L'acciaio ad alta resistenza 35CD4-è ampiamente utilizzato nelle parti cilindriche di precisione del settore aerospaziale grazie alle sue eccellenti prestazioni, ma presenta difficoltà tecniche come elevata durezza, elevata difficoltà di taglio, facile deformazione delle parti a pareti sottili-e requisiti di tolleranza rigorosi. In risposta a queste difficoltà tecniche, è stato formulato uno schema di lavorazione snella che copre più processi combinando le caratteristiche del materiale con le dimensioni di precisione e i requisiti di processo speciali delle parti. Ottimizzando i parametri e gli strumenti dei collegamenti chiave come la tornitura esterna, l'alesatura interna, la lavorazione di fori obliqui e di fori per cuscinetti nel processo di lavorazione e regolando la sequenza di pallinatura e levigatura, sono stati risolti problemi come la deformazione della lavorazione e la deviazione dimensionale. Infine, è stata raggiunta una produzione di massa stabile di parti e il relativo processo può fornire un riferimento per la lavorazione di parti di precisione di materiali difficili-da-tagliare.
PARTE 1
Introduzione
Il miglioramento delle prestazioni delle apparecchiature aerospaziali dipende in larga misura dalla precisione della lavorazione e dall'affidabilità dei componenti principali[1]. L'acciaio ad alta resistenza-35CD4 è diventato un materiale ideale per parti cilindriche di precisione del settore aerospaziale grazie alle sue eccellenti caratteristiche come elevata resistenza ed elevata temprabilità. Tuttavia, l'elevata forza di taglio e la notevole tendenza all'incrudimento di questo materiale, combinate con la forma irregolare e facilmente deformabile, e le stringenti tolleranze dimensionali di precisione delle parti cilindriche, pongono una sfida significativa ai tradizionali processi di lavorazione.
Per superare questa sfida di produzione, questo documento si concentra sulle proprietà del materiale del 35CD4 e sui requisiti di processo delle parti cilindriche e conduce ricerche sui processi di lavorazione snella. Attraverso una serie di misure, tra cui l'ottimizzazione della progettazione del processo, il miglioramento della selezione degli utensili e la regolazione dei parametri di lavorazione, problemi chiave come la deformazione della lavorazione e le deviazioni dimensionali sono stati risolti sistematicamente, ottenendo una soluzione di produzione di massa stabile e affidabile.
Questo documento esamina sistematicamente le idee di ricerca e sviluppo e il processo di verifica di questa tecnologia, con l'obiettivo di fornire un riferimento tecnico per la lavorazione di parti di precisione aerospaziali simili.
PARTE 2
Caratteristiche di processo delle parti cilindriche di precisione aerospaziale
Una certa parte cilindrica di precisione aerospaziale prodotta dalla nostra azienda è realizzata in 35CD4 e la sua forma è mostrata nella Figura 1. Questa parte ha una forma irregolare, la sua struttura speciale è soggetta a deformazione e lo spessore della parete è relativamente sottile. Le tolleranze per il foro interno e il cerchio esterno sono strettamente richieste, il foro del cuscinetto sull'aletta è un foro di precisione e la parte presenta fori obliqui all'interno, rendendo difficile il controllo delle relative tolleranze dimensionali. Le caratteristiche tecnologiche di questa parte cilindrica si riflettono principalmente nei seguenti aspetti.
Figura 1. Forma esterna della parte cilindrica
2.1 Caratteristiche dei materiali
(1) Caratteristiche metalliche
L'acciaio legato ad alta resistenza 35CD4- è un acciaio a medio-carbonio-nichel-cromo-molibdeno comunemente utilizzato nell'industria aerospaziale. La sua composizione chimica è mostrata nella Tabella 1. Rispetto ad altri metalli, questo acciaio presenta vantaggi unici in termini di proprietà chimiche, fisiche e meccaniche.
Tabella 1. Elementi di lega e parametri di 35CD4 (composizione chimica)
(2) Caratteristiche del materiale di 35CD4
Includere principalmente i seguenti quattro punti:
① Elevata resistenza. Poiché è un acciaio a basso-carbonio e basso-legato, ha una resistenza maggiore rispetto all'acciaio non-legato, pertanto è chiamato "acciaio a basso-legato ad alta resistenza-.
② Elevato limite di snervamento. Il suo punto di snervamento è superiore a quello dell'acciaio non-legato. A parità di carico, il peso delle parti realizzate con questo materiale può essere ridotto dal 20% al 30%.
③ Buona plasticità e tenacità. La percentuale di elementi di lega è relativamente bassa, conferendo al materiale sia buona plasticità che tenacità. ④ Elevata temprabilità. La composizione della lega contiene elementi come nichel, cromo e molibdeno, che possono mantenere altamente stabile l'austenite superraffreddata dell'acciaio. Le strutture di martensite e bainite possono essere ottenute mediante tempra in aria.
(3) Caratteristiche di lavorazione del materiale. Questo materiale ha generalmente due stati di trattamento termico: normalizzazione + rinvenimento e tempra + rinvenimento. La durezza corrispondente a questi due stati è mostrata nella Tabella 2.
Tabella 2 Durezza del materiale
Come si può vedere dalla Tabella 2, la durezza e la resistenza alla trazione di questo materiale sono entrambe ad alto livello. È anche ricco di elementi come cromo e manganese. Questi fattori insieme rendono difficile la lavorazione e si tratta di un tipico materiale difficile-da-lavorare a macchina. Le difficoltà specifiche del trattamento sono le seguenti:
1) Elevata forza di taglio. Il materiale ha elevata durezza e resistenza, elevata densità atomica e forza di legame, nonché eccellente resistenza alla frattura e plasticità a lungo-termine. Durante il processo di taglio, non solo la forza di taglio è elevata, ma fluttua anche in modo significativo [2].
2) Temperatura di taglio elevata. La deformazione del taglio consuma molta energia e genera molto calore. Una grande quantità di calore di taglio si concentra nella zona di taglio, formando un ambiente ad alta-temperatura.
3) Elevata tendenza all'incrudimento. Il materiale presenta buona plasticità e tenacità, con un elevato coefficiente di rinforzo. Sotto l'effetto combinato della forza di taglio e del calore di taglio, subisce una grave deformazione plastica, che porta all'incrudimento. Allo stesso tempo, il calore di taglio fa sì che il materiale assorba atomi di idrogeno, ossigeno e azoto dal mezzo circostante, formando uno strato superficiale duro e fragile, aumentando ulteriormente la difficoltà di taglio.
4) Grave usura dell'utensile. Forze di taglio e temperature elevate durante il taglio intensificano l'attrito tra l'utensile e i trucioli e il materiale dell'utensile è soggetto a interazioni di affinità con il materiale del pezzo. In combinazione con la presenza di particelle dure nel materiale e un forte incrudimento, l'utensile è altamente suscettibile all'usura adesiva, all'usura per diffusione, all'usura abrasiva, all'usura dei bordi e all'usura scanalata durante il taglio, perdendo infine la sua capacità di taglio.
5) Difficile gestione dei trucioli. L'elevata resistenza, plasticità e tenacità del materiale provocano la formazione di trucioli aggrovigliati a forma di nastro- durante il taglio, creando rischi per la sicurezza, ostacolando il processo di taglio e causando graffi sulla superficie della parte, rendendo difficile soddisfare i requisiti di ruvidità superficiale.
6) Grande deformazione del taglio. Le elevate temperature di taglio e l'elevata plasticità del materiale durante la lavorazione portano facilmente alla deformazione termica, rendendo difficile garantire dimensioni e forme precise.
(4) Schema di lavorazione dei materiali Per garantire che le materie prime possano completare completamente il trattamento di tempra e rinvenimento, il pezzo grezzo di forgiatura deve essere sgrossato-lavorato prima del trattamento termico per garantire che lo spessore della parete di ciascuna sezione trasversale- sia<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.
Figura 2: vuoto
Figura 3: forma grezza-lavorata
2.2 Caratteristiche del processo Questa parte ha diversi requisiti dimensionali di alta-precisione. Un flusso di processo stabile e affidabile deve essere progettato considerando in modo completo tutti i parametri dimensionali di precisione per garantire la qualità del prodotto. Le principali dimensioni di precisione della parte sono mostrate nella Figura 4.
Figura 4: dimensioni di precisione principali della parte
(1) Diametro esterno di precisione Il diametro esterno di precisione sulla porta è di mm, con una larghezza della zona di tolleranza di soli 0,022 mm; la dimensione del foro interno è φ83,37 mm, corrispondente a uno spessore della parete di 2,81 mm. Questo requisito di tolleranza dimensionale è rigoroso, la parete della parte è sottile e la difficoltà di lavorazione è estremamente elevata. (2) Foro interno di precisione: il foro interno di precisione ha un diametro di φ mm e una tolleranza di 0,04 mm. Il requisito di coassialità di questo foro interno rispetto al cerchio esterno è φ0,04 mm, il requisito di cilindricità è φ0,02 mm e la profondità del foro è 287,5 mm.
(3) Foro inclinato esteso: come mostrato nella Figura 5, il foro inclinato situato nella posizione dell'orecchio della parte ha un diametro di mm e un angolo di 45 gradi con l'asse della parte. Quando si lavora questo foro, il mandrino della macchina utensile deve essere regolato ad un angolo di 45 gradi rispetto al pezzo. Per evitare interferenze tra l'utensile e l'attrezzatura, è necessaria una lunga struttura a sbalzo per l'utensile di lavorazione, il che rappresenta una sfida importante nella lavorazione di questa parte.
Figura 5: Foro inclinato esteso e foro del cuscinetto
(4) Foro del cuscinetto: come mostrato nella Figura 5, il foro del cuscinetto sull'orecchio ha un diametro di mm. Questo foro può essere lavorato solo dalla faccia finale sinistra della parte. La sporgenza dell'utensile è ampia e i requisiti di tolleranza del diametro sono rigorosi, rendendo difficile garantire la precisione dimensionale. 2.3 Processi speciali
Oltre ai requisiti di lavorazione sopra indicati, questa parte richiede diverse fasi di lavorazione speciali, come segue:
1) Pallinatura. L'area di pallinatura è il diametro esterno del pezzo, ma la porzione del diametro esterno con un diametro di φ mm deve essere evitata. La pallinatura del foro interno è severamente vietata.
2) Cromatura. La zona di cromatura è il foro interno con un diametro di φmm. Lo spessore dello strato di cromo deve essere controllato tra 20 e 25 μm.
3) Cadmiatura. L'area di cadmiatura comprende tutte le superfici tranne l'area di cromatura.
4) Pittura. L'area verniciata corrisponde al diametro esterno della parte, ma la porzione del diametro esterno con un diametro di φ mm deve essere evitata.
PARTE 3
Progettazione del processo di lavorazione di cilindri di precisione per aeromobili
Sulla base dell'analisi delle proprietà del materiale, delle dimensioni di precisione e dei processi speciali di questa parte del cilindro, il piano di processo è mostrato nella Tabella 3.
Tabella 3 Piano di processo
PARTE 4
Verifica del processo di lavorazione di cilindri di precisione per aeromobili
4.1 Rifinitura del diametro esterno dell'orecchio
Il materiale 35CD4 ha una forte adesione, rendendo difficile la rottura del truciolo durante la lavorazione. Quando si utilizzano parametri di lavorazione inferiori, sulla faccia finale del pezzo compaiono segni di taglio profondi, con conseguente aspetto lacerato del materiale della superficie. Per risolvere questo problema, è necessario regolare i parametri di lavorazione della tornitura esterna. I parametri di ottimizzazione specifici sono mostrati nella Tabella 4. Attraverso l'ottimizzazione dei parametri, i segni di taglio sulla faccia finale del pezzo vengono eliminati, la faccia finale lavorata è liscia e la qualità della lavorazione rimane costante dal centro al bordo. Lo stato della faccia finale ottimizzata è mostrato nella Figura 6.
Tabella 4 Ottimizzazione dei parametri di tornitura delle facce finali
Figura 6 Stato della parte dopo la tornitura di finitura della faccia finale
4.2 Tornitura di precisione di diametri esterni
La 14a operazione di tornitura CNC è un processo chiave nella lavorazione di questa parte. Questa operazione utilizza un mandrino auto-centrante e un supporto centrale per supportare il diametro esterno. I requisiti di lavorazione specifici sono mostrati nella Figura 7. La tolleranza di precisione del diametro esterno della parte è 0,024 mm e la lavorazione deve essere eseguita in tre fasi. I parametri di lavorazione specifici sono mostrati nella Tabella 5. A causa dell'elevata viscosità del materiale, è necessario un inserto per tornitura esterna affilato. Il raggio della punta dell'inserto preferito è R0,2 mm. Se il raggio della punta dell'inserto è troppo grande, non è possibile garantire i requisiti di rugosità superficiale del pezzo.
Figura 7 Requisiti per il processo di tornitura CNC Tabella 5 Ottimizzazione dei parametri di tornitura esterna Dopo la finitura, il diametro esterno della parte è 88,85~88,89 mm, che supera i requisiti del disegno. Prima di trovare la causa principale, l'unico modo per regolare la dimensione è lasciare un margine sul diametro esterno e poi lucidarlo manualmente. Dopo l'analisi, la rotondità del diametro esterno supportato dal supporto centrale durante il bloccaggio avrà un impatto significativo sulla rotazione della parte [3]. Con i requisiti di tolleranza ad alta precisione, questo impatto è particolarmente evidente. È stato misurato il diametro esterno di bloccaggio della parte fuori-tolleranza e la variazione della sua rotondità è stata di 0,020~0,035 mm, che è sostanzialmente coerente con la fluttuazione-fuori-tolleranza del diametro esterno della parte. Per risolvere questo problema è necessario ottimizzare e correggere i requisiti tecnici del processo di riferimento. Nel processo di tornitura esterna dell'undicesimo processo, è chiaramente richiesto che la rotondità del diametro esterno sia controllata entro 0,01 mm. I requisiti di miglioramento specifici sono mostrati nella Figura 8. Dopo aver aggiunto i requisiti di controllo della rotondità all'undicesimo processo, la stabilità dimensionale della tornitura del diametro esterno nel quattordicesimo processo è stata notevolmente migliorata. L'intervallo di fluttuazione del diametro esterno è stato ridotto a 88,865–88,875 mm e la deformazione può essere controllata entro 0,01 mm. Non sono state necessarie regolazioni locali da parte dell'operatore per garantire che la tolleranza del diametro esterno soddisfacesse i requisiti. I test di stabilità hanno verificato che una singola punta dell'utensile da taglio poteva lavorare stabilmente quattro parti; tuttavia, la precisione dimensionale non può essere garantita dopo l'usura dell'utensile.
Figura 8: Requisiti di miglioramento per il processo di base
4.3 Miglioramento dello snellimento della superficie inferiore del foro interno
Durante il processo di tornitura CNC nel 14° processo, è apparso un difetto di lavorazione nella parte inferiore del pezzo, manifestato come una sporgenza residua con un diametro di 1 mm e un'altezza di 0,3 mm, come mostrato nella Figura 9. Il piano di lavorazione iniziale prevedeva l'utilizzo di una fresa piatta-per rimuovere l'eccesso del fondo, quindi utilizzare un utensile di alesatura di grande-diametro per alesare il foro e infine allineare la superficie inferiore. Quando si rimuove il sovrametallo inferiore utilizzando una fresa, l'eccentricità dell'utensile deve essere controllata entro 0,01 mm. Tuttavia, a causa del piccolo smusso sul fondo della fresa-a testa piana, il fondo del pezzo non può essere lavorato fino a raggiungere uno stato piatto. La fresa-a testa piatta è mostrata nella Figura 10.
Figura 9: difetto inferiore
Figura 10: Fresa-a testa piatta
Per risolvere questo problema, lo schema di lavorazione è stato ottimizzato sostituendo il fondo con una fresa per alesatura di piccolo-diametro, come mostrato nella Figura 11. I test di lavorazione hanno dimostrato che l'utilizzo di una fresa per alesatura per alesare il fondo ha eliminato completamente il difetto del mozzo.
Figura 11: Aggiunto taglierino per alesatura
4.4 Ottimizzazione della tornitura di fori interni
Durante la 14a operazione di tornitura CNC, l'alesatura del foro interno lascia un margine di 0,05 mm su un lato per la successiva levigatura. Tuttavia, dopo la perforazione, nel foro interno sono comparsi vari difetti di qualità. I tipi e le proporzioni dei difetti sono mostrati nella Tabella 6. Questi difetti rappresentano un rischio significativo per il successivo processo di levigatura.
Tabella 6. Tipi e percentuali di difetto
L'analisi ha rivelato tre cause principali dei difetti sopra menzionati: in primo luogo, il diametro dell'utensile per alesatura interna era troppo piccolo, con conseguente rigidità insufficiente dell'utensile e dimensioni del foro instabili dopo l'alesatura. In secondo luogo, il materiale aveva un'elevata viscosità, che comportava un taglio instabile e una scarsa rottura dei trucioli quando si utilizzavano i parametri di finitura tradizionali, con trucioli che turbinavano e graffiavano la parete del foro. In terzo luogo, la velocità di taglio era troppo bassa e non riusciva a soddisfare i requisiti di precisione dimensionale e di ruvidità superficiale del pezzo.
Per risolvere questi problemi, sono state implementate le seguenti misure di ottimizzazione: in primo luogo, sostituire l'utensile per alesatura interna con uno di diametro maggiore per migliorare la rigidità dell'utensile; l'utensile di alesatura ottimizzato è mostrato nella Figura 12. In secondo luogo, aumentare la velocità di taglio per aumentare la profondità di taglio nella finitura. In terzo luogo, ottimizzare il sistema di raffreddamento interno per consentire al fluido da taglio di agire direttamente sulla punta dell'utensile di alesatura. Un confronto delle ottimizzazioni degli strumenti è mostrato nella Tabella 7.
Figura 12 Utensile di alesatura ottimizzato
Tabella 7 Confronto tra le ottimizzazioni degli strumenti
4.5 Ottimizzazione del foro inclinato esteso
Nella tredicesima operazione, fresatura orizzontale del foro inclinato esteso, il piano iniziale era: utilizzando una fresa estesa da φ6 mm per allargare il foro a φ7,3 mm, il diametro effettivo del foro dopo la lavorazione era 7,1~7,2 mm, con una fluttuazione dimensionale di 0,1 mm; dopo aver regolato il programma per la fresatura a φ7,5 mm, il diametro del foro era 7,35~7,42 mm e la fluttuazione è stata ridotta a 0,07 mm; infine, per la finitura è stato utilizzato un alesatore a codolo cilindrico, il diametro del foro era di 7,62~7,69 mm e le dimensioni erano estremamente instabili.
Nella prima ottimizzazione, l'alesatore è stato sostituito con un utensile noioso e il diametro del foro dopo la lavorazione era di 7,60~7,72 mm, superando i requisiti di tolleranza e causando la rottamazione del pezzo. Il piano ottimizzato finale era: utilizzando una fresa a diametro variabile di 7 mm di diametro-per la fresatura di fori inclinati, la velocità di passaggio delle parti lavorate raggiungeva il 100%. L'utensile per la lavorazione di fori inclinati estesi è mostrato nella Figura 13.
a) Fresa a codolo cilindrico b) Alesatore a codolo cilindrico c) Fresa per alesatura d) Fresa a diametro variabile Figura 13 Utensili per la lavorazione di fori obliqui estesi
4.6 Miglioramento della lavorazione dei fori dei cuscinetti
Nel tredicesimo processo di lavorazione del foro del cuscinetto, il diametro del foro richiesto è mm. Il piano iniziale era: utilizzare una fresa a candela da φ20 mm per fresare a φ34,4 mm, quindi utilizzare una fresa per alesare fino alla dimensione finale. Tuttavia, dopo la lavorazione, sulla parete del foro apparivano segni di vibrazione che non potevano essere risolti dopo molteplici regolazioni dei parametri. Gli strumenti di lavorazione sono mostrati nella Figura 14.
a) Fresa per alesatura b) Fresa Figura 14 Utensili per la lavorazione dei fori dei cuscinetti
4.7 Impatto della pallinatura sui pezzi
Il piano iniziale di lavorazione dei fori di precisione prevedeva: tornitura CNC, alesatura di precisione del foro interno con un sovrametallo di 0,05 mm su un lato, levigatura per garantire una tolleranza del diametro del foro di 0,02 mm e una cilindricità di 0,02 mm, e infine pallinatura del diametro esterno del pezzo. Tuttavia, la pallinatura ha causato la deformazione del foro interno del pezzo, con un aumento del diametro di 0,015–0,025 mm nella posizione centrale assiale. Alcune parti hanno superato il limite di tolleranza superiore e sono state scartate.
Per risolvere questo problema, la sequenza del processo è stata adattata previa consultazione con il cliente, inserendo la levigatura dopo la pallinatura. La deformazione del foro interno dopo la pallinatura è stata di circa 0,025 mm, che è stata completamente coperta dal margine unilaterale di 0,05 mm- riservato alla levigatura. Dopo la regolazione, la tolleranza del diametro del foro interno dopo la levigatura può essere controllata entro 0,010 mm e la cilindricità entro 0,015 mm, soddisfacendo i requisiti di disegno. L'impatto della pallinatura sul foro interno è mostrato nella Tabella 8.
Tabella 8 Impatto della pallinatura sul controllo del foro interno (unità: mm)
PARTE 5
Conclusione
Attraverso molteplici cicli di ottimizzazione e miglioramento snelli durante la fase di verifica della lavorazione, questa parte cilindrica di precisione aerospaziale ha finalmente raggiunto una produzione di massa stabile. L'esperienza di lavorazione tradizionale non è più applicabile alle difficoltà di lavorazione del materiale 35CD4. Sono necessarie molteplici misure, come l'ottimizzazione del processo, l'ottimizzazione della selezione degli utensili e l'ottimizzazione dei parametri di lavorazione, per superare le sfide di lavorazione. [4]. 35L'acciaio altoresistenziale CD4-ha prestazioni eccellenti, ma comporta anche sfide di lavorazione più impegnative. Nella produzione vera e propria è necessario selezionare specificamente i modelli di utensili e formulare parametri di lavorazione ragionevoli. Con lo sviluppo delle tecnologie di elaborazione emergenti, la difficoltà di elaborazione di materiali così difficili da-lavorare-diminuirà gradualmente e l'esperienza di elaborazione pertinente dovrà essere continuamente riepilogata e accumulata. Inoltre, il processo di pallinatura ha un impatto irreversibile sulle dimensioni di precisione delle parti, il che indica che la progettazione del processo è un progetto sistematico. La disposizione del processo deve seguire regole logiche e considerare pienamente l'influenza reciproca tra ciascun processo al fine di formulare un piano di lavorazione scientifico e ragionevole [5] e ottenere una produzione efficiente garantendo al tempo stesso la qualità del prodotto.
