijke precisieonderdelen voor de lucht- en ruimtevaart.
DEEL 2
Proceskenmerken van cilindrische precisieonderdelen in de lucht- en ruimtevaart
Een bepaald cilindrisch precisieonderdeel voor de luchtvaart, vervaardigd door ons bedrijf, is gemaakt van 35CD4 en de vorm ervan wordt weergegeven in figuur 1. Dit onderdeel is een onregelmatig gevormd onderdeel, de speciale structuur is gevoelig voor vervorming en de wanddikte is relatief dun. De toleranties voor het binnenste gat en de buitenste cirkel zijn strikt vereist, het lagergat bij de nok is een precisiegat en het onderdeel heeft schuine gaten aan de binnenkant, waardoor de controle van gerelateerde maattoleranties moeilijk wordt. De technologische kenmerken van dit cilindrische onderdeel komen vooral tot uiting in de volgende aspecten.
Figuur 1. Externe vorm van het cilindrische deel
2.1 Materiaaleigenschappen
(1) Metaaleigenschappen
35CD4 hoog-gelegeerd staal is een veelgebruikt medium-koolstofnikkel-chroom-molybdeenstaal in de lucht- en ruimtevaartindustrie. De chemische samenstelling wordt weergegeven in Tabel 1. Vergeleken met andere metalen heeft dit staal unieke voordelen op het gebied van chemische, fysische en mechanische eigenschappen.
Tabel 1. Legeringselementen en parameters van 35CD4 (chemische samenstelling)
(2) Materiaalkenmerken van 35CD4
Omvatten voornamelijk de volgende vier punten:
① Hoge sterkte. Omdat het een laag-koolstof, laag-gelegeerd staal is, heeft het een hogere sterkte dan niet-gelegeerd staal. Daarom wordt het "laag-gelegeerd hoog-staal" genoemd.
② Hoge vloeigrens. De vloeigrens is hoger dan die van niet-gelegeerd staal. Bij dezelfde belasting kan het gewicht van onderdelen gemaakt van dit materiaal met 20% tot 30% worden verminderd.
③ Goede plasticiteit en taaiheid. Het aandeel legeringselementen is relatief laag, waardoor het materiaal zowel een goede plasticiteit als taaiheid heeft. ④ Hoge hardbaarheid. De legeringssamenstelling bevat elementen zoals nikkel, chroom en molybdeen, die het onderkoelde austeniet van het staal zeer stabiel kunnen houden. Martensiet- en bainietstructuren kunnen worden verkregen door luchtkoeling.
(3) Kenmerken van materiaalverwerking. Dit materiaal heeft over het algemeen twee warmtebehandelingstoestanden: normaliseren + temperen en blussen + temperen. De hardheid die overeenkomt met deze twee toestanden wordt weergegeven in Tabel 2.
Tabel 2 Materiaalhardheid
Zoals blijkt uit Tabel 2 liggen de hardheid en treksterkte van dit materiaal beide op een hoog niveau. Het is ook rijk aan elementen zoals chroom en mangaan. Deze factoren samen maken het moeilijk om het te verwerken, en het is een typisch moeilijk-te-bewerkbaar materiaal. De specifieke verwerkingsproblemen zijn als volgt:
1) Hoge snijkracht. Het materiaal heeft een hoge hardheid en sterkte, een hoge atomaire dichtheid en hechtkracht, en een uitstekende breuktaaiheid en plasticiteit op de lange- termijn. Tijdens het snijproces is niet alleen de snijkracht groot, maar fluctueert de snijkracht ook aanzienlijk [2].
2) Hoge snijtemperatuur. De snijvervorming kost veel energie en genereert veel warmte. Een grote hoeveelheid snijwarmte wordt geconcentreerd in de snijzone, waardoor een omgeving met hoge- temperaturen ontstaat.
3) Hoge neiging tot verharding van het werk. Het materiaal vertoont een goede plasticiteit en taaiheid, met een hoge versterkingscoëfficiënt. Onder de gecombineerde effecten van snijkracht en snijwarmte ondergaat het ernstige plastische vervorming, wat leidt tot verharding. Tegelijkertijd zorgt de snijwarmte ervoor dat het materiaal waterstof-, zuurstof- en stikstofatomen uit het omringende medium absorbeert, waardoor een harde en broze oppervlaktelaag ontstaat, waardoor de moeilijkheid van het snijden nog groter wordt.
4) Ernstige slijtage van het gereedschap. Hoge snijkrachten en temperaturen tijdens het snijden intensiveren de wrijving tussen het gereedschap en de spanen, en het gereedschapsmateriaal is gevoelig voor affiniteitsinteracties met het werkstukmateriaal. Gecombineerd met de aanwezigheid van harde deeltjes in het materiaal en ernstige verharding, is het gereedschap zeer gevoelig voor lijmslijtage, diffusieslijtage, abrasieve slijtage, grensslijtage en groefslijtage tijdens het snijden, waardoor uiteindelijk zijn snijvermogen verloren gaat.
5) Moeilijke spaanbehandeling. De hoge sterkte, plasticiteit en taaiheid van het materiaal resulteren in lint{2}}achtige, verstrikte spanen tijdens het snijden, wat veiligheidsrisico's met zich meebrengt, het snijproces belemmert en krassen op het oppervlak van het onderdeel veroorzaakt, waardoor het moeilijk wordt om aan de vereisten voor oppervlakteruwheid te voldoen.
6) Grote snijvervorming. Hoge snijtemperaturen en hoge materiaalplasticiteit tijdens de bewerking leiden gemakkelijk tot thermische vervorming, waardoor het moeilijk wordt om precieze afmetingen en vormen te garanderen.
(4) Materiaalverwerkingsschema Om ervoor te zorgen dat de grondstoffen de afschrik- en temperbehandeling volledig kunnen voltooien, moet het smeedstuk vóór de warmtebehandeling ruw-bewerkt worden om ervoor te zorgen dat de wanddikte van elke dwars-sectie gelijk is<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.
Figuur 2: blanco
Figuur 3: Ruwe-bewerkte vorm
2.2 Proceskarakteristieken Dit onderdeel heeft verschillende dimensionele vereisten met hoge-precisie. Een stabiele en betrouwbare processtroom moet worden ontworpen door uitgebreid rekening te houden met alle precisie-dimensionale parameters om de productkwaliteit te garanderen. De belangrijkste precisieafmetingen van het onderdeel worden weergegeven in Figuur 4.
Figuur 4: Belangrijkste precisieafmetingen van het onderdeel
(1) Precisie-buitendiameter De precisie-buitendiameter bij de poort is mm, met een tolerantiezonebreedte van slechts 0,022 mm; de binnengatgrootte is φ83,37 mm, wat overeenkomt met een wanddikte van 2,81 mm. Deze maattolerantie-eis is streng, de onderdeelwand is dun en de bewerkingsmoeilijkheden zijn extreem hoog. (2) Precisie-binnengat: Het precisie-binnengat heeft een diameter van φ mm en een tolerantie van 0,04 mm. De coaxialiteitseis van dit binnenste gat ten opzichte van de buitenste cirkel is φ0,04 mm, de cilindriciteitseis is φ0,02 mm en de gatdiepte is 287,5 mm.
(3) Verlengd schuin gat: Zoals weergegeven in figuur 5 heeft het schuine gat, gelegen ter hoogte van de oorpositie van het onderdeel, een diameter van mm en een hoek van 45 graden met de as van het onderdeel. Bij het bewerken van dit gat moet de spindel van de werktuigmachine in een hoek van 45 graden met het onderdeel worden afgesteld. Om interferentie tussen het gereedschap en de opspanning te voorkomen, is een lange overhangstructuur vereist voor het bewerkingsgereedschap, wat een grote uitdaging is bij het bewerken van dit onderdeel.
Figuur 5: Verlengd schuin gat en lagergat
(4) Lagergat: Zoals weergegeven in afbeelding 5 heeft het lagergat bij het oor een diameter van mm. Dit gat kan alleen worden bewerkt vanaf het linker kopvlak van het onderdeel. De uitsteeklengte van het gereedschap is groot en de tolerantie-eis voor de diameter is streng, waardoor het moeilijk is maatnauwkeurigheid te garanderen.. 2.3 Speciale processen
Naast de bovenstaande verwerkingsvereisten vereist dit onderdeel een aantal speciale verwerkingsstappen, namelijk:
1) Kogelstralen. Het kogelstraalgebied is de buitendiameter van het onderdeel, maar het buitendiametergedeelte met een diameter van φmm moet worden vermeden. Het kogelstralen van het binnenste gat is ten strengste verboden.
2) Verchromen. Het verchromingsgebied is het binnenste gat met een diameter van φmm. De dikte van de chroomlaag moet tussen 20 en 25 μm worden gecontroleerd.
3) Cadmiumplateren. Het cadmiumplateringsgebied omvat alle oppervlakken behalve het chroomplateringsgebied.
4) Schilderen. Het verfgebied is de buitendiameter van het onderdeel, maar het buitendiametergedeelte met een diameter van φmm moet worden vermeden.
DEEL 3
Vliegtuigprecisiecilinder machinaal procesontwerp
Op basis van de analyse van de materiaaleigenschappen, precisieafmetingen en speciale processen van dit cilinderonderdeel is het procesplan weergegeven in Tabel 3.
Tabel 3 Procesplan
DEEL 4
Verificatie van het bewerkingsproces van precisiecilinders voor vliegtuigen
4.1 Afwerking van de buitendiameter van het oor
35CD4-materiaal heeft een sterke hechting, waardoor spaanbreuk tijdens de bewerking moeilijk wordt. Bij gebruik van lagere bewerkingsparameters verschijnen er diepe snijsporen op het kopvlak van het onderdeel, wat resulteert in een gescheurd uiterlijk van het oppervlaktemateriaal. Om dit probleem op te lossen, moeten de externe draaibewerkingsparameters worden aangepast. Specifieke optimalisatieparameters worden weergegeven in Tabel 4. Door parameteroptimalisatie worden de snijsporen op het eindvlak van het onderdeel geëlimineerd, is het bewerkte eindvlak glad en blijft de bewerkingskwaliteit consistent van het midden tot de rand. De geoptimaliseerde eindvlakstatus wordt getoond in Figuur 6.
Tabel 4 Parameteroptimalisatie van eindvlakdraaien
Figuur 6 Onderdeelstatus na het einde van het draaien
4.2 Precisie draaien van buitendiameters
De 14e CNC-draaibewerking is een sleutelproces bij de bewerking van dit onderdeel. Bij deze bewerking wordt gebruik gemaakt van een zelf-centrerende spankop en een middensteun om de buitendiameter te ondersteunen. Specifieke bewerkingsvereisten worden weergegeven in figuur 7. De nauwkeurige tolerantie voor de externe diameter van het onderdeel bedraagt 0,024 mm en de bewerking moet in drie fasen worden uitgevoerd. Specifieke bewerkingsparameters worden weergegeven in Tabel 5. Vanwege de hoge viscositeit van het materiaal is een scherpe externe draaiwisselplaat vereist. De voorkeursradius voor de wisselplaattip is R0,2 mm. Als de radius van de wisselplaattip te groot is, kunnen de eisen aan de oppervlakteruwheid van het onderdeel niet worden gegarandeerd.
Figuur 7 Vereisten voor het CNC-draaiproces Tabel 5 Optimalisatie van externe draaiparameters Na afwerking is de buitendiameter van het onderdeel 88,85~88,89 mm, wat groter is dan de vereisten van de tekening. Voordat u de oorzaak kunt vinden, kunt u de maat alleen aanpassen door een marge op de buitendiameter te laten en deze vervolgens handmatig te polijsten. Na analyse zal de ronding van de buitendiameter, ondersteund door de middensteun tijdens het klemmen, een aanzienlijke invloed hebben op de rotatieslingering van het onderdeel [3]. Onder de hoge nauwkeurigheidstolerantie-eisen is deze impact bijzonder prominent. De buitendiameter van de klemming van het onderdeel buiten-van-tolerantie werd gemeten en de verandering in de ronding ervan was 0,020~0,035 mm, wat in principe consistent is met de fluctuatie van de-buiten-tolerantie van de buitendiameter van het onderdeel. Om dit probleem op te lossen, is het noodzakelijk om de technische vereisten van het referentieproces te optimaliseren en te corrigeren. Bij het uitwendige draaiproces van het 11e proces is het duidelijk vereist dat de ronding van de buitendiameter binnen 0,01 mm wordt geregeld. De specifieke verbeteringsvereisten worden getoond in figuur 8. Na het toevoegen van vereisten voor de controle van de rondheid aan het 11e proces, werd de maatvastheid van het draaien van de buitendiameter in het 14e proces aanzienlijk verbeterd. Het fluctuatiebereik van de buitendiameter werd teruggebracht tot 88,865-88,875 mm en de vervorming kon binnen 0,01 mm worden gecontroleerd. Er waren geen lokale aanpassingen door de operator nodig om ervoor te zorgen dat de buitendiametertolerantie aan de vereisten voldeed. Stabiliteitstests wezen uit dat één enkele snijgereedschappunt vier onderdelen stabiel kon bewerken; de maatnauwkeurigheid kan echter niet worden gegarandeerd na slijtage van het gereedschap.
Figuur 8: Verbetervereisten voor het basislijnproces
4.3 Lean Verbetering van het onderoppervlak van het binnengat
Tijdens het CNC-draaiproces in het 14e proces verscheen er een bewerkingsfout aan de onderkant van het onderdeel, die zich manifesteerde als een resterende naaf met een diameter van 1 mm en een hoogte van 0,3 mm, zoals weergegeven in afbeelding 9. Het oorspronkelijke bewerkingsplan was om een platte-eindfrees te gebruiken om het overtollige bodemoppervlak te verwijderen, en vervolgens een boorgereedschap met een grote- diameter te gebruiken om het gat te boren, en uiteindelijk het bodemoppervlak uit te lijnen. Wanneer u de bodemtoeslag verwijdert met een frees, moet de slingering van het gereedschap binnen 0,01 mm worden gecontroleerd. Vanwege de kleine afschuining aan de onderkant van de platte -schachtfrees kan de onderkant van het onderdeel echter niet in een vlakke toestand worden bewerkt. De platte-frees wordt weergegeven in Figuur 10.
Figuur 9: Bodemdefect
Figuur 10: Plat-frees
Om dit probleem op te lossen werd het bewerkingsschema geoptimaliseerd door de bodem te vervangen door een kotterfrees met een kleine-diameter, zoals weergegeven in Figuur 11. Bewerkingstests hebben uitgewezen dat het gebruik van een kotterfrees om de bodem te boren het naafdefect volledig elimineerde.
Figuur 11: Kotterfrees toegevoegd
4.4 Optimalisatie van het intern gatdraaien
Tijdens de 14e CNC-draaibewerking laat het kotteren van het interne gat aan één kant een ruimte van 0,05 mm over voor het daaropvolgende slijpen. Na het boren verschenen er echter verschillende kwaliteitsgebreken in het interne gat. De typen defecten en verhoudingen worden weergegeven in Tabel 6. Deze defecten vormen een aanzienlijk risico voor het daaropvolgende hoonproces.
Tabel 6. Typen en percentages defecten
Analyse bracht drie hoofdoorzaken van de bovengenoemde defecten aan het licht: Ten eerste was de diameter van het inwendig kottergereedschap te klein, wat resulteerde in onvoldoende gereedschapsstijfheid en onstabiele gatafmetingen na het boren. Ten tweede had het materiaal een hoge viscositeit, wat leidde tot onstabiele sneden en een slechte spaanbreking bij gebruik van traditionele afwerkingsparameters, waarbij de spanen rondwervelden en de wand van het gat bekrasten. Ten derde was de snijsnelheid te laag, waardoor niet werd voldaan aan de vereisten voor maatnauwkeurigheid en oppervlakteruwheid van het onderdeel.
Om deze problemen aan te pakken zijn de volgende optimalisatiemaatregelen geïmplementeerd: Vervang eerst het inwendig kottergereedschap door een exemplaar met een grotere diameter om de stijfheid van het gereedschap te verbeteren; het geoptimaliseerde kottergereedschap wordt getoond in Figuur 12. Ten tweede: verhoog de snijsnelheid om de snedediepte bij het nabewerken te vergroten. Ten derde: optimaliseer het interne koelsysteem zodat de snijvloeistof rechtstreeks op de kottergereedschapspunt kan inwerken. Een vergelijking van gereedschapsoptimalisaties wordt weergegeven in Tabel 7.
Figuur 12 Geoptimaliseerd kottergereedschap
Tabel 7 Vergelijking van tooloptimalisatie
4.5 Optimalisatie van verlengd schuin gat
Bij de 13e bewerking, horizontaal frezen van het verlengde schuine gat, was het oorspronkelijke plan: met behulp van een φ6 mm verlengde frees om het gat te vergroten tot φ7,3 mm, was de werkelijke gatdiameter na bewerking 7,1 ~ 7,2 mm, met een maatvariatie van 0,1 mm; na het aanpassen van het programma om te frezen tot φ7,5 mm, was de gatdiameter 7,35 ~ 7,42 mm en werd de fluctuatie teruggebracht tot 0,07 mm; Ten slotte werd voor het afwerken een ruimer met rechte schacht gebruikt, de gatdiameter was 7,62 ~ 7,69 mm en de afmetingen waren extreem onstabiel.
Bij de eerste optimalisatie werd de ruimer vervangen door een kottergereedschap en de gatdiameter na de bewerking was 7,60 ~ 7,72 mm, waardoor de tolerantievereisten werden overschreden en het onderdeel werd gesloopt. Het uiteindelijke geoptimaliseerde plan was: met behulp van een frees met een diameter van 7 mm en variabele-diameter voor het frezen van schuine gaten bereikte het slagingspercentage van de bewerkte onderdelen 100%. Het gereedschap voor het bewerken van verlengde schuine gaten wordt getoond in Figuur 13.
a) Schachtfrees met rechte schacht b) Ruimer met rechte schacht c) Kotterfrees d) Schachtfrees met variabele diameter Figuur 13 Bewerkingsgereedschappen voor verlengde schuine gaten
4.6 Verbetering van de bewerking van lagergaten
Bij het 13e bewerkingsproces van het lagergat is de vereiste gatdiameter mm. Het oorspronkelijke plan was: gebruik een vingerfrees van φ20 mm om tot φ34,4 mm te frezen, en gebruik vervolgens een kotterfrees om tot de uiteindelijke maat te boren. Na de bewerking verschenen er echter trillingssporen op de gatwand, die na meerdere parameteraanpassingen niet konden worden opgelost. De bewerkingsgereedschappen worden getoond in Figuur 14.
a) Kotterfrees b) Schachtfrees Figuur 14 Bewerkingsgereedschappen voor lagergaten
4.7 Impact van kogelstralen op onderdelen
Het aanvankelijke precisiegatbewerkingsplan was: CNC-draaiend nauwkeurig kotteren van het binnengat met een speling van 0,05 mm aan één kant, honen om een gatdiametertolerantie van 0,02 mm en een cilindriciteit van 0,02 mm te garanderen, en ten slotte kogelharden van de buitendiameter van het onderdeel. Kogelharden veroorzaakte echter vervorming van het binnenste gat van het onderdeel, waarbij de diameter in de axiale middenpositie met 0,015–0,025 mm toenam. Sommige onderdelen overschreden de bovenste tolerantiegrens en werden gesloopt.
Om dit probleem op te lossen werd na overleg met de klant de procesvolgorde aangepast, waarbij hoon na shotpeen werd geplaatst. De vervorming van het binnengat na het kogelharden was ongeveer 0,025 mm, wat volledig werd gedekt door de enkel-zijdige marge van 0,05 mm die gereserveerd was voor honen. Na de aanpassing kon de tolerantie van de binnengatdiameter na het honen worden geregeld binnen 0,010 mm, en de cilindriciteit binnen 0,015 mm, wat voldoet aan de tekeningvereisten. De impact van kogelstralen op het binnenste gat wordt weergegeven in Tabel 8.
Tabel 8 Impact van kogelstralen op interne gatcontrole (eenheid: mm)
DEEL 5
Conclusie
Door meerdere rondes van lean-optimalisatie en verbetering tijdens de verwerkingsverificatiefase bereikte dit cilindrische precisieonderdeel voor de lucht- en ruimtevaart uiteindelijk een stabiele massaproductie. Traditionele verwerkingservaring is niet langer van toepassing op de verwerkingsproblemen van 35CD4-materiaal. Er zijn meerdere maatregelen nodig, zoals procesoptimalisatie, optimalisatie van gereedschapsselectie en optimalisatie van verwerkingsparameters, om de verwerkingsuitdagingen te overwinnen. [4]. 35CD4-staal met hoge- sterkte levert uitstekende prestaties, maar brengt ook grotere verwerkingsuitdagingen met zich mee. Bij de daadwerkelijke productie is het noodzakelijk om specifiek gereedschapsmodellen te selecteren en redelijke verwerkingsparameters te formuleren. Met de ontwikkeling van opkomende verwerkingstechnologieën zal de verwerkingsmoeilijkheid van zulke moeilijk-te-machinematerialen geleidelijk afnemen, en relevante verwerkingservaring moet voortdurend worden samengevat en verzameld. Bovendien heeft het kogelstraalproces een onomkeerbare impact op de precisieafmetingen van onderdelen, wat erop wijst dat procesontwerp een systematisch project is. De procesregeling moet logische regels volgen en volledig rekening houden met de wederzijdse invloed tussen elk proces om een wetenschappelijk en redelijk verwerkingsplan [5] te formuleren en een efficiënte productie te bereiken terwijl de productkwaliteit wordt gewaarborgd.
