35CD4 ülitugevat-terast kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuse täppissilindrilistes osades selle suurepärase jõudluse tõttu, kuid sellel on tehnilisi raskusi, nagu kõrge kõvadus, kõrge lõikamisraskus, õhukeseseinaliste osade lihtne deformeerumine ja ranged tolerantsinõuded. Vastuseks nendele tehnilistele raskustele koostati mitut protsessi hõlmav lahja töötlusskeem, kombineerides materjali omadused osade täppismõõtmete ja protsessi erinõuetega. Töötlemisprotsessis võtmelülide, nagu välistreimine, sisepuurimine, kald- ja laagriaukude töötlemine parameetreid ja tööriistu optimeerides ning haavelpeenimise ja lihvimise järjekorda reguleerides, lahendati sellised probleemid nagu töötluse deformatsioon ja mõõtmete hälve. Lõpuks saavutati osade stabiilne masstootmine ja asjakohane protsess võib olla võrdlusaluseks raskesti --lõigatavate materjalide täppisosade töötlemiseks.
1. OSA
Sissejuhatus
Lennundus- ja kosmoseseadmete jõudluse läbimurre sõltub suuresti põhikomponentide töötlemise täpsusest ja töökindlusest[1]. Kõrgtugevast-terasest 35CD4 on saanud ideaalne materjal kosmoselennunduse silindriliste täppisosade jaoks tänu oma suurepärastele omadustele, nagu kõrge tugevus ja kõrge karastamine. Selle materjali suur lõikejõud ja märkimisväärne töökõvenemise kalduvus koos ebakorrapärase kuju ja kergesti deformeeruva ning silindriliste osade rangete mõõtmete tolerantsidega seavad aga traditsioonilistele töötlemisprotsessidele märkimisväärse väljakutse.
Selle tootmisprobleemi lahendamiseks keskendub käesolev artikkel 35CD4 materjaliomadustele ja silindriliste osade protsessinõuetele ning uurib väheseid töötlemisprotsesse. Mitmete meetmete abil, sealhulgas protsesside kavandamise optimeerimine, tööriistade valiku parandamine ja töötlemisparameetrite reguleerimine, lahendati süstemaatiliselt peamised probleemid, nagu töötlemise deformatsioon ja mõõtmete kõrvalekalded, mille tulemuseks oli stabiilne ja usaldusväärne masstootmislahendus.
Käesolevas artiklis vaadeldakse süstemaatiliselt selle tehnoloogia uurimis- ja arendusideid ning kontrolliprotsessi, mille eesmärk on pakkuda tehnilist võrdlusmaterjali sarnaste kosmosetööstuse täppisosade töötlemiseks.
2. OSA
Aerospace’i täppissilindriliste osade protsessiomadused
Teatud meie ettevõtte toodetud õhusõiduki täppissilindriline osa on valmistatud 35CD4-st ja selle kuju on näidatud joonisel 1. See osa on ebakorrapärase kujuga osa, selle eriline struktuur on deformatsioonile kalduv ja seina paksus on suhteliselt õhuke. Sisemise augu ja välimise ringi tolerantsid on rangelt nõutavad, laagriava kõrv on täppisava ja detaili sees on kaldus augud, mis muudab sellega seotud mõõtmete tolerantside kontrollimise keeruliseks. Selle silindrilise osa tehnoloogilised omadused kajastuvad peamiselt järgmistes aspektides.
Joonis 1. Silindrilise osa väliskuju
2.1 Materjali omadused
(1) Metalli omadused
35CD4 ülitugev-legeerteras on kosmosetööstuses sageli kasutatav keskmise-süsinik-nikkel-kroom-molübdeenteras. Selle keemiline koostis on näidatud tabelis 1. Võrreldes teiste metallidega on sellel terasel ainulaadsed eelised keemiliste, füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste poolest.
Tabel 1. 35CD4 sulamielemendid ja parameetrid (keemiline koostis)
(2) 35CD4 materjali omadused
Sisaldab peamiselt järgmist nelja punkti:
① Suur tugevus. Kuna tegemist on madala-süsiniksisaldusega, madala-legeeritud terasega, on sellel suurem tugevus kui legeerimata-terasel, mistõttu nimetatakse seda "madala-legeeritud kõrgtugeva{5}}teraseks".
② Kõrge voolavuspiir. Selle voolavuspiir on kõrgem kui legeerimata-terasel. Sama koormuse korral saab sellest materjalist osade massi vähendada 20% kuni 30%.
③ Hea plastilisus ja sitkus. Legeerelementide osakaal on suhteliselt väike, mis annab materjalile nii hea plastilisuse kui ka sitkuse. ④ Kõrge karastatavus. Sulami koostis sisaldab selliseid elemente nagu nikkel, kroom ja molübdeen, mis võivad hoida terase ülejahutatud austeniidi väga stabiilsena. Martensiidi ja bainiidi struktuure saab saada õhuga karastamise teel.
(3) Materjali töötlemise omadused. Sellel materjalil on üldiselt kaks kuumtöötlusolekut: normaliseerimine + karastamine ja karastamine + karastamine. Nendele kahele olekule vastav kõvadus on näidatud tabelis 2.
Tabel 2 Materjali kõvadus
Nagu tabelist 2 näha, on selle materjali kõvadus ja tõmbetugevus mõlemad kõrgel tasemel. See on rikas ka selliste elementide poolest nagu kroom ja mangaan. Need tegurid koos muudavad selle töötlemise keeruliseks ja tegemist on tüüpilise raskesti-töötletava-materjaliga. Konkreetsed töötlemisraskused on järgmised:
1) Suur lõikejõud. Materjalil on kõrge kõvadus ja tugevus, suur aatomitihedus ja sidumisjõud ning suurepärane purunemiskindlus ja pikaajaline -plastilisus. Lõikeprotsessi ajal ei ole mitte ainult lõikejõud suur, vaid ka lõikejõud kõigub oluliselt [2].
2) Kõrge lõiketemperatuur. Lõikamise deformatsioon kulutab palju energiat ja tekitab palju soojust. Suur osa lõikesoojust koondub lõiketsooni, moodustades kõrge-temperatuuri keskkonna.
3) Kõrge kalduvus töökarastamiseks. Materjalil on hea plastilisus ja sitkus ning kõrge tugevduskoefitsient. Lõikejõu ja lõikesoojuse koosmõjul läbib see tugevat plastilist deformatsiooni, mis põhjustab töö kõvenemist. Samal ajal neelab lõikamiskuumus materjali ümbritsevast keskkonnast vesiniku, hapniku ja lämmastiku aatomeid, moodustades kõva ja rabeda pinnakihi, mis veelgi raskendab lõikamist.
4) Tööriista tugev kulumine. Suured lõikejõud ja temperatuur lõikamise ajal intensiivistavad hõõrdumist tööriista ja laastude vahel ning tööriista materjal on altid afiinsusinteraktsioonidele tooriku materjaliga. Koos materjalis leiduvate kõvade osakeste ja tugeva töökõvenemisega on tööriist väga vastuvõtlik liimikulumisele, difusioonikulumisele, abrasiivsele kulumisele, piirde kulumisele ja soonte kulumisele lõikamise ajal, kaotades lõpuks oma lõikevõime.
5) Raske kiibi käsitlemine. Materjali kõrge tugevus, plastilisus ja sitkus põhjustavad lõikamise ajal linditaolisi{2}}laaste, mis kujutavad endast ohtu, takistavad lõikamisprotsessi ja põhjustavad detaili pinnale kriimustusi, mistõttu on raske täita pinna kareduse nõudeid.
6) Suur lõikedeformatsioon. Kõrge lõiketemperatuur ja materjali kõrge plastilisus töötlemise ajal põhjustavad kergesti termilist deformatsiooni, mis muudab täpsete mõõtmete ja kuju tagamise keeruliseks.
(4) Materjalitöötlemise skeem Tagamaks, et toormaterjalid suudavad karastamise ja karastamise täielikult lõpule viia, tuleb sepist toorik enne kuumtöötlemist töötlemata-töötleda, et tagada iga ristlõike seina paksus-<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.
Joonis 2: tühi
Joonis 3: töötlemata{1}}töödeldud kuju
2.2 Protsessi karakteristikud Sellel osal on mitu kõrget-täpsuse mõõtmete nõudmist. Stabiilne ja usaldusväärne protsessivoog tuleb kavandada, võttes põhjalikult arvesse kõiki täpseid mõõtmete parameetreid, et tagada toote kvaliteet. Detaili peamised täppismõõdud on näidatud joonisel 4.
Joonis 4: Detaili peamised täppismõõtmed
(1) Täpne välisläbimõõt Täpne välisläbimõõt pordi juures on mm, tolerantsitsooni laius on ainult 0,022 mm; sisemise augu suurus on φ83,37 mm, mis vastab seina paksusele 2,81 mm. See mõõtmete tolerantsi nõue on range, detaili sein on õhuke ja töötlemisraskused on äärmiselt suured. (2) Täpne sisemine auk: Täpse sisemise ava läbimõõt on φ mm ja tolerants on 0,04 mm. Selle sisemise ava koaksiaalsusnõue välisringi suhtes on φ0,04 mm, silindrilisuse nõue on φ0,02 mm ja augu sügavus on 287,5 mm.
(3) Laiendatud kaldus auk: nagu on näidatud joonisel 5, on detaili kõrvaasendis asuva kaldus ava läbimõõt mm ja nurk detaili teljega on 45 kraadi. Selle augu töötlemisel tuleb tööpingi spindel detailiga reguleerida 45 kraadise nurga alla. Tööriista ja kinnitusdetailide häirete vältimiseks on töötlustööriista jaoks vaja pikka üleulatuvat struktuuri, mis on selle osa töötlemisel suur väljakutse.
Joonis 5: Laiendatud kaldus auk ja laagriauk
(4) Laagriava: Nagu on näidatud joonisel 5, on kõrva juures oleva laagriava läbimõõt mm. Seda auku saab töödelda ainult detaili vasakust otsapinnast. Tööriista üleulatus on suur ja läbimõõdu tolerantsi nõue on range, mistõttu on mõõtmete täpsuse tagamine keeruline. 2.3 Eriprotsessid
Lisaks ülaltoodud töötlemisnõuetele nõuab see osa mitmeid spetsiaalseid töötlemisetappe:
1) Haavlilõikamine. Lõikamisala on detaili välisläbimõõt, kuid välisläbimõõduga osa läbimõõduga φmm tuleb vältida. Sisemise augu laskmine on rangelt keelatud.
2) Kroomimine. Kroomitud ala on sisemine ava läbimõõduga φmm. Kroomikihi paksust tuleb reguleerida vahemikus 20–25 μm.
3) Kaadmiumiga katmine. Kaadmiumiga kaetud ala hõlmab kõiki pindu, välja arvatud kroomimise ala.
4) Maalimine. Värvimisala on detaili välisläbimõõt, kuid vältida tuleb välisläbimõõduga osa, mille läbimõõt on φmm.
3. OSA
Lennuki täppissilindrite töötlemise protsessi projekteerimine
Selle silindriosa materjali omaduste, täppismõõtmete ja eriprotsesside analüüsi põhjal on protsessiplaan näidatud tabelis 3.
Tabel 3 Protsessi plaan
4. OSA
Lennuki täppissilindrite töötlemise protsessi kontrollimine
4.1 Kõrva välisläbimõõdu viimistlus
35CD4 materjalil on tugev haardumine, mis muudab laastude purunemise töötlemise ajal keeruliseks. Madalamate töötlusparameetrite kasutamisel tekivad detaili otsapinnale sügavad lõikejäljed, mille tulemuseks on pinnamaterjali rebenenud välimus. Selle probleemi lahendamiseks tuleb kohandada väliseid treitöötlusparameetreid. Konkreetsed optimeerimisparameetrid on näidatud tabelis 4. Parameetrite optimeerimise kaudu eemaldatakse lõikejäljed detaili otspinnal, töödeldud otspind on sile ja töötluskvaliteet jääb keskpunktist servani ühtlaseks. Optimeeritud otspinna olek on näidatud joonisel 6.
Tabel 4 Otsapinna pööramise parameetrite optimeerimine
Joonis 6 Osa olek pärast otsapinna viimistluse treimist
4.2 Täpne välisläbimõõduga treimine
14. CNC treimisoperatsioon on selle detaili töötlemisel võtmeprotsess. See toiming kasutab välisdiameetri toetamiseks isetsentreeruvat-padrunit ja kesktuge. Konkreetsed töötlemisnõuded on näidatud joonisel 7. Detaili täpse välisläbimõõdu tolerants on 0,024 mm ja töötlemine tuleb läbi viia kolmes etapis. Konkreetsed töötlusparameetrid on toodud tabelis 5. Materjali kõrge viskoossuse tõttu on vaja teravat välist treimise sisetükki. Eelistatud sisestusotsa raadius on R0,2 mm. Kui sisestusotsa raadius on liiga suur, ei saa detaili pinnakaredusnõudeid tagada.
Joonis 7 Nõuded CNC-treimise protsessile Tabel 5 Treimise välisparameetrite optimeerimine Pärast viimistlemist on detaili välisläbimõõt 88,85~88,89mm, mis ületab joonise nõudeid. Enne algpõhjuse leidmist on ainus viis suurust reguleerida jätta välisläbimõõdule veeris ja seejärel käsitsi poleerida. Pärast analüüsi avaldab kesktoele toetuv välisdiameetri ümardus kinnituse ajal olulisel määral detaili pöörlemiskiirust [3]. Kõrgete täpsustolerantsi nõuete kohaselt on see mõju eriti märgatav. Mõõdeti -tolerantsist{10}}välise osa kinnitusvälisläbimõõt ja selle ümaruse muutus oli 0,020–0,035 mm, mis on põhimõtteliselt kooskõlas detaili välisläbimõõdu-tolerantsi{14}}kõikumisega. Selle probleemi lahendamiseks on vaja optimeerida ja korrigeerida võrdlusprotsessi tehnilisi nõudeid. 11. protsessi välise treimise protsessis on selgelt nõutav, et välisläbimõõdu ümarus oleks 0,01 mm piires. Konkreetsed parendusnõuded on näidatud joonisel 8. Pärast ümaruskontrolli nõuete lisamist 11. protsessile paranes oluliselt 14. protsessi välisdiameetri treimise mõõtmete stabiilsus. Välisläbimõõdu kõikumise vahemikku vähendati 88,865–88,875 mm-ni ja deformatsiooni sai kontrollida 0,01 mm piires. Välisdiameetri tolerantsi nõuetele vastavuse tagamiseks ei olnud operaatori poolt kohalikku reguleerimist vaja. Stabiilsustestid kinnitasid, et üks lõiketööriista ots suudab stabiilselt töödelda nelja osa; mõõtude täpsust ei saanud aga tagada pärast tööriista kulumist.
Joonis 8: Lähteprotsessi täiustamise nõuded
4.3 Sisemise augu põhjapinna lahja parendamine
14. protsessi CNC-treimise käigus tekkis detaili põhjas töötlusviga, mis väljendus 1 mm läbimõõduga ja 0,3 mm kõrguse jääknöörina, nagu on näidatud joonisel 9. Esialgne töötlusplaan oli kasutada lameda-otsfreesi abil põhja ülejääki, seejärel kasutada suurt-puurimispinda ja läbimõõtu. Põhjavaru eemaldamisel freesiga tuleb tööriista väljajooksu kontrollida 0,01 mm piires. Kuid lame-otsfreesi põhjas oleva väikese kaldpinna tõttu ei saa detaili põhja töödelda tasaseks. Lame{11}}otsfrees on näidatud joonisel 10.
Joonis 9: põhja defekt
Joonis 10: tasapinnaline-otsfrees
Selle probleemi lahendamiseks optimeeriti töötlemisskeemi, asendades põhja väikese -läbimõõduga puurimislõikuriga, nagu on näidatud joonisel 11. Töötlemiskatsed tõestasid, et puuri kasutamine põhja puurimiseks kõrvaldas ülaosa defekti täielikult.
Joonis 11: Lisatud puurimislõikur
4.4 Sisemise ava treimise optimeerimine
14. CNC-treimise käigus jätab sisemine ava puurimine ühele küljele 0,05 mm varu hilisemaks lihvimiseks. Kuid peale puurimist tekkisid sisemises augus erinevad kvaliteedivead. Defektide tüübid ja proportsioonid on näidatud tabelis 6. Need defektid kujutavad endast olulist ohtu järgnevale lihvimisprotsessile.
Tabel 6. Defektide tüübid ja protsendid
Analüüsi käigus selgus kolm peamist eelnimetatud defektide põhjust: Esiteks, sisemise puurimistööriista läbimõõt oli liiga väike, mille tulemuseks oli tööriista ebapiisav jäikus ja ebastabiilsed augud pärast puurimist. Teiseks oli materjalil kõrge viskoossus, mis põhjustas ebastabiilse lõikamise ja halva laastu purunemise, kui kasutate traditsioonilisi viimistlusparameetreid, kusjuures laastud keerlesid ümber ja kriimustasid augu seina. Kolmandaks oli lõikekiirus liiga väike, mis ei vastanud detaili mõõtmete täpsuse ja pinna kareduse nõuetele.
Nende probleemide lahendamiseks rakendati järgmisi optimeerimismeetmeid: Esiteks asendage sisemine puurimistööriist suurema läbimõõduga tööriistaga, et parandada tööriista jäikust; optimeeritud puurimistööriist on näidatud joonisel 12. Teiseks suurendage lõikekiirust, et suurendada viimistluse lõikesügavust. Kolmandaks optimeerige sisemist jahutussüsteemi, et lõikevedelik saaks otse puurimistööriista otsale mõjuda. Tööriistade optimeerimiste võrdlus on toodud tabelis 7.
Joonis 12 Optimeeritud puurimistööriist
Tabel 7 Tööriistade optimeerimise võrdlus
4.5 Laiendatud kaldaugu optimeerimine
13. operatsioonil, laiendatud kaldaugu horisontaalsel freesimisel, oli esialgne plaan: φ6mm pikendatud freesiga ava suurendamiseks φ7,3mm-ni oli ava tegelik läbimõõt peale töötlemist 7,1–7,2 mm, mõõtmete kõikumine 0,1 mm; pärast programmi reguleerimist freesimiseks φ7,5 mm-ni oli ava läbimõõt 7,35–7,42 mm ja kõikumine vähenes 0,07 mm-ni; lõpuks kasutati viimistlemiseks sirge varrega hõõritsat, augu läbimõõt oli 7,62–7,69 mm ja mõõtmed olid äärmiselt ebastabiilsed.
Esimeses optimeerimises asendati hõõrits puurimistööriistaga ja ava läbimõõt pärast töötlemist oli 7,60–7,72 mm, mis ületas tolerantsinõudeid ja põhjustas osa lammutamist. Lõplik optimeeritud plaan oli järgmine: kasutades 7 mm diameetriga muutuva-läbimõõduga freesi kaldavade freesimiseks, saavutas töödeldud osade läbivus 100%. Laiendatud kaldava töötlemise tööriist on näidatud joonisel 13.
a) sirge varrega otsafrees b) sirge varrega hõõrits c) puurimislõikur d) muutuva läbimõõduga otsfrees Joonis 13 Laiendatud kaldava töötlustööriistad
4.6 Laagriaukude töötlemise täiustamine
Laagriaugu 13. töötlusprotsessis on ava läbimõõdu nõue mm. Esialgne plaan oli järgmine: kasutage φ20 mm otsafreesi freesimiseks φ34,4 mm ja seejärel puurimislõikurit, et puurida valmis mõõtu. Kuid pärast töötlemist tekkisid augu seinale vibratsioonijäljed, mida ei õnnestunud pärast mitmekordset parameetrite reguleerimist lahendada. Töötlemistööriistad on näidatud joonisel 14.
a) Puurimislõikur b) Otsfrees Joonis 14 Laagriavade töötlemise tööriistad
4.7 Haavli löömise mõju osadele
Esialgne täppistöötlemise plaan oli järgmine: sisemise ava CNC-treimise täppispuurimine 0,05 mm varuga ühel küljel, lihvimine, et tagada augu läbimõõdu tolerants 0,02 mm ja silindrilisus 0,02 mm, ning lõpuks detaili välisläbimõõdu haavlilõikamine. Haavelõhkumine põhjustas aga detaili sisemise ava deformatsiooni, mille läbimõõt suurenes aksiaalses keskasendis 0,015–0,025 mm. Mõned osad ületasid ülemise tolerantsi piiri ja läksid vanarauaks.
Selle probleemi lahendamiseks kohandati pärast kliendiga konsulteerimist protsesside järjestust, asetades lihvimise pärast haavlitamist. Sisemise ava deformatsioon pärast haavlilõikamist oli ligikaudu 0,025 mm, mis kattis täielikult lihvimiseks ette nähtud 0,05 mm ühepoolse -varu. Pärast reguleerimist sai sisemise ava läbimõõdu tolerantsi pärast lihvimist kontrollida 0,010 mm piires ja silindrilisust 0,015 mm piires, mis vastab joonise nõuetele. Haavli löömise mõju sisemisele augule on näidatud tabelis 8.
Tabel 8 Haaramise mõju sisemise augu juhtimisele (ühik: mm)
5. OSA
Järeldus
Töötlemise kontrollimise etapis toimunud mitmekordse optimeerimise ja täiustamise kaudu saavutas see kosmosetööstuse täppissilindriline osa lõpuks stabiilse masstootmise. Traditsiooniline töötlemiskogemus ei ole enam kohaldatav 35CD4 materjali töötlemisraskuste korral. Töötlemisprobleemide ületamiseks on vaja mitmeid meetmeid, nagu protsesside optimeerimine, tööriistade valiku optimeerimine ja töötlemisparameetrite optimeerimine [4] . 35CD4 ülitugev{7}}terasel on suurepärane jõudlus, kuid see toob kaasa ka suuremaid töötlemisprobleeme. Tegelikus tootmises on vaja spetsiaalselt valida tööriistamudelid ja sõnastada mõistlikud töötlemisparameetrid. Arenevate töötlemistehnoloogiate arenedes väheneb järk-järgult selliste raskesti{10}}mehaaniliste{11}}materjalide töötlemise raskus ning asjakohaseid töötlemiskogemusi tuleb pidevalt kokku võtta ja koguda. Lisaks mõjutab haavlitöötlemisprotsess pöördumatult osade täpsusmõõtmeid, mis näitab, et protsessi kavandamine on süstemaatiline projekt. Protsessi korraldus peab järgima loogilisi reegleid ja täielikult arvestama iga protsessi vastastikust mõju, et koostada teaduslik ja mõistlik töötlemisplaan [5] ning saavutada tõhus tootmine, tagades samal ajal toote kvaliteedi.
