O aço 35CD4 de alta-resistência é amplamente utilizado em peças cilíndricas de precisão da indústria aeroespacial devido ao seu excelente desempenho, mas apresenta dificuldades técnicas, como alta dureza, alta dificuldade de corte, fácil deformação de peças-de paredes finas e requisitos de tolerância rigorosos. Em resposta a essas dificuldades técnicas, foi formulado um esquema de usinagem enxuto que abrange múltiplos processos, combinando as características do material com as dimensões de precisão e os requisitos especiais de processo das peças. Ao otimizar os parâmetros e ferramentas dos principais elos, como torneamento externo, mandrilamento interno, furo oblíquo e usinagem de furos de rolamento no processo de usinagem, e ajustar a sequência de shot peening e brunimento, problemas como deformação de usinagem e desvio dimensional foram resolvidos. Por fim, foi alcançada uma produção em massa estável de peças, e o processo relevante pode fornecer uma referência para a usinagem de peças de precisão de materiais difíceis de-cortar-.
PARTE 1
Introdução
O avanço do desempenho dos equipamentos aeroespaciais é altamente dependente da precisão da usinagem e da confiabilidade dos componentes principais[1]. O aço-de alta resistência 35CD4 tornou-se um material ideal para peças cilíndricas de precisão da indústria aeroespacial devido às suas excelentes características, como alta resistência e alta temperabilidade. No entanto, a elevada força de corte e significativa tendência ao endurecimento deste material, combinadas com a forma irregular e facilmente deformável, e as rigorosas tolerâncias dimensionais de precisão das peças cilíndricas, representam um desafio significativo aos processos de maquinação tradicionais.
Para superar esse desafio de produção, este artigo concentra-se nas propriedades do material do 35CD4 e nos requisitos de processo das peças cilíndricas, além de realizar pesquisas sobre processos de usinagem enxutos. Através de uma série de medidas, incluindo a otimização do projeto do processo, a melhoria da seleção de ferramentas e o ajuste dos parâmetros de usinagem, questões importantes como deformação de usinagem e desvios dimensionais foram sistematicamente resolvidas, resultando em uma solução de produção em massa estável e confiável.
Este artigo revisa sistematicamente as ideias de pesquisa e desenvolvimento e o processo de verificação desta tecnologia, com o objetivo de fornecer referência técnica para a usinagem de peças de precisão aeroespaciais similares.
PARTE 2
Características do processo de peças cilíndricas de precisão aeroespacial
Uma determinada peça cilíndrica de precisão aeroespacial fabricada por nossa empresa é feita de 35CD4 e seu formato é mostrado na Figura 1. Esta peça é uma peça de formato irregular, sua estrutura especial é propensa a deformações e sua espessura de parede é relativamente fina. As tolerâncias para o furo interno e o círculo externo são estritamente exigidas, o furo do rolamento na saliência é um furo de precisão e a peça possui furos oblíquos no interior, dificultando o controle das tolerâncias dimensionais relacionadas. As características tecnológicas desta peça cilíndrica refletem-se principalmente nos seguintes aspectos.
Figura 1. Formato externo da peça cilíndrica
2.1 Características dos materiais
(1) Características metálicas
O aço-liga 35CD4 de alta-resistência é um aço de médio-carbono-níquel-cromo-molibdênio comumente usado na indústria aeroespacial. Sua composição química é mostrada na Tabela 1. Comparado com outros metais, este aço apresenta vantagens únicas nas propriedades químicas, físicas e mecânicas.
Tabela 1. Elementos de liga e parâmetros de 35CD4 (composição química)
(2) Características materiais de 35CD4
Inclui principalmente os seguintes quatro pontos:
① Alta resistência. Por ser um aço de baixo-carbono e baixa{2}}liga, ele tem maior resistência do que o aço sem{3}}liga, por isso é chamado de "aço de baixa-liga e alta-resistência".
② Alto rendimento. Seu limite de escoamento é superior ao do aço não{1}}ligado. Sob a mesma carga, o peso das peças feitas com esse material pode ser reduzido em 20% a 30%.
③ Boa plasticidade e tenacidade. A proporção de elementos de liga é relativamente baixa, conferindo ao material boa plasticidade e tenacidade. ④ Alta temperabilidade. A composição da liga contém elementos como níquel, cromo e molibdênio, que podem manter a austenita super-resfriada do aço altamente estável. Estruturas de martensita e bainita podem ser obtidas por têmpera ao ar.
(3) Características de processamento de materiais. Este material geralmente possui dois estados de tratamento térmico: normalização + revenido e têmpera + revenido. A dureza correspondente a estes dois estados é mostrada na Tabela 2.
Tabela 2 Dureza do Material
Como pode ser visto na Tabela 2, a dureza e a resistência à tração deste material são ambas de alto nível. Também é rico em elementos como cromo e manganês. Juntos, esses fatores dificultam o processamento e é um material tipicamente difícil de-usiná-lo-. As dificuldades específicas de processamento são as seguintes:
1) Alta força de corte. O material tem alta dureza e resistência, alta densidade atômica e força de ligação, além de excelente resistência à fratura e plasticidade-de longo prazo. Durante o processo de corte, não apenas a força de corte é grande, mas a força de corte também flutua significativamente [2].
2) Alta temperatura de corte. A deformação de corte consome muita energia e gera muito calor. Uma grande quantidade de calor de corte é concentrada na zona de corte, formando um ambiente-de alta temperatura.
3) Alta tendência ao endurecimento por trabalho. O material apresenta boa plasticidade e tenacidade, com alto coeficiente de resistência. Sob os efeitos combinados da força de corte e do calor de corte, sofre severa deformação plástica, levando ao endurecimento por trabalho. Simultaneamente, o calor de corte faz com que o material absorva átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio do meio circundante, formando uma camada superficial dura e quebradiça, aumentando ainda mais a dificuldade de corte.
4) Desgaste severo da ferramenta. Altas forças de corte e temperaturas durante o corte intensificam o atrito entre a ferramenta e os cavacos, e o material da ferramenta é propenso a interações de afinidade com o material da peça. Combinado com a presença de partículas duras no material e o severo endurecimento por trabalho, a ferramenta é altamente suscetível ao desgaste adesivo, desgaste por difusão, desgaste abrasivo, desgaste limite e desgaste ranhurado durante o corte, perdendo finalmente sua capacidade de corte.
5) Manuseio difícil de cavacos. A alta resistência, plasticidade e tenacidade do material resultam em cavacos emaranhados em forma de fita-durante o corte, representando riscos à segurança, dificultando o processo de corte e causando arranhões na superfície da peça, dificultando o atendimento aos requisitos de rugosidade da superfície.
6) Grande deformação de corte. Altas temperaturas de corte e alta plasticidade do material durante a usinagem levam facilmente à deformação térmica, dificultando a garantia de dimensões e formas precisas.
(4) Esquema de processamento de materiais Para garantir que as matérias-primas possam completar totalmente o tratamento de têmpera e revenido, a peça bruta forjada precisa ser usinada em desbaste-antes do tratamento térmico para garantir que a espessura da parede de cada seção-transversal seja<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: Em branco
Figura 3: Forma-usinada em bruto
2.2 Características do processo Esta peça possui vários requisitos dimensionais de alta-precisão. Um fluxo de processo estável e confiável deve ser projetado considerando de forma abrangente todos os parâmetros dimensionais de precisão para garantir a qualidade do produto. As principais dimensões de precisão da peça são mostradas na Figura 4.
Figura 4: Principais Dimensões de Precisão da Peça
(1) Diâmetro externo de precisão O diâmetro externo de precisão na porta é mm, com uma largura de zona de tolerância de apenas 0,022 mm; o tamanho do furo interno é φ83,37 mm, correspondendo a uma espessura de parede de 2,81 mm. Este requisito de tolerância dimensional é rigoroso, a parede da peça é fina e a dificuldade de usinagem é extremamente alta. (2) Furo interno de precisão: O furo interno de precisão tem um diâmetro de φ mm e uma tolerância de 0,04 mm. O requisito de coaxialidade deste furo interno em relação ao círculo externo é φ0,04 mm, o requisito de cilindricidade é φ0,02 mm e a profundidade do furo é 287,5 mm.
(3) Furo Inclinado Estendido: Conforme mostrado na Figura 5, o furo inclinado localizado na posição da orelha da peça tem um diâmetro de mm e um ângulo de 45 graus com o eixo da peça. Ao usinar este furo, o fuso da máquina-ferramenta precisa ser ajustado em um ângulo de 45 graus com a peça. Para evitar interferência entre a ferramenta e o acessório, é necessária uma estrutura de balanço longo para a ferramenta de usinagem, o que é um grande desafio na usinagem desta peça.
Figura 5: Furo Inclinado Estendido e Furo de Rolamento
(4) Orifício do rolamento: Conforme mostrado na Figura 5, o orifício do rolamento na orelha tem um diâmetro de mm. Este furo só pode ser usinado a partir da face final esquerda da peça. O balanço da ferramenta é grande e a exigência de tolerância de diâmetro é rigorosa, dificultando a garantia da precisão dimensional. 2.3 Processos Especiais
Além dos requisitos de processamento acima, esta parte requer várias etapas especiais de processamento, como segue:
1) Shot peening. A área de shot peening é o diâmetro externo da peça, mas a porção do diâmetro externo com diâmetro de φmm deve ser evitada. Shot peening do furo interno é estritamente proibido.
2) Cromagem. A área de cromagem é o furo interno com diâmetro de φmm. A espessura da camada de cromo deve ser controlada entre 20 e 25 μm.
3) Revestimento de cádmio. A área de revestimento de cádmio abrange todas as superfícies, exceto a área de revestimento de cromo.
4) Pintura. A área de pintura é o diâmetro externo da peça, mas a porção do diâmetro externo com diâmetro de φmm deve ser evitada.
PARTE 3
Projeto de processo de usinagem de cilindros de precisão para aeronaves
Com base na análise das propriedades do material, dimensões de precisão e processos especiais desta peça cilíndrica, o plano de processo é mostrado na Tabela 3.
Tabela 3 Plano de Processo
PARTE 4
Verificação do processo de usinagem de cilindros de precisão de aeronaves
4.1 Acabamento do Diâmetro Externo da Orelha
O material 35CD4 tem forte adesão, dificultando a quebra de cavacos durante a usinagem. Ao usar parâmetros de usinagem mais baixos, marcas de corte profundas aparecem na face final da peça, resultando em uma aparência rasgada do material da superfície. Para resolver este problema, os parâmetros de usinagem do torneamento externo precisam ser ajustados. Parâmetros de otimização específicos são mostrados na Tabela 4. Através da otimização de parâmetros, as marcas de corte na face final da peça são eliminadas, a face final usinada é lisa e a qualidade da usinagem permanece consistente do centro até a borda. O estado otimizado da face final é mostrado na Figura 6.
Tabela 4 Otimização dos parâmetros de torneamento de face final
Figura 6 Estado da peça após torneamento com acabamento de face final
4.2 Torneamento de Diâmetro Externo de Precisão
A 14ª operação de torneamento CNC é um processo fundamental na usinagem desta peça. Esta operação utiliza um mandril-autocentrante e um apoio central para suportar o diâmetro externo. Os requisitos específicos de usinagem são mostrados na Figura 7. A tolerância de precisão do diâmetro externo da peça é de 0,024 mm e a usinagem precisa ser realizada em três etapas. Parâmetros de usinagem específicos são mostrados na Tabela 5. Devido à alta viscosidade do material, é necessária uma pastilha de torneamento externo afiada. O raio da ponta da pastilha preferido é R0,2mm. Se o raio da ponta da pastilha for muito grande, os requisitos de rugosidade superficial da peça não poderão ser garantidos.
Figura 7 Requisitos para processo de torneamento CNC Tabela 5 Otimização dos parâmetros de torneamento externo Após o acabamento, o diâmetro externo da peça é de 88,85 ~ 88,89 mm, o que excede os requisitos do desenho. Antes de encontrar a causa raiz, a única maneira de ajustar o tamanho é deixar uma margem no diâmetro externo e depois polir manualmente. Após análise, a circularidade do diâmetro externo suportado pelo apoio central durante a fixação terá um impacto significativo no desvio de rotação da peça [3]. Sob os requisitos de tolerância de alta precisão, este impacto é particularmente proeminente. O diâmetro externo de fixação da peça-fora-de tolerância foi medido e sua alteração de circularidade foi de 0,020~0,035 mm, o que é basicamente consistente com a flutuação fora-da{14}}tolerância do diâmetro externo da peça. Para resolver este problema é necessário otimizar e corrigir os requisitos técnicos do processo de referência. No processo de torneamento externo do 11º processo, é claramente necessário que a circularidade do diâmetro externo seja controlada dentro de 0,01 mm. Os requisitos específicos de melhoria são mostrados na Figura 8. Depois de adicionar requisitos de controle de circularidade ao 11º processo, a estabilidade dimensional do torneamento do diâmetro externo no 14º processo foi significativamente melhorada. A faixa de flutuação do diâmetro externo foi reduzida para 88,865–88,875 mm, e a deformação pôde ser controlada dentro de 0,01 mm. Nenhum ajuste local por parte do operador foi necessário para garantir que a tolerância do diâmetro externo atendesse aos requisitos. Testes de estabilidade verificaram que uma única ponta de ferramenta de corte poderia usinar quatro peças de maneira estável; entretanto, a precisão dimensional não pôde ser garantida após o desgaste da ferramenta.
Figura 8: Requisitos de melhoria para o processo de linha de base
4.3 Melhoria Lean da Superfície Inferior do Furo Interno
Durante o processo de torneamento CNC no 14º processo, um defeito de usinagem apareceu na parte inferior da peça, manifestado como um ressalto residual com diâmetro de 1 mm e altura de 0,3 mm, conforme mostrado na Figura 9. O plano de usinagem inicial era usar uma fresa de topo- plana para remover o excesso inferior, depois usar uma ferramenta de mandrilamento de grande-diâmetro para fazer o furo e, finalmente, alinhar a superfície inferior. Ao remover a tolerância inferior usando uma fresa, o desvio da ferramenta deve ser controlado dentro de 0,01 mm. No entanto, devido ao pequeno chanfro na parte inferior da fresa-de topo plano, a parte inferior da peça não pode ser usinada até ficar plana. A fresa-de topo plano é mostrada na Figura 10.
Figura 9: Defeito Inferior
Figura 10: Fresa-de topo plano
Para resolver esse problema, o esquema de usinagem foi otimizado substituindo o fundo por uma fresa de mandrilamento de pequeno-diâmetro, conforme mostrado na Figura 11. Testes de usinagem provaram que o uso de uma fresa de mandrilar para perfurar o fundo eliminou completamente o defeito do ressalto.
Figura 11: Cortador de mandrilamento adicionado
4.4 Otimização do Torneamento de Furos Internos
Durante a 14ª operação de torneamento CNC, o mandrilamento interno deixa uma margem de 0,05 mm em um lado para brunimento subsequente. Porém, após o mandrilamento, vários defeitos de qualidade apareceram no furo interno. Os tipos e proporções de defeitos são mostrados na Tabela 6. Esses defeitos representam um risco significativo para o processo de brunimento subsequente.
Tabela 6. Tipos e porcentagens de defeitos
A análise revelou três causas principais dos defeitos acima mencionados: Primeiro, o diâmetro da ferramenta de mandrilamento interno era muito pequeno, resultando em rigidez insuficiente da ferramenta e dimensões instáveis do furo após o mandrilamento. Em segundo lugar, o material tinha alta viscosidade, levando a cortes instáveis e baixa quebra de cavacos ao usar parâmetros de acabamento tradicionais, com cavacos girando e arranhando a parede do furo. Terceiro, a velocidade de corte era muito baixa, não atendendo aos requisitos de precisão dimensional e rugosidade superficial da peça.
Para resolver estes problemas, foram implementadas as seguintes medidas de otimização: Primeiro, substituir a ferramenta de mandrilamento interno por uma de diâmetro maior para melhorar a rigidez da ferramenta; a ferramenta de mandrilamento otimizada é mostrada na Figura 12. Segundo, aumente a velocidade de corte para aumentar a profundidade de corte no acabamento. Terceiro, otimize o sistema de resfriamento interno para permitir que o fluido de corte atue diretamente na ponta da ferramenta de mandrilamento. Uma comparação das otimizações da ferramenta é mostrada na Tabela 7.
Figura 12 Ferramenta de mandrilamento otimizada
Tabela 7 Comparação de otimização de ferramentas
4.5 Otimização de Furo Inclinado Estendido
Na 13ª operação, fresamento horizontal do furo inclinado estendido, o plano inicial era: usando uma fresa estendida de φ6mm para ampliar o furo para φ7,3mm, o diâmetro real do furo após a usinagem era de 7,1~7,2mm, com uma flutuação dimensional de 0,1mm; depois de ajustar o programa para fresar para φ7,5 mm, o diâmetro do furo foi de 7,35 ~ 7,42 mm e a flutuação foi reduzida para 0,07 mm; finalmente, um alargador de haste reta foi usado para acabamento, o diâmetro do furo era de 7,62 ~ 7,69 mm e as dimensões eram extremamente instáveis.
Na primeira otimização, o alargador foi substituído por uma ferramenta de mandrilamento, e o diâmetro do furo após a usinagem foi de 7,60~7,72mm, ultrapassando os requisitos de tolerância e causando o sucateamento da peça. O plano final otimizado foi: usando uma fresa de diâmetro-variável de 7 mm de diâmetro para fresamento de furos inclinados, a taxa de passagem das peças usinadas atingiu 100%. A ferramenta para usinagem de furo inclinado estendido é mostrada na Figura 13.
a) Fresa de topo com haste reta b) Alargador com haste reta c) Fresa de mandrilar d) Fresa de topo com diâmetro variável Figura 13 Ferramentas de usinagem de furo oblíquo estendido
4.6 Melhoria na usinagem de furos de rolamento
No 13º processo de usinagem do furo do rolamento, o requisito de diâmetro do furo é mm. O plano inicial era: usar uma fresa de topo de φ20 mm para fresar até φ34,4 mm e, em seguida, usar uma fresa mandriladora para perfurar até o tamanho final. Porém, após a usinagem, surgiram marcas de vibração na parede do furo, que não puderam ser resolvidas após múltiplos ajustes de parâmetros. As ferramentas de usinagem são mostradas na Figura 14.
a) Fresa de mandrilamento b) Fresa de topo Figura 14 Ferramentas de usinagem de furo de rolamento
4.7 Impacto do shot peening nas peças
O plano inicial de usinagem de furos de precisão era: torneamento CNC, mandrilamento de precisão do furo interno com uma tolerância de 0,05 mm em um lado, brunimento para garantir uma tolerância de diâmetro do furo de 0,02 mm e uma cilindricidade de 0,02 mm e, finalmente, shot peening do diâmetro externo da peça. No entanto, o shot peening causou deformação do furo interno da peça, com o diâmetro aumentando em 0,015–0,025 mm na posição central axial. Algumas peças ultrapassaram o limite superior de tolerância e foram sucateadas.
Para resolver este problema, a sequência do processo foi ajustada após consulta ao cliente, colocando brunimento após shot peening. A deformação do furo interno após o shot peening foi de aproximadamente 0,025 mm, que foi completamente coberta pela margem-de face única de 0,05 mm reservada para o brunimento. Após o ajuste, a tolerância do diâmetro do furo interno após o brunimento pode ser controlada em 0,010 mm e a cilindricidade em 0,015 mm, atendendo aos requisitos do desenho. O impacto do shot peening no furo interno é mostrado na Tabela 8.
Tabela 8 Impacto do Shot Peening no Controle do Furo Interno (Unidade: mm)
PARTE 5
Conclusão
Através de múltiplas rodadas de otimização e melhoria enxuta durante o estágio de verificação do processamento, esta peça cilíndrica de precisão aeroespacial finalmente alcançou uma produção em massa estável. A experiência de processamento tradicional não é mais aplicável às dificuldades de processamento do material 35CD4. Várias medidas, como otimização de processos, otimização de seleção de ferramentas e otimização de parâmetros de processamento, são necessárias para superar os desafios de processamento [4]. 35o aço de alta resistência-CD4 tem excelente desempenho, mas também traz maiores desafios de processamento. Na produção real, é necessário selecionar especificamente modelos de ferramentas e formular parâmetros de processamento razoáveis. Com o desenvolvimento de tecnologias de processamento emergentes, a dificuldade de processamento desses materiais difíceis de-usiná-los-diminuirá gradualmente, e a experiência de processamento relevante precisa ser continuamente resumida e acumulada. Além disso, o processo de shot peening tem um impacto irreversível nas dimensões de precisão das peças, o que indica que o design do processo é um projeto sistemático. O arranjo do processo precisa seguir regras lógicas e considerar plenamente a influência mútua entre cada processo, a fim de formular um plano de processamento científico e razoável [5] e alcançar uma produção eficiente, garantindo ao mesmo tempo a qualidade do produto.
