Частное предприятие Intellectronics. Обработка на станках с ЧПУ

При производстве деталей планера самолета для полного раскрытия потенциала высокоскоростной обработки одной лишь оптимизации процесса фрезерования недостаточно. Максимальной эффективности производства можно достичь только при условии, что весь процесс изготовления готового изделия рассматривается как единое целое, включая параллельный инжиниринг.

Современные тенденции в мировом авиастроении связаны с увеличением спроса на аутсорсинг при изготовлении отдельных деталей при их дальнейшей поставке на итоговую сборку корпуса ЛА, а также предполагают использование единого субподрядчика для разработки и производства комплектующих машин. Важную роль также играет практика так называемого параллельного инжиниринга. В условиях нарастающего ценового давления, связанного с экономическим кризисом, непрерывно повышающихся требований к качеству и уменьшения размеров партий изделий все более важной, если не жизненно необходимой, становится гибкость процесса обработки.

Переход от дифференцированного проектирования к интегральному

Разнообразные сборки, состоящие из нескольких деталей — нервюры, шпангоуты, лонжероны, стрингеры — обычно составляют самую многочисленную группу узлов самолета. В основном при их изготовлении используются алюминиево-магниевые сплавы. Вследствие особенностей обработки и ограничений по весу они традиционно производились из гнутых деталей из листового алюминия, скрепленных вместе с помощью заклепок. Этот метод частично используется и в настоящее время и в зарубежной литературе называется методом дифференцированного проектирования.

Вместе с тем сегодняшние технологии позволяют интегрировать различные функции в процессе обработки сборки, применяя так называемый метод интегрального проектирования. В итоге изделия сложной формы окончательно фрезеруются из цельного алюминиевого профиля. Они часто имеют чрезвычайно тонкие основание и стенки (0,6–2 мм), а также большую строительную высоту. Геометрия таких деталей состоит из плоскостей и поверхностей сложной конфигурации. В чем состоит преимущество метода интегрального проектирования? Пример — главный лонжерон самолета Pilatus PC 9, который при традиционном методе состоит из 156 отдельных (дифференцированных) сборок. В процессе их установки требуются специальные гибочные инструменты и монтажные крепления. Если же применять новую методику, то количество отдельных деталей уменьшается до трех, а для их соединения используются достаточно простые устройства.

Причины создания нового метода

Когда была разработана современная конструкция фонаря планера (кабины пилотов), еще не существовало адекватных по развитости инструментов программирования. Работа инженеров-конструкторов и технологов основывалась в значительной мере на опыте и интуиции. Тогда ЧПУ только зарождались, а обработка сложных форм программировалась на таких языках высокого уровня, как АПТ и ФОРТРАН. Станки с ЧПУ были 2,5-координатными, что жестко ограничивало их технологические возможности.

Это была одна из причин того, что фонарь самолета производился из алюминиевых профилей, сформованных гибкой или штамповкой из листа. До двадцати отдельно сформованных деталей соединялись клепкой в одну большую сборку. Каждая из этих листовых деталей производилась за несколько сложных операций (до 15), которые необходимо было отдельно программировать и контролировать. Только специальные знания и мастерство каждого рабочего гарантировали корректность изготовления изделия. Процесс гибки требовал сложной гибочной оснастки и инструментов, а итоговая форма детали достигалась посредством многочисленных вносимых изменений в нее. Материал подвергался одиннадцати механическим и четырем тепловым обработкам, приводящим к высокой доле брака из-за несоответствия геометрии, напряжений в материале или его повреждений. Еще шесть операций были необходимы для монтажа фонаря планера. Они также выполнялись специально обученными и квалифицированными профессионалами, имеющими глубокие знания и соответствующий опыт, которым было также необходимо учитывать распределение напряжений в материале.

Конечное изделие — всего за три операции

Современные программные системы и станочные ЧПУ позволяют на фрезерных станках обрабатывать поверхности, которые невозможно было фрезеровать ранее. В настоящее время проектирование, изготовление и сборка планеров интегрированы в единый технологический процесс. Результатом его является оптимизация процесса разработки изделия, технологических процессов и сокращение затрат на его разработку. Если раньше при традиционной технологии для получения сборной нервюры требовалось двадцать листовых деталей, то сейчас — только две. Хотя для изготовления таких узлов по-прежнему необходима обработка сложных поверхностей. В конечном счете деталь фрезеруется из цельного алюминиевого бруса, при этом 98 % исходного материала превращается в стружку.

На сегодняшний день именно на ЧПУ возлагается решение сложных задач, ранее выполнявшихся высококвалифицированными специалистами. Основными компонентами полного цикла обработки являются: CAD/CAM-системы, режущие инструменты, конструкция зажимного приспособления и технология фрезерования.

Производство «фонаря» самолета состоит из трех операций.

1. Создание заготовки с отверстиями для фиксации.

2. Фрезерование.

3. Ручное сверление крепежных отверстий.

Снятие заусенцев с детали происходит во время обработки. После прохождения контроля качества первой детали процесс фрезерования происходит автоматически, не требуя присутствия оператора. Существенно упрощена процедура контроля размеров и дефектов, что приводит к минимизации затрат по сравнению с традиционным методом.

Таким образом, метод интегрального проектирования позволяет изменить сборочный процесс, а именно собрать сразу целый модуль непосредственно после фрезерования. Элементы конструкции сборки изготавливаются с жесткими допусками, вследствие чего являются взаимозаменяемыми. Процесс является безопасным и стабильным и требует меньших временных затрат по сравнению с традиционным методом.

Полная обработка — за два установа

Полная фрезерная обработка детали, включая выполнение крепежных отверстий, осуществляется за два установа. Для предотвращения деформации от напряжений и обеспечения жестких допусков на тонкостенных компонентах применяется высокоскоростная обработка. В ходе ее используются торцовое фрезерование и фрезерование режущей кромкой. Приблизительно 60 % обработки выполняется в 5-координатном режиме. Черновое фрезерование при этом занимает около 40 % от общего времени обработки. Ручная обрезка заусенцев с участков зажима и сверления крепежных отверстий выполняется во время нахождения детали в зажимном приспособлении.

Первый установ

Сначала заготовка прикрепляется к наклонным и стандартным зажимным плитам. Контроль ее размеров производится с помощью щупа Renishaw. Во время первого цикла фреза Ф63 мм, постоянно перемещающаяся по оси Z, грубо очерчивает окончательный контур. Скорость подачи при этом достигает 17 м/мин, а производительность съема стружки составляет 6500 мм3/мин. В последующем цикле осуществляется черновое фрезерование внешней формы заготовки с использованием твердосплавной фрезы Ф25 мм.

Поскольку контур является поверхностью сложной конфигурации, то удаление постоянного припуска на окончательную поверхность достигается 5-координатной обработкой.

Чистовое фрезерование поверхности производится с помощью твердосплавной фрезы Ф16 мм в 5-координатном режиме со скоростью подачи до 9 м/мин. Той же фрезой формируются зажимные участки для второго установа.

Второй установ

Деталь посредством специального адаптера зажата на стороне, которая уже подверглась чистовой обработке. Во время первого цикла фреза Ф63 мм, постоянно перемещающаяся по оси Z, грубо очерчивает окончательный контур. Последующий цикл повторяет операцию, идентичную первому установу. Дальнейшая чистовая обработка является критичной, так как деталь очень тонкая и, следовательно, чувствительна к повреждениям из-за вибраций. Поэтому во избежание таких повреждений сначала производится чистовая обработка контура, а затем — карманов. На последнем цикле с помощью фрезы Ф10 мм происходит отрезка детали от зажимных участков.

Оборудование и инструменты, применяемые для обработки при интегральном методе

Заготовка предварительно отрезается в размер из алюминиевого бруса толщиной 127 или 76 мм с помощью водоструйной резки. Соответственно, вес заготовки размерами 840 x 665 мм составляет 60–90 кг. Зажимное приспособление состоит из наклонной плиты, диска со стандартной схемой расположения отверстий, а на оборотной стороне зажима расположен специальный адаптер с вакуумной муфтой.

Для 5-координатной обработки применяется станок STC 1000/130 производства фирмы StarragHeckert, специально предназначенный для этих целей. Он обеспечивает скорость вращения шпинделя до 24 000 об/мин при максимальной мощности привода 70 кВ. Конус шпинделя — типа HSK-63A. Передвижение по осям находится в диапазоне: Х = 1700 мм,Y = 1600 мм, Z = 1950 мм. Угол качания оси шпинделя находится в пределах 60/+100°. Поворотный стол вращается по оси B. Все узлы станины являются сварными металлическими конструкциями, обеспечивающими высокую жесткость.

Процесс обработки детали требует набора инструментов, состоящего из 8 фрез (упомянутых выше) и 4 сверл. Фрезы со сменяемыми пластинами являются моноблочными с диаметром до 32 мм. Такие фрезы используются при скорости вращения шпинделя до 24 000 об/мин.

Все инструменты с диаметром от 25 мм и выше имеют как внутреннее охлаждение, так и наружное (масляным туманом).

Инструменты с диаметром менее 25 мм являются цельными твердосплавными и зажимаются в сбалансированных термооправках. Длина их варьируется в пределах 90–220 мм. Все режущие инструменты и сопутствующие оправки сбалансированы по стандарту качества Q2.5 на скорости 24 000 об/мин, параметры их определены исходя, в том числе, из необходимости обеспечения безопасности работы. Кроме того, весь набор инструментов с оправками проходит тестирование на вибрацию специальным программным обеспечением на критических скоростях.

Результаты реализации данного проекта намного превзошли ожидания его разработчиков. Характеристики получаемых деталей находятся в жестких допусках. Время изготовления сокращается почти на 75 %, а сам процесс требует минимального количества персонала. Непрерывность выполнения работ позволяет быстро реализовывать все необходимые изменения в конструкции деталей. Значительно упрощаются также процедуры управления производством.