35CD4 čelik visoke-čvrstoće naširoko se koristi u preciznim cilindričnim dijelovima zrakoplovstva zbog svojih izvrsnih performansi, ali ima tehničke poteškoće kao što su visoka tvrdoća, velike poteškoće pri rezanju, laka deformacija dijelova tankih-stjenki i strogi zahtjevi tolerancije. Kao odgovor na ove tehničke poteškoće, shema skromne strojne obrade koja pokriva više procesa formulirana je kombiniranjem karakteristika materijala s preciznim dimenzijama i posebnim procesnim zahtjevima dijelova. Optimiziranjem parametara i alata ključnih karika kao što su vanjsko tokarenje, unutarnje bušenje, obrada kosih rupa i rupa za ležaje u procesu strojne obrade, te prilagodbom slijeda sačmarenja i honanja, riješeni su problemi kao što su deformacije obrade i odstupanja dimenzija. Konačno, postignuta je stabilna masovna proizvodnja dijelova, a relevantni proces može pružiti referencu za strojnu obradu preciznih dijelova od teško--materijala.
1. DIO
Uvod
Proboj u performansama zrakoplovne opreme uvelike ovisi o točnosti obrade i pouzdanosti osnovnih komponenti[1]. Visok{2}}čelik 35CD4 postao je idealan materijal za precizne cilindrične dijelove zrakoplovstva zbog svojih izvrsnih karakteristika kao što su visoka čvrstoća i visoka sposobnost kaljivosti. Međutim, velika sila rezanja i značajna sklonost kaljenju ovog materijala, u kombinaciji s nepravilnim oblikom i lakom deformabilnošću, te strogim tolerancijama preciznih dimenzija cilindričnih dijelova, predstavljaju značajan izazov tradicionalnim procesima strojne obrade.
Kako bi se prevladao ovaj proizvodni izazov, ovaj se rad usredotočuje na svojstva materijala 35CD4 i procesne zahtjeve cilindričnih dijelova, te provodi istraživanje o štedljivim procesima strojne obrade. Kroz niz mjera, uključujući optimizaciju dizajna procesa, poboljšanje odabira alata i podešavanje parametara obrade, sustavno su riješena ključna pitanja poput deformacije obrade i odstupanja dimenzija, što je rezultiralo stabilnim i pouzdanim rješenjem za masovnu proizvodnju.
Ovaj rad sustavno daje pregled istraživačkih i razvojnih ideja i procesa verifikacije ove tehnologije, s ciljem pružanja tehničke reference za strojnu obradu sličnih zrakoplovno-kosmičkih preciznih dijelova.
DIO 2
Karakteristike procesa zrakoplovno-kosmičkih preciznih cilindričnih dijelova
Određeni zrakoplovni precizni cilindrični dio koji proizvodi naša tvrtka izrađen je od 35CD4, a njegov je oblik prikazan na slici 1. Ovaj je dio dio nepravilnog oblika, njegova je posebna struktura sklona deformaciji, a debljina stjenke mu je relativno tanka. Tolerancije za unutarnju rupu i vanjski krug su strogo potrebne, rupa za ležaj na ušici je precizna rupa, a dio ima kose rupe iznutra, što otežava kontrolu povezanih dimenzijskih tolerancija. Tehnološke karakteristike ovog cilindričnog dijela uglavnom se ogledaju u sljedećim aspektima.
Slika 1. Vanjski oblik cilindričnog dijela
2.1 Karakteristike materijala
(1) Metalne karakteristike
35CD4 visoko{2}}čvrsti legirani čelik uobičajeno je korišten srednje{3}}ugljični nikal-krom-molibden čelik u zrakoplovnoj industriji. Njegov kemijski sastav prikazan je u tablici 1. U usporedbi s drugim metalima, ovaj čelik ima jedinstvene prednosti u kemijskim, fizičkim i mehaničkim svojstvima.
Tablica 1. Elementi legure i parametri 35CD4 (kemijski sastav)
(2) Karakteristike materijala 35CD4
Uglavnom uključite sljedeće četiri točke:
① Visoka čvrstoća. Budući da je nisko-ugljični, nisko{2}}legirani čelik, ima veću čvrstoću od ne-nelegiranog čelika, stoga se naziva "nisko-legirani-čelik visoke čvrstoće".
② Visoka granica razvlačenja. Njegova granica razvlačenja viša je nego kod ne-legiranog čelika. Pod istim opterećenjem težina dijelova od ovog materijala može se smanjiti za 20% do 30%.
③ Dobra plastičnost i žilavost. Udio legiranih elemenata je relativno nizak, što daje materijalu i dobru plastičnost i žilavost. ④ Visoka otvrdljivost. Sastav legure sadrži elemente kao što su nikal, krom i molibden, koji mogu održati visoko stabilnim prehlađeni austenit čelika. Strukture martenzita i bainita mogu se dobiti kaljenjem na zraku.
(3) Karakteristike obrade materijala. Ovaj materijal općenito ima dva stanja toplinske obrade: normaliziranje + kaljenje i kaljenje + kaljenje. Tvrdoća koja odgovara ova dva stanja prikazana je u tablici 2.
Tablica 2 Tvrdoća materijala
Kao što se može vidjeti iz tablice 2, tvrdoća i vlačna čvrstoća ovog materijala su na visokoj razini. Također je bogat elementima poput kroma i mangana. Ovi čimbenici zajedno otežavaju njegovu obradu, a to je tipičan materijal koji je težak-za-strojnu obradu. Specifične poteškoće obrade su sljedeće:
1) Velika sila rezanja. Materijal ima visoku tvrdoću i snagu, visoku atomsku gustoću i silu vezivanja te izvrsnu otpornost na lom i dugoročnu-plastičnost. Tijekom procesa rezanja, ne samo da je sila rezanja velika, već i sila rezanja značajno fluktuira [2].
2) Visoka temperatura rezanja. Rezna deformacija troši puno energije i stvara puno topline. Velika količina topline rezanja koncentrirana je u zoni rezanja, stvarajući okruženje visoke-temperature.
3) Visoka tendencija otvrdnjavanja radom. Materijal pokazuje dobru plastičnost i žilavost, s visokim koeficijentom ojačanja. Pod kombiniranim učincima sile rezanja i topline rezanja, podvrgava se ozbiljnoj plastičnoj deformaciji, što dovodi do otvrdnuća. Istovremeno, toplina rezanja uzrokuje da materijal apsorbira atome vodika, kisika i dušika iz okolnog medija, stvarajući tvrd i krhki površinski sloj, što dodatno otežava rezanje.
4) Jako trošenje alata. Visoke sile rezanja i temperature tijekom rezanja pojačavaju trenje između alata i strugotine, a materijal alata je sklon afinitetnim interakcijama s materijalom izratka. U kombinaciji s prisutnošću tvrdih čestica u materijalu i teškim radnim otvrdnućem, alat je vrlo osjetljiv na adhezivno trošenje, trošenje difuzijom, abrazivno trošenje, granično trošenje i trošenje utorima tijekom rezanja, čime na kraju gubi sposobnost rezanja.
5) Teško rukovanje strugotinom. Visoka čvrstoća, plastičnost i žilavost materijala dovode do-zapletenih strugotina tijekom rezanja, što predstavlja sigurnosnu opasnost, ometa proces rezanja i uzrokuje ogrebotine na površini dijela, što otežava ispunjavanje zahtjeva za hrapavost površine.
6) Velika deformacija rezanja. Visoke temperature rezanja i visoka plastičnost materijala tijekom strojne obrade lako dovode do toplinske deformacije, što otežava jamčenje preciznih dimenzija i oblika.
(4) Shema obrade materijala Kako bi se osiguralo da sirovine mogu u potpunosti dovršiti postupak kaljenja i popuštanja, sirovi okov mora biti grubo-obrađen prije toplinske obrade kako bi se osiguralo da je debljina stijenke svakog poprečnog-presjeka<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.
Slika 2: Prazno
Slika 3: Grubo-obrađen oblik
2.2 Karakteristike procesa Ovaj dio ima nekoliko visoko{1}}zahtjeva u pogledu dimenzija. Stabilan i pouzdan tijek procesa mora biti dizajniran sveobuhvatnim razmatranjem svih parametara preciznih dimenzija kako bi se osigurala kvaliteta proizvoda. Glavne precizne dimenzije dijela prikazane su na slici 4.
Slika 4: Glavne precizne dimenzije dijela
(1) Precizni vanjski promjer Precizni vanjski promjer na otvoru je mm, sa širinom zone tolerancije od samo 0,022 mm; veličina unutarnje rupe je φ83,37 mm, što odgovara debljini stijenke od 2,81 mm. Ovaj zahtjev za toleranciju dimenzija je strog, stjenka dijela je tanka, a teškoća strojne obrade je izuzetno velika. (2) Precizna unutarnja rupa: Precizna unutarnja rupa ima promjer φ mm i toleranciju od 0,04 mm. Zahtjev za koaksijalnost ove unutarnje rupe u odnosu na vanjski krug je φ0,04 mm, zahtjev za cilindričnost je φ0,02 mm, a dubina rupe je 287,5 mm.
(3) Proširena kosa rupa: Kao što je prikazano na slici 5, kosa rupa koja se nalazi na položaju uha dijela ima promjer od mm i kut od 45 stupnjeva s osi dijela. Prilikom obrade ove rupe, vreteno alatnog stroja mora biti podešeno pod kutom od 45 stupnjeva s dijelom. Kako bi se izbjegle smetnje između alata i učvršćenja, potrebna je dugačka prevjesna struktura za alat za obradu, što je veliki izazov u obradi ovog dijela.
Slika 5: Proširena kosa rupa i rupa za ležaj
(4) Rupa za ležaj: Kao što je prikazano na slici 5, rupa za ležaj na uhu ima promjer od mm. Ova se rupa može obraditi samo s lijeve strane dijela. Prevjes alata je velik, a zahtjevi za toleranciju promjera su strogi, što otežava jamčenje točnosti dimenzija. 2.3 Posebni procesi
Uz gore navedene zahtjeve obrade, ovaj dio zahtijeva nekoliko posebnih koraka obrade, kako slijedi:
1) Sačmarenje. Područje sačmarenja je vanjski promjer dijela, ali se mora izbjegavati dio vanjskog promjera s promjerom od φmm. Sačmarenje unutarnjeg otvora je strogo zabranjeno.
2) Kromiranje. Područje kromiranja je unutarnja rupa promjera φmm. Debljina sloja kroma mora se kontrolirati između 20 i 25 μm.
3) Kadmijevanje. Područje kadmijevanja su sve površine osim područja kromiranja.
4) Slikanje. Područje slikanja je vanjski promjer dijela, ali se mora izbjegavati dio vanjskog promjera s promjerom od φmm.
3. DIO
Dizajn procesa obrade preciznih cilindara zrakoplova
Na temelju analize svojstava materijala, preciznih dimenzija i posebnih procesa ovog dijela cilindra, plan procesa prikazan je u tablici 3.
Tablica 3 Plan procesa
DIO 4
Verifikacija procesa obrade preciznih cilindara zrakoplova
4.1 Završna obrada vanjskog promjera uha
Materijal 35CD4 ima jaku adheziju, što otežava lomljenje strugotine tijekom strojne obrade. Pri korištenju nižih parametara obrade, na čeonoj plohi dijela pojavljuju se tragovi dubokog rezanja, što rezultira poderanim izgledom površinskog materijala. Da bi se riješio ovaj problem, potrebno je podesiti parametre vanjske obrade tokarenja. Specifični optimizacijski parametri prikazani su u tablici 4. Kroz optimizaciju parametara, tragovi rezanja na čeonoj plohi dijela su eliminirani, strojno obrađena čeona strana je glatka, a kvaliteta obrade ostaje dosljedna od središta do ruba. Optimizirano stanje čeone strane prikazano je na slici 6.
Tablica 4 Optimizacija parametara tokarenja čeone strane
Slika 6 Stanje dijela nakon završetka tokarenja čeone strane
4.2 Precizno tokarenje vanjskog promjera
14. CNC operacija tokarenja je ključni proces u obradi ovog dijela. Ova operacija koristi samo-steznu glavu i središnji oslonac za podupiranje vanjskog promjera. Specifični zahtjevi za strojnu obradu prikazani su na slici 7. Tolerancija preciznog vanjskog promjera dijela je 0,024 mm, a strojnu obradu treba izvesti u tri faze. Specifični parametri obrade prikazani su u tablici 5. Zbog visoke viskoznosti materijala potreban je oštar vanjski umetak za tokarenje. Preferirani polumjer vrha umetka je R0,2 mm. Ako je polumjer vrha umetka prevelik, ne mogu se jamčiti zahtjevi za hrapavost površine dijela.
Slika 7 Zahtjevi za CNC proces tokarenja Tablica 5 Optimizacija vanjskih parametara tokarenja Nakon završne obrade, vanjski promjer dijela je 88,85~88,89 mm, što premašuje zahtjeve crteža. Prije pronalaženja temeljnog uzroka, jedini način za podešavanje veličine je ostaviti rub na vanjskom promjeru i zatim ga ručno polirati. Nakon analize, okruglost vanjskog promjera koju podupire središnji oslonac tijekom stezanja imat će značajan utjecaj na rotacijsko odstupanje dijela [3]. Pod visokim zahtjevima tolerancije preciznosti, ovaj utjecaj je posebno izražen. Izmjeren je vanjski promjer stezanja van-od-tolerancijskog dijela, a njegova promjena okruglosti bila je 0,020~0,035 mm, što je u osnovi u skladu s van--tolerancijskim fluktuacijama vanjskog promjera dijela. Za rješavanje ovog problema potrebno je optimizirati i ispraviti tehničke zahtjeve referentnog procesa. U procesu vanjskog tokarenja 11. procesa, jasno je da se zahtijeva da se okruglost vanjskog promjera kontrolira unutar 0,01 mm. Specifični zahtjevi za poboljšanje prikazani su na slici 8. Nakon dodavanja zahtjeva za kontrolom okruglosti u 11. procesu, dimenzionalna stabilnost tokarenja vanjskog promjera u 14. procesu je značajno poboljšana. Raspon fluktuacije vanjskog promjera smanjen je na 88,865–88,875 mm, a deformacija se mogla kontrolirati unutar 0,01 mm. Nisu bile potrebne nikakve lokalne prilagodbe od strane operatera kako bi se osiguralo da tolerancija vanjskog promjera zadovoljava zahtjeve. Testovi stabilnosti potvrdili su da jedan vrh alata za rezanje može stabilno obraditi četiri dijela; međutim, ne može se jamčiti točnost dimenzija nakon istrošenosti alata.
Slika 8: Zahtjevi za poboljšanje osnovnog procesa
4.3 Lean poboljšanje donje površine unutarnje rupe
Tijekom procesa CNC tokarenja u 14. procesu, pojavio se defekt obrade na dnu dijela, koji se očitovao kao zaostalo izbočenje promjera 1 mm i visine 0,3 mm, kao što je prikazano na slici 9. Početni plan obrade bio je korištenje ravnog-krajnog glodala za uklanjanje donjeg viška, zatim korištenje alata za bušenje velikog-promjera za bušenje rupe i konačno poravnanje donju površinu. Prilikom uklanjanja donjeg dodatka pomoću glodala, odstupanje alata mora se kontrolirati unutar 0,01 mm. Međutim, zbog malog skošenja na dnu ravnog -glodala, dno dijela ne može se obraditi do ravnog stanja. Ravno{11}}glodalo prikazano je na slici 10.
Slika 9: Defekt dna
Slika 10: Glodalo s-ravnim krajem
Kako bi se riješio ovaj problem, shema strojne obrade je optimizirana zamjenom dna bušilicom malog-promjera, kao što je prikazano na slici 11. Testovi strojne obrade su dokazali da je upotreba bušilice za bušenje dna u potpunosti eliminirala nedostatak izbočine.
Slika 11: Dodani rezač za bušenje
4.4 Optimizacija tokarenja unutarnje rupe
Tijekom 14. operacije CNC tokarenja, bušenje unutarnje rupe ostavlja dopuštenje od 0,05 mm na jednoj strani za naknadno brušenje. Međutim, nakon bušenja, u unutarnjoj rupi su se pojavili različiti nedostaci kvalitete. Vrste grešaka i proporcije prikazane su u tablici 6. Ove greške predstavljaju značajan rizik za kasniji proces honanja.
Tablica 6. Vrste grešaka i postoci
Analiza je otkrila tri glavna uzroka gore navedenih nedostataka: Prvo, promjer alata za unutarnje bušenje bio je premalen, što je rezultiralo nedovoljnom krutošću alata i nestabilnim dimenzijama rupe nakon bušenja. Drugo, materijal je imao visoku viskoznost, što je dovelo do nestabilnog rezanja i slabog lomljenja strugotine pri korištenju tradicionalnih parametara završne obrade, s strugotinama koje se vrte okolo i grebu zid rupe. Treće, brzina rezanja bila je preniska, ne ispunjavajući zahtjeve točnosti dimenzija i hrapavosti površine.
Kako bi se riješili ti problemi, implementirane su sljedeće mjere optimizacije: Prvo, zamijenite unutarnji alat za bušenje s alatom većeg promjera kako biste poboljšali krutost alata; optimizirani alat za bušenje prikazan je na slici 12. Drugo, povećajte brzinu rezanja kako biste povećali dubinu rezanja u završnoj obradi. Treće, optimizirajte unutarnji sustav hlađenja kako biste omogućili da tekućina za rezanje izravno djeluje na vrh alata za bušenje. Usporedba optimizacija alata prikazana je u tablici 7.
Slika 12 Optimizirani alat za bušenje
Tablica 7. Usporedba optimizacije alata
4.5 Optimizacija proširene nagnute rupe
U 13. operaciji, vodoravnom glodanju proširene nagnute rupe, početni plan je bio: korištenje produženog glodala od φ6 mm za povećanje rupe na φ7,3 mm, stvarni promjer rupe nakon strojne obrade bio je 7,1~7,2 mm, s fluktuacijom dimenzija od 0,1 mm; nakon podešavanja programa za glodanje na φ7,5 mm, promjer rupe bio je 7,35~7,42 mm, a fluktuacija je smanjena na 0,07 mm; konačno, razvrtalo s ravnom drškom korišteno je za završnu obradu, promjer rupe je bio 7,62~7,69 mm, a dimenzije su bile izuzetno nestabilne.
U prvoj optimizaciji, razvrtalo je zamijenjeno alatom za bušenje, a promjer rupe nakon strojne obrade iznosio je 7,60~7,72 mm, što je premašilo zahtjeve tolerancije i uzrokovalo odbacivanje dijela. Konačni optimizirani plan bio je: korištenjem glodala promjera 7 mm-promjera za koso glodanje rupa, stopa prolaza obrađenih dijelova dosegnula je 100%. Alat za proširenu obradu kosih rupa prikazan je na slici 13.
a) Glodalo s ravnom drškom b) Razvrtalo s ravnom drškom c) Glodalo za bušenje d) Glodalo s promjenjivim promjerom Slika 13 Produženi alati za obradu kosih rupa
4.6 Poboljšanje obrade provrta ležaja
U 13. procesu obrade rupe za ležaj, zahtjev za promjer rupe je mm. Početni plan je bio: upotrijebite čeono glodalo φ20 mm za glodanje na φ34,4 mm, a zatim upotrijebite bušilicu za bušenje do gotove veličine. Međutim, nakon strojne obrade pojavili su se tragovi vibracija na stijenci otvora, koji se nisu mogli riješiti nakon višestrukih podešavanja parametara. Alati za obradu prikazani su na slici 14.
a) Svrdlo b) Čelno glodalo Slika 14 Alati za obradu provrta ležaja
4.7 Utjecaj sačmarenja na dijelove
Početni plan precizne strojne obrade rupa bio je: CNC tokarenje, precizno bušenje unutarnje rupe s dopuštenjem od 0,05 mm na jednoj strani, brušenje kako bi se osigurala tolerancija promjera rupe od 0,02 mm i cilindričnost od 0,02 mm, i konačno sačmarenje vanjskog promjera dijela. Međutim, sačmarenje je uzrokovalo deformaciju unutarnje rupe dijela, s povećanjem promjera za 0,015–0,025 mm u aksijalnom središnjem položaju. Neki su dijelovi premašili gornju granicu tolerancije i bačeni su u otpad.
Kako bi se riješio ovaj problem, slijed procesa je prilagođen nakon konzultacija s kupcem, stavljajući honanje nakon sačmarenja. Deformacija unutarnje rupe nakon sačmarenja bila je približno 0,025 mm, što je bilo potpuno pokriveno jednostranim dodatkom od 0,05 mm rezerviranim za honanje. Nakon podešavanja, tolerancija unutarnjeg promjera rupe nakon honanja mogla se kontrolirati unutar 0,010 mm, a cilindričnost unutar 0,015 mm, ispunjavajući zahtjeve crteža. Utjecaj sačmarenja na unutarnju rupu prikazan je u tablici 8.
Tablica 8 Utjecaj sačmarenja na kontrolu unutarnjeg otvora (jedinica: mm)
5. DIO
Zaključak
Kroz više krugova lean optimizacije i poboljšanja tijekom faze verifikacije obrade, ovaj zrakoplovno-svemirski precizni cilindrični dio konačno je postigao stabilnu masovnu proizvodnju. Tradicionalno iskustvo obrade više nije primjenjivo na poteškoće obrade materijala 35CD4. Višestruke mjere, kao što su optimizacija procesa, optimizacija odabira alata i optimizacija parametara obrade, potrebne su za prevladavanje izazova obrade [4]. 35CD4 čelik visoke-čvrstoće ima izvrsne performanse, ali donosi i veće izazove obrade. U stvarnoj proizvodnji potrebno je posebno odabrati modele alata i formulirati razumne parametre obrade. S razvojem novih tehnologija obrade, poteškoće obrade tako-materijala-za strojnu obradu postupno će se smanjivati, a relevantno iskustvo obrade potrebno je kontinuirano sažimati i prikupljati. Osim toga, proces sačmarenja ima nepovratan utjecaj na precizne dimenzije dijelova, što ukazuje da je projektiranje procesa sustavan projekt. Raspored procesa treba slijediti logična pravila i u potpunosti uzeti u obzir međusobni utjecaj između svakog procesa kako bi se formulirao znanstveni i razumni plan obrade [5] i postigla učinkovita proizvodnja uz osiguranje kvalitete proizvoda.
