35CD4 didelio stiprumo -plienas plačiai naudojamas tiksliose cilindrinėse erdvėlaivių dalyse dėl puikių eksploatacinių savybių, tačiau jis turi techninių sunkumų, tokių kaip didelis kietumas, didelis pjovimo sunkumas, lengva plonasienių dalių deformacija ir griežti tolerancijos reikalavimai. Reaguojant į šiuos techninius sunkumus, sujungus medžiagų charakteristikas su detalių tikslumo matmenimis ir specialiais proceso reikalavimais, buvo suformuluota liesa apdirbimo schema, apimanti kelis procesus. Apdirbimo procese optimizavus pagrindinių grandžių, tokių kaip išorinis tekinimas, vidinis gręžimas, įstrižų skylių ir guolio skylių apdirbimas, parametrus ir įrankius bei koreguojant šratinio šlifavimo ir šlifavimo seką, buvo išspręstos tokios problemos kaip apdirbimo deformacija ir matmenų nuokrypis. Galiausiai buvo pasiekta stabili masinė dalių gamyba, o atitinkamas procesas gali būti atskaitos taškas, skirtas tiksliai apdirbti sunkiai{7}}pjaunamų medžiagų{8}} dalis.
1 DALIS
Įvadas
Aviacijos ir kosmoso įrangos eksploatacinių savybių proveržis labai priklauso nuo pagrindinių komponentų apdirbimo tikslumo ir patikimumo[1]. Didelio -stiprumo plienas 35CD4 tapo idealia medžiaga tikslioms cilindrinėms erdvėlaivių dalims dėl savo puikių savybių, pvz., didelio stiprumo ir didelio grūdinimo. Tačiau didelė šios medžiagos pjovimo jėga ir didelis polinkis sukietėti, kartu su netaisyklinga forma ir lengvai deformuojama bei griežtais cilindrinių dalių matmenų nuokrypiais kelia didelį iššūkį tradiciniams apdirbimo procesams.
Siekiant įveikti šį gamybos iššūkį, šiame darbe daugiausia dėmesio skiriama 35CD4 medžiagų savybėms ir cilindrinių dalių proceso reikalavimams bei atliekami lieso apdirbimo procesų tyrimai. Taikant daugybę priemonių, įskaitant proceso projektavimo optimizavimą, įrankių parinkimo tobulinimą ir apdirbimo parametrų koregavimą, buvo sistemingai sprendžiamos pagrindinės problemos, tokios kaip apdirbimo deformacija ir matmenų nuokrypiai, todėl buvo sukurtas stabilus ir patikimas masinės gamybos sprendimas.
Šiame darbe sistemingai apžvelgiamos šios technologijos mokslinių tyrimų ir plėtros idėjos bei tikrinimo procesas, siekiant pateikti technines nuorodas panašių aviacijos ir kosmoso tiksliųjų dalių apdirbimui.
2 DALIS
Orlaivių ir erdvės tiksliųjų cilindrinių dalių proceso charakteristikos
Tam tikra mūsų įmonės gaminama aviacijos ir erdvės precizinė cilindrinė dalis yra pagaminta iš 35CD4, o jos forma parodyta 1 paveiksle. Ši dalis yra netaisyklingos formos detalė, jos ypatinga konstrukcija yra linkusi deformuotis, o sienelės storis palyginti plonas. Griežtai reikalaujama vidinės skylės ir išorinio apskritimo leistinų nuokrypių, guolio anga ties antgaliu yra tiksli anga, o detalės viduje yra įstrižos skylės, todėl sunku valdyti susijusius matmenų nuokrypius. Šios cilindrinės dalies technologinės charakteristikos daugiausia atsispindi šiuose aspektuose.
1 pav. Cilindrinės dalies išorinė forma
2.1 Medžiagos charakteristikos
(1) Metalinės charakteristikos
35CD4 didelio -stiprumo legiruotasis plienas yra plačiai naudojamas vidutinio-anglies nikelio-chromo-molibdeno plienas aviacijos ir kosmoso pramonėje. Jo cheminė sudėtis parodyta 1 lentelėje. Palyginti su kitais metalais, šis plienas turi unikalių cheminių, fizinių ir mechaninių savybių pranašumų.
1 lentelė. 35CD4 lydinio elementai ir parametrai (cheminė sudėtis)
(2) 35CD4 medžiagos charakteristikos
Iš esmės įtraukite šiuos keturis punktus:
① Didelis stiprumas. Kadangi tai mažai -anglies, mažai{2}}legiruotas plienas, jo stiprumas didesnis nei-nelegiruotojo plieno, todėl jis vadinamas „mažo-legiruoto didelio-stiprumo plienu“.
② Didelė takumo riba. Jo takumo riba yra aukštesnė nei -legiruotojo plieno. Esant tokiai pat apkrovai, dalių, pagamintų iš šios medžiagos, svoris gali būti sumažintas 20–30%.
③ Geras plastiškumas ir tvirtumas. Lydinių elementų dalis yra palyginti maža, todėl medžiaga turi gerą plastiškumą ir tvirtumą. ④ Didelis grūdinimas. Lydinio sudėtyje yra tokių elementų kaip nikelis, chromas ir molibdenas, kurie gali išlaikyti labai stabilų peršaldytą plieno austenitą. Martensito ir bainito struktūras galima gauti gesinant oru.
(3) Medžiagų apdorojimo charakteristikos. Ši medžiaga paprastai turi dvi terminio apdorojimo būsenas: normalizavimą + grūdinimą ir grūdinimą + grūdinimą. Šias dvi būsenas atitinkantis kietumas parodytas 2 lentelėje.
2 lentelė Medžiagos kietumas
Kaip matyti iš 2 lentelės, šios medžiagos kietumas ir atsparumas tempimui yra aukšti. Jame taip pat gausu tokių elementų kaip chromas ir manganas. Šie veiksniai kartu apsunkina apdorojimą ir yra tipiška sunkiai-apdorojama-medžiaga. Konkretūs apdorojimo sunkumai yra tokie:
1) Didelė pjovimo jėga. Medžiaga turi didelį kietumą ir stiprumą, didelį atominį tankį ir sukibimo jėgą, puikų atsparumą lūžiams ir ilgalaikį -plastiškumą. Pjovimo proceso metu ne tik didelė pjovimo jėga, bet ir pjovimo jėga labai svyruoja [2].
2) Aukšta pjovimo temperatūra. Pjovimo deformacija sunaudoja daug energijos ir išskiria daug šilumos. Didelis pjovimo šilumos kiekis sukoncentruojamas pjovimo zonoje, todėl susidaro aukštos-temperatūros aplinka.
3) Didelis polinkis į darbo grūdinimąsi. Medžiaga pasižymi geru plastiškumu ir kietumu, su dideliu stiprinimo koeficientu. Dėl bendros pjovimo jėgos ir pjovimo karščio poveikio jis patiria stiprią plastinę deformaciją, dėl kurios kietėja. Tuo pačiu metu pjovimo šiluma medžiaga sugeria vandenilio, deguonies ir azoto atomus iš aplinkinės terpės, sudarydama kietą ir trapų paviršiaus sluoksnį, o tai dar labiau apsunkina pjovimą.
4) Didelis įrankių susidėvėjimas. Didelės pjovimo jėgos ir temperatūra pjovimo metu sustiprina trintį tarp įrankio ir drožlių, o įrankio medžiaga yra linkusi į afinitetinę sąveiką su ruošinio medžiaga. Kartu su kietomis medžiagoje esančiomis dalelėmis ir dideliu sukietėjimu, įrankis labai jautrus klijų dilimui, difuziniam dilimui, abrazyviniam nusidėvėjimui, kraštų dilimui ir griovelių dilimui pjovimo metu, todėl galiausiai praranda pjovimo galimybes.
5) Sunkus lustų valdymas. Dėl didelio medžiagos stiprumo, plastiškumo ir kietumo pjovimo metu susidaro juostelės{2}}kaip susipainioję drožlės, kurios kelia pavojų saugai, trukdo pjovimo procesui ir įbrėžia dalies paviršių, todėl sunku laikytis paviršiaus šiurkštumo reikalavimų.
6) Didelė pjovimo deformacija. Aukšta pjovimo temperatūra ir didelis medžiagos plastiškumas apdirbimo metu lengvai sukelia šiluminę deformaciją, todėl sunku garantuoti tikslius matmenis ir formas.
(4) Medžiagų apdorojimo schema Siekiant užtikrinti, kad žaliavos galėtų visiškai užbaigti grūdinimo ir grūdinimo procesą, kalimo ruošinį prieš terminį apdorojimą reikia šiurkščiai apdirbti, kad būtų užtikrintas kiekvieno skerspjūvio sienelės storis{2}}<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.
2 paveikslas: tuščia
3 pav. Neapdorota{1}}apdirbta forma
2.2 Proceso charakteristikos Šiai daliai keliami keli dideli{1}}tikslumo matmenų reikalavimai. Siekiant užtikrinti gaminio kokybę, turi būti sukurtas stabilus ir patikimas proceso srautas, visapusiškai įvertinus visus tikslius matmenų parametrus. Pagrindiniai detalių tikslumo matmenys pateikti 4 pav.
4 pav. Pagrindiniai detalių tikslumo matmenys
(1) Tikslus išorinis skersmuo Tikslus išorinis skersmuo prie jungties yra mm, o tolerancijos zonos plotis yra tik 0,022 mm; vidinės skylės dydis yra φ83,37 mm, o tai atitinka 2,81 mm sienelės storį. Šis matmenų tolerancijos reikalavimas yra griežtas, detalės sienelė yra plona, o apdirbimo sunkumas yra labai didelis. (2) Tiksli vidinė anga: tikslios vidinės angos skersmuo yra φ mm, o nuokrypis yra 0,04 mm. Šios vidinės skylės koaksialumo reikalavimas išorinio apskritimo atžvilgiu yra φ0,04 mm, cilindriškumo reikalavimas yra φ0,02 mm, o skylės gylis yra 287,5 mm.
(3) Išplėstinė pasvirusi anga: kaip parodyta 5 paveiksle, dalies ausies padėtyje esančios nuožulnios angos skersmuo yra mm, o jos kampas su detalės ašimi yra 45 laipsnių. Apdirbant šią skylę, staklių suklį su detale reikia sureguliuoti 45 laipsnių kampu. Norint išvengti trukdžių tarp įrankio ir tvirtinimo įtaiso, apdirbimo įrankiui reikalinga ilga iškyšos konstrukcija, o tai yra pagrindinis iššūkis apdirbant šią dalį.
5 pav.: Prailginta nuožulni anga ir guolio anga
(4) Guolių anga: kaip parodyta 5 paveiksle, guolio anga prie ausies yra mm skersmens. Šią skylę galima apdirbti tik iš kairiojo detalės galinio paviršiaus. Įrankio iškyša yra didelė, o skersmens tolerancijos reikalavimas yra griežtas, todėl sunku užtikrinti matmenų tikslumą. 2.3 Specialūs procesai
Be pirmiau minėtų apdorojimo reikalavimų, šiai daliai reikia atlikti keletą specialių apdorojimo etapų:
1) Šratų šveitimas. Smūgio plotas yra išorinis detalės skersmuo, tačiau reikia vengti išorinio skersmens dalies, kurios skersmuo φmm. Griežtai draudžiama šratyti vidinę angą.
2) Chromavimas. Chromavimo sritis yra vidinė skylė, kurios skersmuo yra φmm. Chromo sluoksnio storis turi būti kontroliuojamas nuo 20 iki 25 μm.
3) Dengimas kadmiu. Kadmiu padengtas plotas yra visi paviršiai, išskyrus chromavimo sritį.
4) Tapyba. Dažymo sritis yra išorinis detalės skersmuo, tačiau reikia vengti išorinio skersmens dalies, kurios skersmuo yra φmm.
3 DALIS
Orlaivio tikslaus cilindro apdirbimo proceso projektavimas
Remiantis šios cilindro dalies medžiagų savybių, tikslumo matmenų ir specialių procesų analize, proceso planas pateiktas 3 lentelėje.
3 lentelė Proceso planas
4 DALIS
Orlaivio precizinio cilindro apdirbimo proceso patikra
4.1 Ausies išorinio skersmens apdaila
35CD4 medžiaga pasižymi stipriu sukibimu, todėl apdirbimo metu drožlių lūžimas yra sunkus. Naudojant žemesnius apdirbimo parametrus, detalės galiniame paviršiuje atsiranda gilių pjovimo žymių, dėl kurių paviršiaus medžiaga įplyšta. Norint išspręsti šią problemą, reikia pakoreguoti išorinius tekinimo apdirbimo parametrus. Konkretūs optimizavimo parametrai pateikti 4 lentelėje. Optimizavus parametrus, pašalinamos pjovimo žymės ant detalės galinio paviršiaus, apdirbtas galas yra lygus, o apdirbimo kokybė išlieka vienoda nuo centro iki krašto. Optimizuota galinio paviršiaus būsena parodyta 6 paveiksle.
4 lentelė Galinio paviršiaus tekinimo parametrų optimizavimas
6 pav. Dalies būsena po galinio paviršiaus apdailos tekinimo
4.2 Tikslus išorinio skersmens tekinimas
14-oji CNC tekinimo operacija yra pagrindinis šios dalies apdirbimo procesas. Atliekant šią operaciją naudojamas savaime-centruojantis griebtuvas ir centrinė atrama išoriniam skersmeniui palaikyti. Konkretūs apdirbimo reikalavimai parodyti 7 paveiksle. Tikslioji detalės išorinio skersmens tolerancija yra 0,024 mm, apdirbimas turi būti atliekamas trimis etapais. Konkretūs apdirbimo parametrai pateikti 5 lentelėje. Dėl didelio medžiagos klampumo reikalingas aštrus išorinis tekinimo įdėklas. Pageidautinas įdėklo antgalio spindulys yra R0,2 mm. Jei įdėklo antgalio spindulys yra per didelis, detalės paviršiaus šiurkštumo reikalavimai negali būti garantuoti.
7 pav. Reikalavimai CNC tekinimo procesui 5 lentelė Išorinių tekinimo parametrų optimizavimas Po apdailos detalės išorinis skersmuo yra 88,85~88,89 mm, o tai viršija brėžinio reikalavimus. Prieš nustatant pagrindinę priežastį, vienintelis būdas pakoreguoti dydį – palikti paraštę ant išorinio skersmens ir rankiniu būdu nupoliruoti. Atlikus analizę, išorinio skersmens apvalumas, paremtas centrine atrama suspaudimo metu, turės didelės įtakos detalės sukimosi eigai [3]. Pagal aukštus tikslumo tolerancijos reikalavimus šis poveikis yra ypač ryškus. Išmatuotas išorinis užveržimo-ne{10}}tolerancijos skersmuo, o jos apvalumo pokytis buvo 0,020–0,035 mm, o tai iš esmės atitinka detalės išorinio skersmens svyravimus. Norint išspręsti šią problemą, būtina optimizuoti ir koreguoti techninius etaloninio proceso reikalavimus. 11-ojo proceso išoriniame tekinimo procese aiškiai reikalaujama, kad išorinio skersmens apvalumas būtų kontroliuojamas 0,01 mm. Konkretūs tobulinimo reikalavimai parodyti 8 paveiksle. 11-ąjį procesą papildžius apvalumo kontrolės reikalavimais, 14-ame procese tekinimo išorinio skersmens matmenų stabilumas žymiai pagerėjo. Išorinio skersmens svyravimo diapazonas buvo sumažintas iki 88,865–88,875 mm, o deformaciją buvo galima kontroliuoti 0,01 mm. Norint užtikrinti, kad išorinio skersmens leistinoji nuokrypa atitiktų reikalavimus, operatoriaus atlikti nereikėjo jokių vietinių koregavimų. Stabilumo bandymai patvirtino, kad vienas pjovimo įrankio antgalis gali stabiliai apdirbti keturias dalis; tačiau matmenų tikslumas negalėjo būti garantuotas po įrankio susidėvėjimo.
8 pav. Pradinio proceso tobulinimo reikalavimai
4.3 Lieknas vidinės skylės apatinio paviršiaus patobulinimas
CNC tekinimo proceso metu 14 procese detalės apačioje atsirado apdirbimo defektas, pasireiškęs kaip 1 mm skersmens ir 0,3 mm aukščio liekamasis įdubimas, kaip parodyta 9 paveiksle. Pradinis apdirbimo planas buvo naudoti plokščią -galinį frezą, kad būtų pašalintas dugno perteklius, tada naudojant didelį- gręžimo įrankį ir skersmuo paviršių. Nuimant dugno priedą naudojant frezą, įrankio nutekėjimas turi būti kontroliuojamas 0,01 mm tikslumu. Tačiau dėl mažo nuožulnumo plokščio-galinio frezavimo apačioje, detalės apačios negalima apdirbti iki plokščios būsenos. Plokščia{11}}galinė freza parodyta 10 paveiksle.
9 pav. Apačios defektas
10 pav. Plokščiasis{1}}galinis frezavimas
Siekiant išspręsti šią problemą, apdirbimo schema buvo optimizuota pakeitus dugną mažo-skersmens gręžtuvu, kaip parodyta 11 paveiksle. Apdirbimo bandymai parodė, kad naudojant gręžtuvą dugnui išgręžti, įdubos defektas buvo visiškai pašalintas.
11 pav.: Pridėtas gręžtuvas
4.4 Vidinės skylės tekinimo optimizavimas
Atliekant 14-ąją CNC tekinimo operaciją, vidinės skylės gręžimas vienoje pusėje palieka 0,05 mm priedą, kad būtų galima vėliau šlifuoti. Tačiau po gręžimo vidinėje skylėje atsirado įvairių kokybės defektų. Defektų tipai ir proporcijos pateikti 6 lentelėje. Šie defektai kelia didelį pavojų tolesniam šlifavimo procesui.
6 lentelė. Defektų tipai ir procentai
Analizė atskleidė tris pagrindines minėtų defektų priežastis: Pirma, vidinio gręžimo įrankio skersmuo buvo per mažas, dėl to įrankis buvo nepakankamas standumas ir nestabilūs skylės matmenys po gręžimo. Antra, medžiaga turėjo didelį klampumą, todėl naudojant tradicinius apdailos parametrus pjovimas buvo nestabilus ir prastai lūžta, kai drožlės sukasi aplinkui ir subraižo skylės sienelę. Trečia, pjovimo greitis buvo per mažas, todėl neatitiko detalės matmenų tikslumo ir paviršiaus šiurkštumo reikalavimų.
Siekiant išspręsti šias problemas, buvo įgyvendintos šios optimizavimo priemonės: Pirma, pakeiskite vidinį gręžimo įrankį didesnio skersmens įrankiu, kad pagerintumėte įrankio standumą; optimizuotas gręžimo įrankis parodytas 12 paveiksle. Antra, padidinkite pjovimo greitį, kad padidintumėte pjovimo gylį apdailos metu. Trečia, optimizuokite vidinę aušinimo sistemą, kad pjovimo skystis galėtų tiesiogiai veikti gręžimo įrankio antgalį. Įrankio optimizavimo palyginimas parodytas 7 lentelėje.
12 pav. Optimizuotas gręžimo įrankis
7 lentelė Įrankio optimizavimo palyginimas
4.5 Išplėstinės nuožulnios skylės optimizavimas
Atliekant 13 operaciją, horizontaliai frezuojant išplėstą nuožulnią skylę, pradinis planas buvo toks: naudojant φ6 mm prailgintą frezą, kad būtų padidinta skylė iki φ7,3 mm, tikrasis skylės skersmuo po apdirbimo buvo 7,1–7,2 mm, matmenų svyravimas 0,1 mm; sureguliavus programą frezuoti iki φ7,5 mm, skylės skersmuo buvo 7,35–7,42 mm, o svyravimas sumažintas iki 0,07 mm; galiausiai apdailai buvo panaudotas tiesių kotų slankiklis, skylės skersmuo buvo 7,62–7,69 mm, o matmenys buvo labai nestabilūs.
Pirmojo optimizavimo metu slankiklis buvo pakeistas gręžimo įrankiu, o skylės skersmuo po apdirbimo buvo 7,60–7,72 mm, viršijant tolerancijos reikalavimus ir dėl to dalis buvo pašalinta. Galutinis optimizuotas planas buvo toks: naudojant 7 mm skersmens kintamo-skersmens frezą pasvirusių skylių frezavimui, apdirbtų dalių pralaidumas pasiekė 100%. Išplėstinės pasvirosios skylės apdirbimo įrankis parodytas 13 pav.
a) Tiesaus koto galinis frezas b) Tiesaus koto slankiklis c) Gręžimo pjaustytuvas d) Kintamo skersmens galinis frezas 13 pav. Prailgintų įstrižų skylių apdirbimo įrankiai
4.6 Guolių skylių apdirbimo tobulinimas
13-ame guolio angos apdirbimo procese angos skersmens reikalavimas yra mm. Pradinis planas buvo toks: naudokite φ20 mm galinį frezą, kad išfreztumėte iki φ34,4 mm, o tada gręžtuvu išgręžkite iki gatavo dydžio. Tačiau po apdirbimo ant skylės sienelės atsirado vibracijos žymės, kurių nepavyko pašalinti po kelių parametrų koregavimų. Apdirbimo įrankiai parodyti 14 pav.
a) Gręžimo freza b) Galinis frezas 14 pav. Guolio angų apdirbimo įrankiai
4.7. Srautinio įdubimo poveikis detalėms
Pradinis tikslaus skylės apdirbimo planas buvo toks: CNC tekinimo tikslumas vidinės skylės gręžimas su 0,05 mm nuolaida vienoje pusėje, šlifavimas, kad būtų užtikrintas 0,02 mm skylės skersmens tolerancija ir 0,02 mm cilindriškumas, ir galiausiai detalės išorinio skersmens šratavimas. Tačiau šratų nuplėšimas sukėlė detalės vidinės skylės deformaciją, skersmeniui padidėjus 0,015–0,025 mm ašinio centro padėtyje. Kai kurios dalys viršijo viršutinę tolerancijos ribą ir buvo pašalintos.
Siekiant išspręsti šią problemą, pasikonsultavus su užsakovu buvo pakoreguota procesų seka, atliekant šlifavimą po šratinio šlifavimo. Vidinės skylės deformacija po šratinio šlifavimo buvo maždaug 0,025 mm, kurią visiškai uždengė šlifavimui skirta 0,05 mm vienpusė anga. Po reguliavimo vidinio skylės skersmens nuokrypis po šlifavimo gali būti kontroliuojamas 0,010 mm, o cilindriškumas - 0,015 mm, atitinkantis brėžinio reikalavimus. Šratų įpurškimo įtaka vidinei skylei parodyta 8 lentelėje.
8 lentelė Šūvių įtaka vidinės skylės valdymui (vienetas: mm)
5 DALIS
Išvada
Per kelis optimizavimo ir tobulinimo etapus apdorojimo patikrinimo etape ši aviacijos ir erdvės tikslumo cilindrinė dalis galiausiai pasiekė stabilią masinę gamybą. Tradicinė apdorojimo patirtis nebetaikoma esant 35CD4 medžiagos apdorojimo sunkumams. Norint įveikti apdorojimo iššūkius, reikalingos kelios priemonės, pvz., proceso optimizavimas, įrankių pasirinkimo optimizavimas ir apdorojimo parametrų optimizavimas [4] . 35CD4 didelio stiprumo-plienas pasižymi puikiomis savybėmis, tačiau jis taip pat kelia didesnius apdorojimo iššūkius. Realioje gamyboje būtina specialiai parinkti įrankių modelius ir suformuluoti pagrįstus apdirbimo parametrus. Tobulėjant naujoms apdirbimo technologijoms, tokių sunkiai{10}}apdorojamų-medžiagų apdorojimo sunkumai palaipsniui mažės, todėl reikia nuolat apibendrinti ir kaupti atitinkamą apdorojimo patirtį. Be to, šveitimo procesas turi negrįžtamą įtaką detalių tikslumo matmenims, o tai rodo, kad proceso projektavimas yra sistemingas projektas. Proceso išdėstymas turi atitikti logines taisykles ir visapusiškai atsižvelgti į kiekvieno proceso abipusę įtaką, kad būtų sudarytas mokslinis ir pagrįstas perdirbimo planas [5] ir būtų pasiekta efektyvi gamyba, kartu užtikrinant produkto kokybę.
