El acero de alta-resistencia 35CD4 se usa ampliamente en piezas cilíndricas de precisión de la industria aeroespacial debido a su excelente rendimiento, pero tiene dificultades técnicas como alta dureza, alta dificultad de corte, fácil deformación de piezas de paredes delgadas-y estrictos requisitos de tolerancia. En respuesta a estas dificultades técnicas, se formuló un esquema de mecanizado eficiente que abarca múltiples procesos combinando las características del material con las dimensiones de precisión y los requisitos de proceso especiales de las piezas. Al optimizar los parámetros y herramientas de enlaces clave como torneado externo, mandrinado interno, mecanizado de orificios oblicuos y orificios de rodamiento en el proceso de mecanizado, y ajustando la secuencia de granallado y bruñido, se resolvieron problemas como la deformación del mecanizado y la desviación dimensional. Finalmente, se logró una producción en masa estable de piezas y el proceso relevante puede proporcionar una referencia para el mecanizado de piezas de precisión de materiales difíciles-de-cortar.
PARTE 1
Introducción
El avance en el rendimiento de los equipos aeroespaciales depende en gran medida de la precisión del mecanizado y la confiabilidad de los componentes principales[1]. El acero de alta-resistencia 35CD4 se ha convertido en un material ideal para piezas cilíndricas de precisión del sector aeroespacial debido a sus excelentes características, como alta resistencia y alta templabilidad. Sin embargo, la alta fuerza de corte y la importante tendencia al endurecimiento por trabajo de este material, combinadas con la forma irregular y fácilmente deformable, y las estrictas tolerancias dimensionales de precisión de las piezas cilíndricas, plantean un desafío importante para los procesos de mecanizado tradicionales.
Para superar este desafío de producción, este artículo se centra en las propiedades del material del 35CD4 y los requisitos del proceso de piezas cilíndricas, y realiza investigaciones sobre procesos de mecanizado eficiente. A través de una serie de medidas, incluida la optimización del diseño del proceso, la mejora de la selección de herramientas y el ajuste de los parámetros de mecanizado, se resolvieron sistemáticamente problemas clave como la deformación del mecanizado y las desviaciones dimensionales, lo que dio como resultado una solución de producción en masa estable y confiable.
Este artículo revisa sistemáticamente las ideas de investigación y desarrollo y el proceso de verificación de esta tecnología, con el objetivo de proporcionar una referencia técnica para el mecanizado de piezas de precisión aeroespaciales similares.
PARTE 2
Características del proceso de piezas cilíndricas de precisión aeroespacial
Cierta pieza cilíndrica de precisión aeroespacial fabricada por nuestra empresa está hecha de 35CD4 y su forma se muestra en la Figura 1. Esta pieza es una pieza de forma irregular, su estructura especial es propensa a deformarse y su espesor de pared es relativamente delgado. Las tolerancias para el orificio interior y el círculo exterior son estrictamente requeridas, el orificio del cojinete en la orejeta es un orificio de precisión y la pieza tiene orificios oblicuos en el interior, lo que dificulta el control de las tolerancias dimensionales relacionadas. Las características tecnológicas de esta pieza cilíndrica se reflejan principalmente en los siguientes aspectos.
Figura 1. Forma externa de la pieza cilíndrica.
2.1 Características de los materiales
(1) Características metálicas
El acero de aleación de alta-resistencia 35CD4 es un acero de medio-carbono níquel-cromo-molibdeno de uso común en la industria aeroespacial. Su composición química se muestra en la Tabla 1. Comparado con otros metales, este acero tiene ventajas únicas en propiedades químicas, físicas y mecánicas.
Tabla 1. Elementos de aleación y parámetros del 35CD4 (composición química)
(2) Características del material del 35CD4
Incluye principalmente los siguientes cuatro puntos:
① Alta resistencia. Debido a que es un acero con bajo-carbono y baja-aleación, tiene mayor resistencia que el acero sin-aleación, por lo que se le llama "acero de baja-aleación y alta-resistencia".
② Alto límite elástico. Su límite elástico es mayor que el del acero sin -aleación. Bajo la misma carga, el peso de las piezas fabricadas con este material se puede reducir entre un 20% y un 30%.
③ Buena plasticidad y tenacidad. La proporción de elementos de aleación es relativamente baja, lo que confiere al material buena plasticidad y tenacidad. ④ Alta templabilidad. La composición de la aleación contiene elementos como níquel, cromo y molibdeno, que pueden mantener la austenita sobreenfriada del acero altamente estable. Las estructuras de martensita y bainita se pueden obtener mediante enfriamiento con aire.
(3) Características del procesamiento de materiales. Este material generalmente tiene dos estados de tratamiento térmico: normalizado + revenido y templado + revenido. La dureza correspondiente a estos dos estados se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2 Dureza del material
Como puede verse en la Tabla 2, la dureza y la resistencia a la tracción de este material son ambas de alto nivel. También es rico en elementos como el cromo y el manganeso. Estos factores juntos hacen que sea difícil de procesar y es un material típico-difícil-mecanizar. Las dificultades de procesamiento específicas son las siguientes:
1) Alta fuerza de corte. El material tiene alta dureza y resistencia, alta densidad atómica y fuerza de unión, y excelente tenacidad a la fractura y plasticidad a largo plazo-. Durante el proceso de corte, no sólo la fuerza de corte es grande, sino que también fluctúa significativamente [2].
2) Alta temperatura de corte. La deformación del corte consume mucha energía y genera mucho calor. Una gran cantidad de calor de corte se concentra en la zona de corte, formando un ambiente de alta-temperatura.
3) Alta tendencia al endurecimiento por trabajo. El material presenta buena plasticidad y tenacidad, con un alto coeficiente de refuerzo. Bajo los efectos combinados de la fuerza de corte y el calor de corte, sufre una severa deformación plástica, lo que lleva al endurecimiento por trabajo. Al mismo tiempo, el calor de corte hace que el material absorba átomos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno del medio circundante, formando una capa superficial dura y quebradiza, lo que aumenta aún más la dificultad de corte.
4) Desgaste severo de la herramienta. Las altas fuerzas de corte y temperaturas durante el corte intensifican la fricción entre la herramienta y las virutas, y el material de la herramienta es propenso a interacciones de afinidad con el material de la pieza de trabajo. Combinado con la presencia de partículas duras en el material y un severo endurecimiento por trabajo, la herramienta es altamente susceptible al desgaste adhesivo, desgaste por difusión, desgaste abrasivo, desgaste límite y desgaste ranurado durante el corte, perdiendo finalmente su capacidad de corte.
5) Difícil manejo de virutas. La alta resistencia, plasticidad y tenacidad del material dan como resultado astillas enredadas en forma de cinta-durante el corte, lo que presenta riesgos para la seguridad, dificulta el proceso de corte y causa rayones en la superficie de la pieza, lo que dificulta cumplir con los requisitos de rugosidad de la superficie.
6) Gran deformación de corte. Las altas temperaturas de corte y la alta plasticidad del material durante el mecanizado provocan fácilmente deformaciones térmicas, lo que dificulta garantizar dimensiones y formas precisas.
(4) Esquema de procesamiento de materiales Para garantizar que las materias primas puedan completar completamente el tratamiento de enfriamiento y revenido, la pieza en bruto de forja debe ser mecanizada en desbaste-antes del tratamiento térmico para garantizar que el espesor de la pared de cada-sección transversal sea<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: En blanco
Figura 3: Forma rugosa-mecanizada
2.2 Características del proceso Esta pieza tiene varios requisitos dimensionales de alta-precisión. Se debe diseñar un flujo de proceso estable y confiable considerando integralmente todos los parámetros dimensionales de precisión para garantizar la calidad del producto. Las principales dimensiones de precisión de la pieza se muestran en la Figura 4.
Figura 4: Principales dimensiones de precisión de la pieza
(1) Diámetro exterior de precisión El diámetro exterior de precisión en el puerto es de mm, con un ancho de zona de tolerancia de sólo 0,022 mm; el tamaño del orificio interior es φ83,37 mm, correspondiente a un espesor de pared de 2,81 mm. Este requisito de tolerancia dimensional es estricto, la pared de la pieza es delgada y la dificultad de mecanizado es extremadamente alta. (2) Orificio interior de precisión: El orificio interior de precisión tiene un diámetro de φ mm y una tolerancia de 0,04 mm. El requisito de coaxialidad de este orificio interior con respecto al círculo exterior es de φ0,04 mm, el requisito de cilindricidad es de φ0,02 mm y la profundidad del orificio es de 287,5 mm.
(3) Orificio inclinado extendido: como se muestra en la Figura 5, el orificio inclinado ubicado en la posición de la oreja de la pieza tiene un diámetro de mm y un ángulo de 45 grados con el eje de la pieza. Al mecanizar este orificio, el husillo de la máquina herramienta debe ajustarse a un ángulo de 45 grados con la pieza. Para evitar interferencias entre la herramienta y el dispositivo, se requiere una estructura saliente larga para la herramienta de mecanizado, lo que supone un gran desafío en el mecanizado de esta pieza.
Figura 5: Orificio inclinado extendido y orificio de rodamiento
(4) Orificio de rodamiento: como se muestra en la Figura 5, el orificio de rodamiento en la oreja tiene un diámetro de mm. Este agujero sólo se puede mecanizar desde la cara del extremo izquierdo de la pieza. El voladizo de la herramienta es grande y el requisito de tolerancia del diámetro es estricto, lo que dificulta garantizar la precisión dimensional.. 2.3 Procesos especiales
Además de los requisitos de procesamiento anteriores, esta parte requiere varios pasos de procesamiento especiales, como se indica a continuación:
1) Granallado. El área de granallado es el diámetro exterior de la pieza, pero se debe evitar la porción del diámetro exterior con un diámetro de φ mm. Está estrictamente prohibido el granallado del agujero interior.
2) Cromado. El área de cromado es el orificio interior con un diámetro de φmm. El espesor de la capa de cromo debe controlarse entre 20 y 25 μm.
3) Revestimiento de cadmio. El área de revestimiento de cadmio son todas las superficies excepto el área de revestimiento de cromo.
4) Pintura. El área de pintura es el diámetro exterior de la pieza, pero se debe evitar la porción del diámetro exterior con un diámetro de φmm.
PARTE 3
Diseño de procesos de mecanizado de cilindros de precisión para aviones
Según el análisis de las propiedades del material, las dimensiones de precisión y los procesos especiales de esta pieza del cilindro, el plan del proceso se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Plan de Proceso
PARTE 4
Verificación del proceso de mecanizado de cilindros de precisión para aviones
4.1 Acabado del Diámetro Exterior de la Oreja
El material 35CD4 tiene una fuerte adherencia, lo que dificulta la rotura de la viruta durante el mecanizado. Cuando se utilizan parámetros de mecanizado más bajos, aparecen marcas de corte profundas en la cara final de la pieza, lo que da como resultado una apariencia rasgada del material de la superficie. Para resolver este problema, es necesario ajustar los parámetros de mecanizado de torneado externo. Los parámetros de optimización específicos se muestran en la Tabla 4. A través de la optimización de parámetros, se eliminan las marcas de corte en la cara final de la pieza, la cara final mecanizada es suave y la calidad del mecanizado permanece constante desde el centro hasta el borde. El estado de la cara del extremo optimizado se muestra en la Figura 6.
Tabla 4 Optimización de parámetros de torneado de caras finales
Figura 6 Estado de la pieza después del torneado final de la cara final
4.2 Torneado de precisión de diámetro externo
La decimocuarta operación de torneado CNC es un proceso clave en el mecanizado de esta pieza. Esta operación utiliza un mandril autocentrante y un soporte central para soportar el diámetro externo. Los requisitos de mecanizado específicos se muestran en la Figura 7. La tolerancia del diámetro externo de precisión de la pieza es de 0,024 mm y el mecanizado debe realizarse en tres etapas. Los parámetros de mecanizado específicos se muestran en la Tabla 5. Debido a la alta viscosidad del material, se requiere un inserto de torneado externo afilado. El radio de punta de plaquita preferido es R0,2 mm. Si el radio de la punta del inserto es demasiado grande, no se pueden garantizar los requisitos de rugosidad de la superficie de la pieza.
Figura 7 Requisitos para el proceso de torneado CNC Tabla 5 Optimización de los parámetros de torneado externo Después del acabado, el diámetro exterior de la pieza es de 88,85 ~ 88,89 mm, lo que excede los requisitos del dibujo. Antes de encontrar la causa raíz, la única forma de ajustar el tamaño es dejar un margen en el diámetro exterior y luego pulirlo manualmente. Después del análisis, la redondez del diámetro exterior soportado por el apoyo central durante la sujeción tendrá un impacto significativo en la desviación de rotación de la pieza [3]. Bajo los requisitos de tolerancia de alta precisión, este impacto es particularmente prominente. Se midió el diámetro exterior de sujeción de la pieza-fuera-de tolerancia y su cambio de redondez fue de 0,020 ~ 0,035 mm, lo que es básicamente consistente con la fluctuación fuera-de-tolerancia del diámetro exterior de la pieza. Para solucionar este problema, es necesario optimizar y corregir los requisitos técnicos del proceso de referencia. En el proceso de torneado externo del undécimo proceso, se requiere claramente que la redondez del diámetro exterior se controle dentro de 0,01 mm. Los requisitos de mejora específicos se muestran en la Figura 8. Después de agregar requisitos de control de redondez al undécimo proceso, la estabilidad dimensional del torneado del diámetro exterior en el decimocuarto proceso mejoró significativamente. El rango de fluctuación del diámetro exterior se redujo a 88,865–88,875 mm y la deformación se pudo controlar dentro de 0,01 mm. No se requirieron ajustes locales por parte del operador para garantizar que la tolerancia del diámetro exterior cumpliera con los requisitos. Las pruebas de estabilidad verificaron que una sola punta de herramienta de corte podía mecanizar cuatro piezas de manera estable; sin embargo, no se puede garantizar la precisión dimensional después del desgaste de la herramienta.
Figura 8: Requisitos de mejora para el proceso de referencia
4.3 Mejora magra de la superficie inferior del orificio interior
Durante el proceso de torneado CNC en el proceso 14, apareció un defecto de mecanizado en la parte inferior de la pieza, que se manifestó como una protuberancia residual con un diámetro de 1 mm y una altura de 0,3 mm, como se muestra en la Figura 9. El plan de mecanizado inicial era usar una fresa de extremo plano-para eliminar el exceso del fondo, luego usar una herramienta perforadora de gran-diámetro para perforar el orificio y, finalmente, alinear la superficie inferior. Al quitar el margen inferior con una fresa, la desviación de la herramienta debe controlarse dentro de 0,01 mm. Sin embargo, debido al pequeño bisel en la parte inferior de la fresa plana-, la parte inferior de la pieza no se puede mecanizar hasta dejarla plana. La fresa de extremo plano-se muestra en la Figura 10.
Figura 9: Defecto inferior
Figura 10: Fresa de extremo plano-
Para resolver este problema, se optimizó el esquema de mecanizado reemplazando la parte inferior con una fresa perforadora de-diámetro pequeño, como se muestra en la Figura 11. Las pruebas de mecanizado demostraron que el uso de una fresa perforadora para perforar la parte inferior eliminaba por completo el defecto del saliente.
Figura 11: Cortador aburrido agregado
4.4 Optimización del torneado de agujeros internos
Durante la decimocuarta operación de torneado CNC, el taladro interno deja un margen de 0,05 mm en un lado para el posterior bruñido. Sin embargo, después de perforar, aparecieron varios defectos de calidad en el agujero interno. Los tipos y proporciones de defectos se muestran en la Tabla 6. Estos defectos representan un riesgo significativo para el proceso de bruñido posterior.
Tabla 6. Tipos de defectos y porcentajes
El análisis reveló tres causas principales de los defectos antes mencionados: primero, el diámetro de la herramienta de perforación interna era demasiado pequeño, lo que resultaba en una rigidez insuficiente de la herramienta y dimensiones de orificio inestables después de la perforación. En segundo lugar, el material tenía una alta viscosidad, lo que provocaba un corte inestable y una rotura deficiente de las virutas cuando se utilizaban parámetros de acabado tradicionales, con virutas arremolinándose y rayando la pared del orificio. En tercer lugar, la velocidad de corte era demasiado baja, por lo que no cumplía con los requisitos de precisión dimensional y rugosidad de la superficie de la pieza.
Para abordar estos problemas, se implementaron las siguientes medidas de optimización: primero, reemplazar la herramienta de perforación interna por una de mayor diámetro para mejorar la rigidez de la herramienta; la herramienta de mandrinado optimizada se muestra en la Figura 12. En segundo lugar, aumente la velocidad de corte para aumentar la profundidad de corte en el acabado. En tercer lugar, optimice el sistema de enfriamiento interno para permitir que el fluido de corte actúe directamente sobre la punta de la herramienta de perforación. En la Tabla 7 se muestra una comparación de las optimizaciones de herramientas.
Figura 12 Herramienta de mandrinado optimizada
Tabla 7 Comparación de optimización de herramientas
4.5 Optimización del agujero inclinado extendido
En la decimotercera operación, fresado horizontal del orificio inclinado extendido, el plan inicial era: usar una fresa extendida de φ6 mm para agrandar el orificio a φ7,3 mm, el diámetro real del orificio después del mecanizado fue de 7,1 ~ 7,2 mm, con una fluctuación dimensional de 0,1 mm; después de ajustar el programa para fresar a φ7,5 mm, el diámetro del orificio fue de 7,35 ~ 7,42 mm y la fluctuación se redujo a 0,07 mm; finalmente, se utilizó un escariador de vástago recto para el acabado, el diámetro del orificio era de 7,62 a 7,69 mm y las dimensiones eran extremadamente inestables.
En la primera optimización, el escariador se reemplazó con una herramienta perforadora y el diámetro del orificio después del mecanizado fue de 7,60 ~ 7,72 mm, lo que excedió los requisitos de tolerancia y provocó que la pieza fuera desechada. El plan optimizado final fue: utilizando una fresa de diámetro variable-de 7 mm de diámetro para fresado de orificios inclinados, la tasa de aprobación de las piezas mecanizadas alcanzó el 100%. La herramienta para el mecanizado de orificios inclinados extendidos se muestra en la Figura 13.
a) Fresa de mango recto b) Escariador de mango recto c) Fresa de mandrinar d) Fresa de mango de diámetro variable Figura 13 Herramientas de mecanizado de orificios oblicuos extendidos
4.6 Mejora del mecanizado de orificios de rodamientos
En el decimotercer proceso de mecanizado del orificio del rodamiento, el diámetro del orificio requerido es mm. El plan inicial era: utilizar una fresa de extremo de φ20 mm para fresar hasta φ34,4 mm y luego utilizar una fresa perforadora para perforar hasta el tamaño final. Sin embargo, después del mecanizado, aparecieron marcas de vibración en la pared del orificio, que no pudieron resolverse después de múltiples ajustes de parámetros. Las herramientas de mecanizado se muestran en la Figura 14.
a) Cortador de mandrinado b) Fresa de extremo Figura 14 Herramientas de mecanizado de orificios de rodamiento
4.7 Impacto del granallado en las piezas
El plan inicial de mecanizado de orificios de precisión fue: torneado CNC, taladrado de precisión del orificio interior con un margen de 0,05 mm en un lado, bruñido para garantizar una tolerancia del diámetro del orificio de 0,02 mm y una cilindricidad de 0,02 mm, y finalmente granallado del diámetro exterior de la pieza. Sin embargo, el granallado provocó la deformación del orificio interior de la pieza, aumentando el diámetro entre 0,015 y 0,025 mm en la posición central axial. Algunas piezas excedieron el límite de tolerancia superior y fueron desechadas.
Para solucionar este problema se ajustó la secuencia del proceso previa consulta con el cliente, colocando el bruñido tras el granallado. La deformación del orificio interior después del granallado fue de aproximadamente 0,025 mm, que quedó completamente cubierta por el margen de un solo lado de 0,05 mm reservado para el bruñido. Después del ajuste, la tolerancia del diámetro del orificio interior después del bruñido se pudo controlar dentro de 0,010 mm y la cilindricidad dentro de 0,015 mm, cumpliendo con los requisitos del dibujo. El impacto del granallado en el orificio interior se muestra en la Tabla 8.
Tabla 8 Impacto del granallado en el control del orificio interno (Unidad: mm)
PARTE 5
Conclusión
A través de múltiples rondas de optimización y mejora durante la etapa de verificación del procesamiento, esta pieza cilíndrica de precisión aeroespacial finalmente logró una producción en masa estable. La experiencia de procesamiento tradicional ya no es aplicable a las dificultades de procesamiento del material 35CD4. Se necesitan múltiples medidas, como la optimización del proceso, la optimización de la selección de herramientas y la optimización de los parámetros de procesamiento, para superar los desafíos del procesamiento [4]. 35El acero CD4 de alta-resistencia tiene un rendimiento excelente, pero también presenta mayores desafíos de procesamiento. En la producción real, es necesario seleccionar modelos de herramientas específicamente y formular parámetros de procesamiento razonables. Con el desarrollo de tecnologías de procesamiento emergentes, la dificultad de procesamiento de materiales tan difíciles-de-mecanizar disminuirá gradualmente, y será necesario resumir y acumular continuamente la experiencia de procesamiento relevante. Además, el proceso de shot peening tiene un impacto irreversible en las dimensiones de precisión de las piezas, lo que indica que el diseño del proceso es un proyecto sistemático. La disposición del proceso debe seguir reglas lógicas y considerar plenamente la influencia mutua entre cada proceso para formular un plan de procesamiento científico y razonable [5], y lograr una producción eficiente al tiempo que se garantiza la calidad del producto.
