فولاد با استحکام بالا 35CD4 به دلیل عملکرد عالی به طور گسترده در قطعات استوانه ای دقیق هوافضا استفاده می شود، اما دارای مشکلات فنی مانند سختی بالا، سختی برش بالا، تغییر شکل آسان قطعات نازک- و الزامات تحمل سخت است. در پاسخ به این مشکلات فنی، یک طرح ماشینکاری ناب که فرآیندهای متعدد را پوشش میدهد با ترکیب ویژگیهای مواد با ابعاد دقیق و الزامات فرآیند ویژه قطعات فرموله شد. با بهینه سازی پارامترها و ابزارهای پیوندهای کلیدی مانند تراش خارجی، حفره داخلی، حفره مایل و حفره یاتاقان در فرآیند ماشینکاری و تنظیم توالی شات پینینگ و هونینگ، مشکلاتی مانند تغییر شکل ماشینکاری و انحراف ابعادی حل شد. در نهایت، تولید انبوه پایدار قطعات به دست آمد، و فرآیند مربوطه میتواند مرجعی برای ماشینکاری قطعات دقیق مواد برش سخت-- باشد.
قسمت 1
مقدمه
پیشرفت عملکرد تجهیزات هوافضا به شدت به دقت ماشینکاری و قابلیت اطمینان اجزای اصلی بستگی دارد[1]. فولاد با استحکام بالا 35CD4 به دلیل ویژگیهای عالی مانند استحکام بالا و سختشدگی بالا، به یک ماده ایدهآل برای قطعات استوانهای دقیق هوافضا تبدیل شده است. با این حال، نیروی برش بالا و تمایل سخت کاری قابل توجه این ماده، همراه با شکل نامنظم و به راحتی قابل تغییر شکل، و تحمل ابعادی دقیق قطعات استوانهای، چالش قابل توجهی را برای فرآیندهای ماشینکاری سنتی ایجاد میکند.
برای غلبه بر این چالش تولید، این مقاله بر روی خواص مواد 35CD4 و الزامات فرآیند قطعات استوانهای تمرکز میکند و تحقیقاتی را در مورد فرآیندهای ماشینکاری ناب انجام میدهد. از طریق یک سری اقدامات، از جمله بهینه سازی طراحی فرآیند، بهبود انتخاب ابزار، و تنظیم پارامترهای ماشینکاری، مسائل کلیدی مانند تغییر شکل ماشینکاری و انحرافات ابعادی به طور سیستماتیک حل شد، که منجر به یک راه حل تولید انبوه پایدار و قابل اعتماد شد.
این مقاله به طور سیستماتیک ایدههای تحقیق و توسعه و فرآیند تأیید این فناوری را بررسی میکند، با هدف ارائه مرجع فنی برای ماشینکاری قطعات دقیق هوافضا مشابه.
قسمت 2
ویژگی های فرآیند قطعات استوانه ای دقیق هوافضا
یک قطعه استوانه ای دقیق هوافضا تولید شده توسط شرکت ما از 35CD4 ساخته شده است و شکل آن در شکل 1 نشان داده شده است. تلورانس ها برای سوراخ داخلی و دایره بیرونی به شدت مورد نیاز است، سوراخ یاتاقان در لوگ یک سوراخ دقیق است و قسمت دارای سوراخ های مورب در داخل است که کنترل تلورانس های ابعادی مرتبط را دشوار می کند. ویژگی های تکنولوژیکی این قسمت استوانه ای عمدتاً در جنبه های زیر منعکس می شود.
شکل 1. شکل خارجی قسمت استوانه ای
2.1 ویژگی های مواد
(1) ویژگی های فلزی
فولاد آلیاژی با استحکام بالا 35CD4 یک فولاد آلیاژی با استحکام بالا است که معمولاً در صنعت هوافضا استفاده میشود. ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 نشان داده شده است. در مقایسه با سایر فلزات، این فولاد دارای مزایای منحصر به فردی در خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی است.
جدول 1. عناصر آلیاژی و پارامترهای 35CD4 (ترکیب شیمیایی)
(2) مشخصات مواد 35CD4
به طور عمده شامل چهار نکته زیر است:
① استحکام بالا از آنجایی که این فولاد کم-کربن و کم آلیاژ-است، استحکام بالاتری نسبت به فولاد غیرآلیاژی دارد، بنابراین به آن "فولاد کم آلیاژ- کم آلیاژ-می گویند."
② قدرت تسلیم بالا. نقطه تسلیم آن بالاتر از فولاد غیر آلیاژی است. تحت همین بار، وزن قطعات ساخته شده از این ماده را می توان 20٪ تا 30٪ کاهش داد.
③ انعطاف پذیری و چقرمگی خوب. نسبت عناصر آلیاژی نسبتاً کم است و به مواد هم انعطاف پذیری و هم چقرمگی خوبی می بخشد. ④ سختی پذیری بالا. ترکیب آلیاژ حاوی عناصری مانند نیکل، کروم و مولیبدن است که می تواند آستنیت فوق سرد فولاد را بسیار پایدار نگه دارد. ساختارهای مارتنزیت و بینیت را می توان با کوئنچ هوا به دست آورد.
(3) ویژگی های پردازش مواد. این ماده به طور کلی دارای دو حالت عملیات حرارتی است: نرمال کردن + تمپر کردن و خاموش کردن + تمپر. سختی مربوط به این دو حالت در جدول 2 نشان داده شده است.
جدول 2 سختی مواد
همانطور که از جدول 2 مشاهده می شود، سختی و استحکام کششی این ماده هر دو در سطح بالایی قرار دارند. همچنین سرشار از عناصری مانند کروم و منگنز است. این عوامل در کنار هم پردازش آن را دشوار میکنند و ماشینکاری-{4}}معمولاً مشکل است. مشکلات خاص پردازش به شرح زیر است:
1) نیروی برش بالا. این ماده دارای سختی و استحکام بالا، چگالی اتمی و نیروی پیوند بالا، چقرمگی شکست عالی و پلاستیسیته- طولانی مدت است. در طول فرآیند برش، نه تنها نیروی برش زیاد است، بلکه نیروی برش نیز به طور قابل توجهی در نوسان است [2].
2) دمای برش بالا. تغییر شکل برش انرژی زیادی مصرف می کند و گرمای زیادی تولید می کند. مقدار زیادی گرمای برش در ناحیه برش متمرکز می شود و محیطی با دمای{3} بالا تشکیل می دهد.
3) تمایل زیاد برای سخت کاری. این ماده دارای انعطاف پذیری و چقرمگی خوبی است و ضریب استحکام بالایی دارد. تحت تأثیر ترکیب نیروی برش و حرارت برش، تغییر شکل پلاستیکی شدیدی را تجربه می کند که منجر به سخت شدن کار می شود. به طور همزمان، برش گرما باعث می شود که ماده اتم های هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن را از محیط اطراف جذب کند و یک لایه سطحی سخت و شکننده را تشکیل دهد و دشواری برش را بیشتر کند.
4) سایش شدید ابزار. نیروهای برشی و دماهای بالا در حین برش اصطکاک بین ابزار و تراشه ها را تشدید می کند و مواد ابزار مستعد برهمکنش های میل ترکیبی با مواد قطعه کار است. همراه با وجود ذرات سخت در مواد و سخت شدن شدید کار، این ابزار به شدت مستعد سایش چسب، سایش انتشار، سایش ساینده، سایش مرزی و سایش شیاردار در حین برش است و در نهایت توانایی برش خود را از دست می دهد.
5) کنترل تراشه دشوار است. استحکام، پلاستیسیته و چقرمگی بالای این ماده منجر به ایجاد تراشههای-روبان مانند، درهم تنیده در حین برش، ایجاد خطرات ایمنی، مانع از فرآیند برش و ایجاد خراش در سطح قطعه میشود که برآوردن الزامات زبری سطح را دشوار میکند.
6) تغییر شکل برش بزرگ. دمای برش بالا و انعطاف پذیری بالای مواد در حین ماشینکاری به راحتی منجر به تغییر شکل حرارتی می شود و تضمین ابعاد و اشکال دقیق را دشوار می کند.
(4) طرح پردازش مواد برای اطمینان از اینکه مواد خام میتوانند به طور کامل عملیات خاموش کردن و تمپر کردن را کامل کنند، باید قبل از عملیات حرارتی، روکش آهنگری خشن-تراشیده شود تا اطمینان حاصل شود که ضخامت دیواره هر مقطع-قطع است.<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.
شکل 2: خالی
شکل 3: شکل ماشینی ناهموار-
2.2 ویژگی های فرآیند این بخش دارای چندین نیاز ابعادی{1}}دقت بالا است. یک جریان فرآیند پایدار و قابل اعتماد باید با در نظر گرفتن همه پارامترهای ابعادی دقیق برای اطمینان از کیفیت محصول طراحی شود. ابعاد دقیق اصلی قطعه در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 4: ابعاد دقیق اصلی قطعه
(1) قطر بیرونی دقیق قطر بیرونی دقیق در پورت میلی متر است، با پهنای ناحیه تحمل تنها 0.022 میلی متر. اندازه سوراخ داخلی φ83.37 میلی متر است که مربوط به ضخامت دیواره 2.81 میلی متر است. این الزام تحمل ابعادی سخت است، دیواره قسمت نازک است و سختی ماشینکاری بسیار زیاد است. (2) سوراخ داخلی دقیق: سوراخ داخلی دقیق دارای قطر φ میلی متر و تحمل 0.04 میلی متر است. نیاز هم محوری این سوراخ داخلی نسبت به دایره بیرونی φ0.04 میلی متر، نیاز استوانه ای آن φ0.02 میلی متر و عمق سوراخ 287.5 میلی متر است.
(3) سوراخ شیبدار گسترده: همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، سوراخ مایل واقع در موقعیت گوش قطعه دارای قطر میلی متر و زاویه 45 درجه با محور قطعه است. هنگام ماشینکاری این سوراخ، دوک ماشین ابزار باید در زاویه 45 درجه با قطعه تنظیم شود. برای جلوگیری از تداخل بین ابزار و فیکسچر، یک ساختار پیشروی طولانی برای ابزار ماشینکاری مورد نیاز است که یک چالش بزرگ در ماشینکاری این قطعه است.
شکل 5: سوراخ مایل کشیده و سوراخ یاتاقان
(4) سوراخ یاتاقان: همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، سوراخ یاتاقان در گوش دارای قطر میلی متر است. این سوراخ فقط از قسمت انتهایی سمت چپ قطعه قابل تراش است. برآمدگی ابزار بزرگ است، و الزامات تحمل قطر سخت است، که تضمین دقت ابعاد را دشوار می کند. 2.3 فرآیندهای ویژه
علاوه بر الزامات پردازش فوق، این بخش به چندین مرحله پردازش ویژه نیاز دارد که به شرح زیر است:
1) گلوله پینینگ. ناحیه شات پینینگ قطر خارجی قطعه است، اما قسمت قطر خارجی با قطر φmm باید اجتناب شود. سوراخ کردن سوراخ داخلی اکیداً ممنوع است.
2) آبکاری کروم. ناحیه آبکاری کروم سوراخ داخلی با قطر φmm است. ضخامت لایه کروم باید بین 20 تا 25 میکرومتر کنترل شود.
3) آبکاری کادمیوم. منطقه آبکاری کادمیوم همه سطوح به جز ناحیه آبکاری کروم است.
4) نقاشی منطقه رنگ آمیزی قطر بیرونی قطعه است، اما قسمت قطر خارجی با قطر φmm باید اجتناب شود.
قسمت 3
طراحی فرآیند ماشینکاری سیلندر دقیق هواپیما
بر اساس تجزیه و تحلیل خواص مواد، ابعاد دقیق و فرآیندهای خاص این قطعه سیلندر، طرح فرآیند در جدول 3 نشان داده شده است.
جدول 3 طرح فرآیند
قسمت 4
تأیید فرآیند ماشینکاری سیلندر دقیق هواپیما
4.1 تکمیل قطر بیرونی گوش
ماده 35CD4 دارای چسبندگی قوی است که شکستن تراشه را در حین ماشین کاری دشوار می کند. هنگام استفاده از پارامترهای پایین تر ماشینکاری، علائم برش عمیق در قسمت انتهایی قطعه ظاهر می شود که در نتیجه ظاهر مواد سطح پاره می شود. برای حل این مشکل، پارامترهای تراشکاری خارجی باید تنظیم شوند. پارامترهای بهینه سازی خاص در جدول 4 نشان داده شده است. از طریق بهینه سازی پارامتر، علائم برش در وجه انتهایی قطعه حذف می شود، وجه انتهایی ماشینکاری شده صاف است و کیفیت ماشین کاری از مرکز تا لبه ثابت می ماند. حالت بهینه سازی صورت انتهایی در شکل 6 نشان داده شده است.
جدول 4 بهینه سازی پارامتر چرخش انتهای چهره
شکل 6 حالت قسمت بعد از پایان چرخش پایانی وجهی
4.2 چرخش با قطر خارجی دقیق
چهاردهمین عملیات تراشکاری CNC یک فرآیند کلیدی در ماشینکاری این قطعه است. این عملیات از یک چاک مرکز-خود و یک تکیه گاه مرکزی برای پشتیبانی از قطر خارجی استفاده می کند. الزامات ماشینکاری خاص در شکل 7 نشان داده شده است. تحمل قطر خارجی دقیق قطعه 0.024 میلی متر است و ماشینکاری باید در سه مرحله انجام شود. پارامترهای ماشینکاری خاص در جدول 5 نشان داده شده است. به دلیل ویسکوزیته بالای ماده، یک درج چرخشی خارجی تیز مورد نیاز است. شعاع ترجیحی نوک درج R0.2mm است. اگر شعاع نوک درج بیش از حد بزرگ باشد، الزامات زبری سطح قطعه را نمی توان تضمین کرد.
شکل 7 الزامات فرآیند تراشکاری CNC جدول 5 بهینه سازی پارامترهای تراشکاری خارجی پس از اتمام، قطر خارجی قطعه 88.85~88.89 میلی متر است که از الزامات نقشه فراتر می رود. قبل از پیدا کردن علت اصلی، تنها راه برای تنظیم اندازه این است که یک حاشیه روی قطر بیرونی بگذارید و سپس آن را به صورت دستی جلا دهید. پس از تجزیه و تحلیل، گرد بودن قطر بیرونی که توسط تکیه مرکزی در حین گیره پشتیبانی می شود، تأثیر قابل توجهی بر خروجی چرخش قطعه خواهد داشت [3]. تحت الزامات تحمل دقت بالا، این تاثیر به ویژه برجسته است. قطر بیرونی گیره قسمت بیرونی-تلرانس اندازهگیری شد و تغییر گردی آن 0.020 تا 0.035 میلیمتر بود که اساساً با نوسانات تحمل خارج{13}قطر خارجی قطعه مطابقت دارد. برای حل این مشکل، نیاز به بهینه سازی و اصلاح الزامات فنی فرآیند مرجع ضروری است. در فرآیند چرخش خارجی فرآیند یازدهم، به وضوح لازم است که گردی قطر خارجی در 0.01 میلی متر کنترل شود. الزامات بهبود خاص در شکل 8 نشان داده شده است. پس از افزودن الزامات کنترل گردی به فرآیند یازدهم، پایداری ابعادی چرخش قطر خارجی در فرآیند چهاردهم به طور قابل توجهی بهبود یافت. محدوده نوسان قطر بیرونی به 88.865-88.875 میلی متر کاهش یافت و تغییر شکل را می توان در 0.01 میلی متر کنترل کرد. هیچ تنظیم محلی توسط اپراتور برای اطمینان از اینکه تلورانس قطر خارجی الزامات را برآورده می کند مورد نیاز نیست. آزمایشهای پایداری تأیید کردند که یک نوک ابزار برش میتواند به طور پایدار چهار قسمت را ماشینکاری کند. با این حال، دقت ابعاد را نمی توان پس از سایش ابزار تضمین کرد.
شکل 8: الزامات بهبود برای فرآیند پایه
4.3 بهبود ناب سطح پایین سوراخ داخلی
همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، در طی فرآیند تراشکاری CNC در فرآیند چهاردهم، یک نقص ماشینکاری در پایین قطعه ظاهر شد که به صورت یک باس باقیمانده با قطر 1 میلی متر و ارتفاع 0.3 میلی متر، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است. سطح پایین را تراز کنید هنگام برداشتن قسمت پایینی با استفاده از فرز، خروجی ابزار باید در 0.01 میلی متر کنترل شود. با این حال، به دلیل مورب کوچک در پایین آسیاب صاف-، نمی توان قسمت پایینی را به حالت صاف تراشید. آسیاب صاف{11}}در شکل 10 نشان داده شده است.
شکل 9: نقص پایین
شکل 10: آسیاب صاف-
برای حل این مشکل، همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، طرح ماشینکاری با جایگزین کردن قسمت پایین با یک برش حفاری با قطر کوچک-بهینه شد.
شکل 11: برش خسته کننده اضافه شده است
4.4 بهینه سازی چرخش سوراخ داخلی
در طول چهاردهمین عملیات تراشکاری CNC، سوراخ داخلی سوراخ 0.05 میلی متری در یک طرف برای تراش بعدی باقی می گذارد. با این حال، پس از خسته کننده، نقص های کیفی مختلف در سوراخ داخلی ظاهر شد. انواع و نسبت های عیب در جدول 6 نشان داده شده است.
جدول 6. انواع نقص و درصد
تجزیه و تحلیل سه علت اصلی عیوب فوق را نشان داد: اول اینکه قطر ابزار حفاری داخلی خیلی کم بود که منجر به استحکام ابزار ناکافی و ابعاد سوراخ ناپایدار پس از سوراخ کردن شد. دوم، این ماده دارای ویسکوزیته بالایی بود، که منجر به برش ناپایدار و شکستن ضعیف تراشه هنگام استفاده از پارامترهای تکمیل سنتی، با چرخش تراشهها به اطراف و خراشیدن دیواره سوراخ شد. سوم، سرعت برش خیلی کم بود و نمی توانست دقت ابعادی قطعه و الزامات زبری سطح را برآورده کند.
برای پرداختن به این مسائل، اقدامات بهینهسازی زیر اجرا شد: ابتدا ابزار حفاری داخلی را با قطر بزرگتر جایگزین کنید تا صلبیت ابزار بهبود یابد. ابزار حفاری بهینه شده در شکل 12 نشان داده شده است. سوم، سیستم خنک کننده داخلی را بهینه کنید تا مایع برش مستقیماً روی نوک ابزار خسته کننده عمل کند. مقایسه بهینه سازی ابزار در جدول 7 نشان داده شده است.
شکل 12 ابزار خسته کننده بهینه
جدول 7 مقایسه بهینه سازی ابزار
4.5 بهینه سازی سوراخ مایل گسترده
در عملیات سیزدهم، فرز افقی سوراخ شیبدار توسعه یافته، طرح اولیه این بود: با استفاده از یک فرز توسعه یافته φ6mm برای بزرگ کردن سوراخ تا φ7.3mm، قطر سوراخ واقعی پس از ماشینکاری 7.1 ~ 7.2mm، با نوسان ابعادی 0.1mm بود. پس از تنظیم برنامه به آسیاب به φ7.5 میلی متر، قطر سوراخ 7.35 تا 7.42 میلی متر بود و نوسان به 0.07 میلی متر کاهش یافت. در نهایت، یک ساقه گیر مستقیم برای تکمیل استفاده شد، قطر سوراخ 7.62 ~ 7.69 میلی متر بود و ابعاد بسیار ناپایدار بود.
در بهینه سازی اول، ریمر با یک ابزار حفاری جایگزین شد و قطر سوراخ پس از ماشینکاری 7.60 تا 7.72 میلی متر بود که فراتر از الزامات تحمل و باعث از بین رفتن قطعه شد. طرح بهینهسازی نهایی این بود: با استفاده از یک فرز با قطر متغیر 7 میلیمتر-برای فرزکاری با سوراخ مایل، نرخ عبور قطعات ماشینکاری شده به 100% رسید. ابزار برای ماشینکاری سوراخ شیبدار گسترده در شکل 13 نشان داده شده است.
الف) آسیاب انتهایی ساقه مستقیم ب) ریمر ساق راست ج) برش حفاری د) آسیاب انتهایی با قطر متغیر شکل 13 ابزارهای ماشینکاری سوراخ مورب گسترده
4.6 بهبود ماشینکاری سوراخ بلبرینگ
در سیزدهمین فرآیند ماشینکاری سوراخ یاتاقان، قطر سوراخ مورد نیاز میلی متر است. طرح اولیه این بود: از یک آسیاب انتهایی φ20 میلیمتری برای آسیاب کردن تا φ34.4 میلیمتر استفاده کنید و سپس از یک برش حفاری برای سوراخ کردن به اندازه نهایی استفاده کنید. با این حال، پس از ماشینکاری، علائم ارتعاش بر روی دیوار سوراخ ظاهر شد که پس از تنظیم پارامترهای متعدد قابل حل نبود. ابزار ماشینکاری در شکل 14 نشان داده شده است.
الف) برش حفاری ب) آسیاب انتهایی شکل 14 ابزارهای ماشینکاری سوراخ بلبرینگ
4.7 تاثیر شات پینینگ روی قطعات
طرح اولیه ماشینکاری سوراخ دقیق عبارت بود از: سوراخکاری دقیق تراش CNC سوراخ داخلی با 0.05 میلیمتر در یک طرف، برای اطمینان از تحمل قطر سوراخ 0.02 میلیمتر و استوانهای 0.02 میلیمتر، و در نهایت سوراخ کردن قطر بیرونی قطعه. با این حال، شات پنینگ باعث تغییر شکل سوراخ داخلی قطعه، با افزایش قطر 0.015-0.025 میلی متر در موقعیت مرکز محوری شد. برخی از قطعات از حد تحمل بالایی فراتر رفتند و از بین رفتند.
برای حل این مشکل، توالی فرآیند پس از مشاوره با مشتری، قرار دادن هونینگ پس از شات پین تنظیم شد. تغییر شکل سوراخ داخلی پس از شات پنینگ تقریباً 0.025 میلیمتر بود که به طور کامل توسط 0.05 میلیمتر یک طرف-توجهی که برای هونینگ در نظر گرفته شده بود پوشانده شد. پس از تنظیم، تحمل قطر سوراخ داخلی پس از سنگزنی را میتوان در 0.010 میلیمتر و استوانهای در 0.015 میلیمتر کنترل کرد، که الزامات طراحی را برآورده میکند. تاثیر شات پینینگ بر سوراخ داخلی در جدول 8 نشان داده شده است.
جدول 8 تاثیر شات پینینگ بر روی کنترل سوراخ داخلی (واحد: میلی متر)
قسمت 5
نتیجه گیری
از طریق دورهای متعدد بهینه سازی ناب و بهبود در طول مرحله تأیید پردازش، این بخش استوانه ای دقیق هوافضا در نهایت به تولید انبوه پایدار دست یافت. تجربه پردازش سنتی دیگر برای مشکلات پردازش مواد 35CD4 قابل استفاده نیست. اقدامات متعددی مانند بهینهسازی فرآیند، بهینهسازی انتخاب ابزار و بهینهسازی پارامترهای پردازش، برای غلبه بر چالشهای پردازش مورد نیاز است [4]. 35فولاد با مقاومت بالا-CD4 عملکرد عالی دارد، اما چالشهای پردازشی بالاتری نیز به همراه دارد. در تولید واقعی، لازم است مدل های ابزار به طور خاص انتخاب شود و پارامترهای پردازش منطقی فرموله شود. با توسعه فناوریهای پردازش نوظهور، دشواری پردازش این مواد{10}}ماشینسازی{11} به تدریج کاهش مییابد و باید تجربه پردازش مربوطه به طور مداوم خلاصه و جمعآوری شود. علاوه بر این، فرآیند شات پینینگ تأثیر غیرقابل برگشتی بر ابعاد دقیق قطعات دارد که نشان می دهد طراحی فرآیند یک پروژه سیستماتیک است. ترتیب فرآیند باید از قوانین منطقی پیروی کند و به طور کامل تأثیر متقابل بین هر فرآیند را در نظر بگیرد تا یک برنامه پردازش علمی و معقول را تدوین کند [5]، و ضمن تضمین کیفیت محصول، به تولید کارآمد دست یابد.
