35CD4 čelik visoke-čelik se široko koristi u preciznim cilindričnim dijelovima zrakoplovstva zbog svojih odličnih performansi, ali ima tehničke poteškoće kao što su visoka tvrdoća, velika teškoća rezanja, laka deformacija dijelova sa tankim-zidovima i strogi zahtjevi tolerancije. Kao odgovor na ove tehničke poteškoće, formulisana je shema vitke obrade koja pokriva više procesa kombinovanjem karakteristika materijala sa preciznim dimenzijama i posebnim procesnim zahtevima delova. Optimizacijom parametara i alata ključnih karika kao što su eksterno tokarenje, unutrašnje bušenje, obrada kosih rupa i otvora ležaja u procesu obrade, te podešavanjem redoslijeda sačmarenja i honanja, riješeni su problemi kao što su deformacija strojne obrade i odstupanje dimenzija. Konačno, postignuta je stabilna masovna proizvodnja dijelova, a relevantni proces može pružiti referencu za mašinsku obradu preciznih dijelova od teško--materijala za sečenje.
DIO 1
Uvod
Proboj u performansama vazduhoplovne opreme u velikoj meri zavisi od tačnosti obrade i pouzdanosti osnovnih komponenti[1]. Čelik-velike čvrstoće 35CD4 postao je idealan materijal za precizne cilindrične dijelove zrakoplovstva zbog svojih odličnih karakteristika kao što su visoka čvrstoća i visoka kaljivost. Međutim, velika sila rezanja i značajna sklonost ka kaljenju ovog materijala, u kombinaciji s nepravilnim oblikom i lako deformabilnim, te stroge preciznosti dimenzijskih tolerancija cilindričnih dijelova, predstavljaju značajan izazov tradicionalnim procesima strojne obrade.
Da bi se prevazišao ovaj proizvodni izazov, ovaj rad se fokusira na svojstva materijala 35CD4 i procesne zahtjeve cilindričnih dijelova, te provodi istraživanje procesa vitke obrade. Kroz niz mjera, uključujući optimizaciju dizajna procesa, poboljšanje odabira alata i podešavanje parametara obrade, sistematski su rješavani ključni problemi kao što su deformacija strojne obrade i odstupanja dimenzija, što je rezultiralo stabilnim i pouzdanim rješenjem za masovnu proizvodnju.
Ovaj rad sistematski razmatra ideje istraživanja i razvoja i proces verifikacije ove tehnologije, sa ciljem da pruži tehničku referencu za mašinsku obradu sličnih vazduhoplovno preciznih delova.
DIO 2
Procesne karakteristike vazduhoplovnih preciznih cilindričnih delova
Određeni vazduhoplovni precizni cilindrični deo naše kompanije izrađen je od 35CD4, a njegov oblik je prikazan na slici 1. Ovaj deo je nepravilnog oblika, posebne strukture je sklona deformacijama, a debljina zida je relativno tanka. Tolerancije za unutrašnju rupu i vanjski krug su striktno potrebne, rupa za ležaj na ušici je precizna rupa, a dio ima kosih rupa iznutra, što otežava kontrolu srodnih 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}}legirani čelik je uobičajeno korišteni čelik srednjeg{3}}ugljičnog nikla-hroma-molibdena u avio industriji. Njegov hemijski sastav je prikazan u tabeli 1. U poređenju sa drugim metalima, ovaj čelik ima jedinstvene prednosti u hemijskim, fizičkim i mehaničkim svojstvima.
Tabela 1. Elementi legure i parametri 35CD4 (hemijski sastav)
(2) Karakteristike materijala 35CD4
Uglavnom uključuju sljedeće četiri tačke:
① Visoka čvrstoća. Budući da je to nisko-ugljični, nisko-legirani čelik, ima veću čvrstoću od ne-nelegiranog čelika, pa se naziva "nisko-legirani čelik visoke-čvrstoće".
② Visoka granica tečenja. Njegova granica tečenja je viša od one kod nelegiranog čelika. Pod istim opterećenjem, težina dijelova izrađenih 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 nikl, krom i molibden, koji mogu održati superohlađeni austenit čelika visoko stabilnim. Martenzitne i bainitne strukture mogu se dobiti gašenjem na zraku.
(3) Karakteristike obrade materijala. Ovaj materijal općenito ima dva stanja termičke obrade: normaliziranje + kaljenje i gašenje + kaljenje. Tvrdoća koja odgovara ova dva stanja prikazana je u tabeli 2.
Tabela 2 Tvrdoća materijala
Kao što se može vidjeti iz tabele 2, tvrdoća i vlačna čvrstoća ovog materijala su na visokom nivou. Takođe je bogat elementima kao što su hrom i mangan. Ovi faktori zajedno otežavaju obradu i tipično je teško-mašinski-materijal. Specifične poteškoće obrade su sljedeće:
1) Velika sila rezanja. Materijal ima visoku tvrdoću i čvrstoću, visoku atomsku gustinu i silu vezivanja, te odličnu otpornost na lom i dugotrajnu-plastičnost. Tokom procesa rezanja, ne samo da je sila rezanja velika, već i sila rezanja značajno fluktuira [2].
2) Visoka temperatura rezanja. Deformacija rezanja troši puno energije i stvara mnogo topline. Velika količina toplote rezanja je koncentrisana u zoni rezanja, formirajući okruženje visoke{3}}temperature.
3) Visoka sklonost ka kaljenju. Materijal pokazuje dobru plastičnost i žilavost, sa visokim koeficijentom ojačanja. Pod kombinovanim efektima sile rezanja i toplote rezanja, podvrgava se ozbiljnoj plastičnoj deformaciji, što dovodi do radnog očvršćavanja. Istovremeno, toplina rezanja uzrokuje da materijal apsorbira atome vodika, kisika i dušika iz okolnog medija, formirajući tvrd i lomljiv površinski sloj, dodatno povećavajući poteškoću rezanja.
4) Jako habanje alata. Visoke sile rezanja i temperature tokom rezanja pojačavaju trenje između alata i strugotine, a materijal alata je sklon afinitetnim interakcijama sa materijalom radnog predmeta. U kombinaciji s prisutnošću tvrdih čestica u materijalu i teškim radnim otvrdnjavanjem, alat je vrlo podložan habanju ljepila, difuzijskom trošenju, abrazivnom trošenju, graničnom trošenju i trošenju utora tokom rezanja, što na kraju gubi sposobnost rezanja.
5) Teško rukovanje čipom. Visoka čvrstoća, plastičnost i žilavost ovog materijala rezultiraju upletenim strugotinama nalik na traku- tokom rezanja, što predstavlja opasnost po sigurnost, 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 tokom obrade lako dovode do termičke deformacije, što otežava garantovanje preciznih dimenzija i oblika.
(4) Šema obrade materijala Kako bi se osiguralo da sirovine mogu u potpunosti završiti tretman kaljenja i temperiranja, kovački zalogaj mora biti grubo-obrađen prije toplinske obrade kako bi se osiguralo da je debljina zida 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{1}}obrađeni oblik
2.2 Karakteristike procesa Ovaj dio ima nekoliko zahtjeva za visoko{1}}dimenzionalnim zahtjevima. Stabilan i pouzdan tok procesa mora biti dizajniran sveobuhvatnim razmatranjem svih parametara preciznih dimenzija kako bi se osigurao kvalitet proizvoda. Glavne precizne dimenzije dijela prikazane su na slici 4.
Slika 4: Glavne precizne dimenzije dijela
(1) Precizni spoljni prečnik Precizni spoljni prečnik na otvoru je mm, sa širinom zone tolerancije od samo 0,022 mm; veličina unutrašnje rupe je φ83,37 mm, što odgovara debljini zida od 2,81 mm. Ovaj zahtjev za tolerancijom dimenzija je strog, zid dijela je tanak, a poteškoća obrade je izuzetno visoka. (2) Precizna unutrašnja rupa: Precizna unutrašnja rupa ima prečnik φ mm i toleranciju od 0,04 mm. Zahtjev koaksijalnosti 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) Prošireni kosi otvor: Kao što je prikazano na slici 5, kosi otvor koji se nalazi na položaju uha dijela ima prečnik od mm i ugao od 45 stepeni u odnosu na os dijela. Prilikom obrade ove rupe, vreteno alatne mašine treba da se podesi pod uglom od 45 stepeni sa delom. Kako bi se izbjegle smetnje između alata i učvršćenja, potrebna je duga konstrukcija prepusta za alat za obradu, što je veliki izazov u obradi ovog dijela.
Slika 5: Prošireni kosi otvor i otvor za ležaj
(4) Rupa za ležaj: Kao što je prikazano na slici 5, otvor za ležaj na uhu ima prečnik od mm. Ova rupa se može obraditi samo sa lijeve krajnje strane dijela. Prepust alata je velik, a zahtjevi za tolerancijom prečnika su strogi, što otežava garantovanje tačnosti dimenzija. 2.3 Specijalni procesi
Pored gore navedenih zahtjeva obrade, ovaj dio zahtijeva nekoliko posebnih koraka obrade, i to:
1) Sačmarenje. Područje brizganja je vanjski promjer dijela, ali se mora izbjegavati dio vanjskog promjera s promjerom φmm. Strogo je zabranjeno pucanje unutrašnje rupe.
2) Hromiranje. Područje hromiranja je unutrašnja rupa promjera φmm. Debljina sloja hroma mora biti kontrolisana između 20 i 25 μm.
3) Kadmijum. Područje kadmijuma su sve površine osim područja hromiranja.
4) Slikarstvo. Područje za farbanje je vanjski prečnik dijela, ali se mora izbjegavati dio vanjskog promjera s promjerom φmm.
DIO 3
Dizajn procesa obrade preciznih cilindara aviona
Na osnovu analize svojstava materijala, preciznih dimenzija i posebnih procesa ovog cilindričnog dijela, plan procesa je prikazan u tabeli 3.
Tabela 3 Plan procesa
DIO 4
Verifikacija procesa obrade preciznih cilindara aviona
4.1 Završna obrada vanjskog prečnika uha
35CD4 materijal ima jaku adheziju, što otežava lomljenje strugotine tokom obrade. Kada se koriste niži parametri obrade, na čeonoj strani dijela pojavljuju se duboki tragovi rezanja, što rezultira poderanim izgledom površinskog materijala. Da bi se riješio ovaj problem, potrebno je podesiti vanjske parametre strojne obrade struganjem. Specifični parametri optimizacije prikazani su u Tabeli 4. Optimizacijom parametara eliminiraju se tragovi rezanja na krajnjoj strani dijela, obrađena krajnja strana je glatka, a kvalitet obrade ostaje dosljedan od centra do ruba. Optimizirano stanje krajnje površine prikazano je na slici 6.
Tabela 4 Optimizacija parametara tokarenja krajnje strane
Slika 6 Stanje dijela nakon završnog tokarenja krajnje površine
4.2 Precizno struganje vanjskog prečnika
14. CNC operacija tokarenja je ključni proces u obradi ovog dijela. Ova operacija koristi samocentrirajuću steznu glavu i središnji oslonac za podupiranje vanjskog promjera. Specifični zahtjevi obrade prikazani su na slici 7. Tolerancija preciznog vanjskog prečnika dijela je 0,024 mm, a obrada se mora izvoditi u tri faze. Specifični parametri obrade prikazani su u tabeli 5. Zbog visokog viskoziteta materijala potreban je oštar vanjski umetak za struganje. Poželjni radijus vrha umetka je R0,2 mm. Ako je radijus vrha umetka prevelik, zahtjevi za hrapavost površine dijela ne mogu se jamčiti.
Slika 7. Zahtjevi za CNC proces tokarenja Tabela 5. Optimizacija vanjskih parametara struganja Nakon završetka, vanjski promjer dijela je 88,85~88,89 mm, što premašuje zahtjeve crteža. Prije pronalaska korijenskog uzroka, jedini način da prilagodite veličinu je da ostavite marginu na vanjskom promjeru, a zatim ga ručno polirate. Nakon analize, zaobljenost vanjskog promjera koju podupire središnji oslonac tijekom stezanja imat će značajan utjecaj na rotacijski odstupak dijela [3]. Pod zahtjevima visoke preciznosti tolerancije, ovaj utjecaj je posebno izražen. Izmjeren je vanjski prečnik stezanja van{9}}od-tolerantnog dijela, a njegova zaobljenost je bila 0,020~0,035 mm, što je u osnovi konzistentno sa fluktuacijom van{13}}od-tolerancije vanjskog prečnika dijela. Za rješavanje ovog problema potrebno je optimizirati i ispraviti tehničke zahtjeve referentnog procesa. U procesu vanjskog tokarenja 11. procesa, jasno je potrebno da se zaobljenost vanjskog prečnika kontrolira unutar 0,01 mm. Specifični zahtjevi za poboljšanje prikazani su na slici 8. Nakon dodavanja zahtjeva za kontrolu zaobljenosti 11. procesu, dimenzionalna stabilnost tokarenja vanjskog promjera u 14. procesu je značajno poboljšana. Opseg fluktuacije vanjskog promjera smanjen je na 88,865–88,875 mm, a deformacija se mogla kontrolirati unutar 0,01 mm. Operater nije tražio nikakva lokalna podešavanja kako bi se osiguralo da tolerancija vanjskog promjera ispunjava zahtjeve. Testovi stabilnosti su potvrdili da jedan vrh reznog alata može stabilno da obrađuje četiri dela; međutim, tačnost dimenzija nije mogla biti zagarantovana nakon trošenja alata.
Slika 8: Zahtjevi za poboljšanje osnovnog procesa
4.3 Nagnuto poboljšanje donje površine unutrašnje rupe
Tokom CNC procesa tokarenja u 14. procesu pojavio se defekt obrade na dnu dijela, koji se manifestirao kao zaostalo izbočenje prečnika 1 mm i visine 0,3 mm, kao što je prikazano na slici 9. Početni plan obrade je bio korištenje ravnog-završnog glodala za uklanjanje donjeg viška, zatim korištenje alata velikog prečnika{5} za završno poravnavanje donju površinu. Prilikom uklanjanja donjeg dodatka pomoću glodala, otjecanje alata se mora kontrolirati unutar 0,01 mm. Međutim, zbog male kosine na dnu ravnog-završnog glodala, dno dijela se ne može strojno obrađivati u ravno stanje. Plosnato-završno glodalo je prikazano na slici 10.
Slika 9: Defekt dna
Slika 10: Ravni{1}}mrez
Da bi se riješio ovaj problem, šema obrade je optimizirana zamjenom dna sa glodalom za bušenje malog-promjera, kao što je prikazano na slici 11. Testovi obrade su pokazali da korištenje glodala za bušenje za bušenje dna u potpunosti eliminira defekt na glavi.
Slika 11: Dodati rezač za bušenje
4.4 Optimizacija unutrašnjeg tokarenja rupa
Tokom 14. CNC operacije tokarenja, unutrašnje bušenje otvora ostavlja 0,05 mm prostora na jednoj strani za naknadno brušenje. Međutim, nakon bušenja, u unutarnjoj rupi su se pojavili različiti kvalitetni nedostaci. Tipovi i proporcije defekata prikazani su u Tabeli 6. Ovi defekti predstavljaju značajan rizik za kasniji proces brušenja.
Tabela 6. Vrste i postoci kvarova
Analiza je otkrila tri glavna uzroka gore navedenih nedostataka: Prvo, promjer unutarnjeg alata za bušenje bio je premali, što je rezultiralo nedovoljnom krutošću alata i nestabilnim dimenzijama rupe nakon bušenja. Drugo, materijal je imao visok viskozitet, što je dovelo do nestabilnog rezanja i lošeg lomljenja strugotine kada se koriste tradicionalni parametri završne obrade, sa strugotinama koje se vrte okolo i grebu zid rupe. Treće, brzina rezanja je bila preniska, ne ispunjavajući zahtjeve za preciznost dimenzija i hrapavost površine.
Da bi se riješili ovi problemi, implementirane su sljedeće mjere optimizacije: Prvo, zamijenite alat za unutrašnje bušenje sa većim prečnikom kako biste poboljšali krutost alata; optimizirani alat za bušenje je prikazan na slici 12. Drugo, povećajte brzinu rezanja da biste povećali dubinu reza u završnoj obradi. Treće, optimizirajte unutrašnji sistem hlađenja kako biste omogućili tekućini za sečenje da direktno djeluje na vrh alata za bušenje. Poređenje optimizacija alata prikazano je u tabeli 7.
Slika 12 Optimizovani alat za bušenje
Tabela 7 Poređenje optimizacije alata
4.5 Optimizacija proširenog kosog otvora
U 13. operaciji, horizontalno glodanje proširene kosih rupa, početni plan je bio: korištenjem φ6mm produženog glodala za povećanje rupe na φ7,3mm, stvarni promjer rupe nakon obrade bio je 7,1~7,2mm, sa fluktuacijom dimenzija od 0,1mm; nakon podešavanja programa za mljevenje na φ7,5 mm, promjer rupe je bio 7,35~7,42 mm, a fluktuacija je smanjena na 0,07 mm; konačno, za završnu obradu korišten je razvrtač s ravnim drškom, promjer rupe je bio 7,62~7,69 mm, a dimenzije su bile izuzetno nestabilne.
U prvoj optimizaciji, razvrtač je zamijenjen alatom za bušenje, a promjer rupe nakon obrade bio je 7,60~7,72 mm, što je premašilo zahtjeve tolerancije i uzrokovalo je otpad. Konačni optimizirani plan je bio: korištenjem glodala promjenjivog -promjera 7 mm za glodanje kosih rupa, brzina prolaznosti obrađenih dijelova dostigla je 100%. Alat za proširenu obradu kosih rupa prikazan je na slici 13.
a) Završna glodalica s ravnim drškom b) Razvijač s ravnim drškom c) Rezač za bušenje d) Krajnja glodalica promjenjivog promjera Slika 13 Alati za obradu proširenih kosih rupa
4.6 Poboljšanje obrade rupa ležaja
U 13. procesu obrade rupe ležaja, zahtjev za promjerom rupe je mm. Početni plan je bio: koristiti završnu glodalicu φ20mm za glodanje do φ34,4mm, a zatim koristiti rezač za bušenje za bušenje do gotove veličine. Međutim, nakon strojne obrade, na zidu rupe su se pojavile mrlje vibracija koje se nisu mogle riješiti nakon višestrukih podešavanja parametara. Alati za obradu prikazani su na slici 14.
a) Rezač za bušenje b) Završno glodalo Slika 14 Alati za obradu rupa za ležajeve
4.7 Utjecaj sačmarenja na dijelove
Početni plan precizne obrade rupa bio je: CNC tokarenje precizno bušenje unutrašnje rupe sa dodatkom od 0,05 mm na jednoj strani, honovanje kako bi se osigurala tolerancija prečnika rupe od 0,02 mm i cilindričnost od 0,02 mm, i na kraju mehaničko pravljenje spoljašnjeg prečnika dela. Međutim, sačmarenje je uzrokovalo deformaciju unutrašnje rupe dijela, s povećanjem promjera za 0,015-0,025 mm u aksijalnom središnjem položaju. Neki dijelovi su premašili gornju granicu tolerancije i rashodovani su.
Da bi se riješio ovaj problem, redoslijed procesa je prilagođen nakon konsultacija s kupcem, postavljanjem hona nakon mjenjanja. Deformacija unutrašnje rupe nakon mjehura je bila približno 0,025 mm, što je u potpunosti pokriveno jednostranim dodatkom od 0,05 mm -rezerviranim za brušenje. Nakon podešavanja, tolerancija unutrašnjeg prečnika rupe nakon honovanja mogla se kontrolisati unutar 0,010 mm, a cilindričnost unutar 0,015 mm, ispunjavajući zahtjeve za crtanje. Uticaj sačmarenja na unutrašnju rupu prikazan je u tabeli 8.
Tabela 8. Utjecaj sačmarenja na kontrolu unutrašnje rupe (jedinica: mm)
DIO 5
Zaključak
Kroz više krugova optimizacije i poboljšanja tokom faze verifikacije obrade, ovaj vazdušni precizni cilindrični deo konačno je postigao stabilnu masovnu proizvodnju. Tradicionalno iskustvo obrade više nije primjenjivo na poteškoće obrade 35CD4 materijala. Više mjera, kao što su optimizacija procesa, optimizacija odabira alata i optimizacija parametara obrade, potrebne su za prevazilaženje izazova obrade [4]. 35CD4 visoke-čelik visoke čvrstoće ima odlične performanse, ali također donosi veće izazove obrade. U stvarnoj proizvodnji potrebno je posebno odabrati modele alata i formulirati razumne parametre obrade. Sa razvojem novih tehnologija obrade, poteškoće obrade tako-teških-materijala će se postepeno smanjivati, a relevantno iskustvo obrade potrebno je kontinuirano sažimati i akumulirati. Osim toga, proces brizganja ima nepovratan utjecaj na precizne dimenzije dijelova, što ukazuje da je projektiranje procesa sistematski projekt. Aranžman procesa treba da prati logička pravila i da u potpunosti uzme u obzir međusobni uticaj između svakog procesa kako bi se formulisao naučni i razuman plan obrade [5], i postigla efikasna proizvodnja uz obezbeđivanje kvaliteta proizvoda.
