Učinkovite rešitve za rezkalno-stružno kompozitno obdelavo

 

Učinkovitost in natančnost sta večna cilja na področju obdelave kovin. Z nenehnim razvojem CNC tehnologije, računalniške tehnologije, strojnih orodij in obdelovalnih procesov tradicionalni koncepti obdelave ne izpolnjujejo več zahtev po hitrosti, učinkovitosti in natančnosti. V tem ozadju se je pojavila tehnologija obdelave kompozitov. Na splošno se kompozitna obdelava nanaša na niz tehnik obdelave, ki lahko izvajajo različne postopke ali metode na enem samem kosu opreme. Trenutne kompozitne obdelovalne tehnologije so večinoma dveh vrst: ena temelji na različnih oblikah energije ali gibanja, druga, predvsem mehanska, pa temelji na principu koncentracije procesa. Med temi je kompozitna obdelava s struženjem postala ena najhitreje rastočih tehnologij v zadnjih letih.

 

▲ Rezkalno-stružna kompozitna obdelava

 

Za vesoljske dele so vedno bolj značilne majhne serije, zapleteni procesi in obsežna uporaba integralnih tankostenskih struktur in materialov, ki jih je težko obdelovati. Posledica tega so ozka grla, kot so dolgi proizvodni cikli, visoke stopnje odstranjevanja materiala, nizka učinkovitost obdelave in hude strojne deformacije. Da bi izboljšali učinkovitost in natančnost kompleksnih letalsko-vesoljskih izdelkov, inženirji že dolgo iščejo učinkovitejše in natančnejše metode obdelave. Pojav rezkalno-stružne kompozitne strojne opreme ponuja učinkovito rešitev za izboljšanje natančnosti in učinkovitosti letalskih delov.

 

V primerjavi s klasičnimi CNC obdelovalnimi postopki se prednosti kompozitne obdelave kažejo predvsem na naslednjih področjih:

 

(1) Skrajšanje verige proizvodnega procesa in povečanje proizvodne učinkovitosti

Rezkalno-stružna kompozitna obdelava omogoča dokončanje večine ali vseh korakov obdelave z enim samim vpenjanjem, kar bistveno skrajša verigo proizvodnega procesa. To zmanjša pomožni proizvodni čas zaradi repozicioniranja, skrajša proizvodni cikel za napeljave in poveča učinkovitost proizvodnje.

 

(2) Zmanjšanje števila sponk in izboljšanje natančnosti obdelave

Manj vpenjanja zmanjša napake, ki jih povzročajo referenčne konverzije. Sodobni rezkalno-stružni stroji imajo pogosto spletne merilne zmogljivosti, ki omogočajo pregled na mestu in natančen nadzor ključnih podatkov med proizvodnim procesom, s čimer se izboljša natančnost delov.

 

(3) Zmanjšanje talne površine in znižanje proizvodnih stroškov

Medtem ko ima kompozitni stroj za rezkalno struženje lahko visoko posamezno ceno, lahko skrajšana procesna veriga in zmanjšanje zahtevane opreme, napeljave, talne površine in stroškov vzdrževanja znatno zmanjša celotno naložbo, proizvodne operacije in stroške upravljanja.

 

 

I Key Technologies inSestavljenoStrojna obdelava

 

Kljub prednostim v primerjavi s konvencionalno enoprocesno obdelavo, uporaba rezkalno-stružnih kompozitnih obdelav v vesoljski industriji še ni dosegla svojega polnega potenciala. Glavni razlog je v razmeroma kratkem času uporabe te tehnologije v vesoljski proizvodnji, pa tudi v nenehnem raziskovanju postopkov struženja z rezkanjem, CNC programiranja, naknadne obdelave in simulacijskih tehnologij, ki ustrezajo strukturnim procesnim značilnostim letalskih delov. Da bi v celoti izkoristili zmogljivosti kompozitne opreme za struženje in povečali učinkovitost in natančnost, je bistveno premagati te izzive in doseči integrirane aplikacije.

 

1. Tehnologija obdelave kompozitnih stružnih materialov

Za razliko od običajne obdelovalne opreme je kompozitni obdelovalni center za struženje v bistvu proizvodna linija. Učinkovita in natančna strojna obdelava je odvisna od tega, kako dobro je načrtovana procesna pot, kako je izvedeno vpenjanje in kako so orodja izbrana na podlagi procesnih značilnosti dela in značilnosti stružne obdelave.

 

Koncentracija procesa je najbolj značilna lastnost kompozitne obdelave. Zato je znanstvena in racionalna pot postopka ključna za izboljšanje učinkovitosti in natančnosti strojne obdelave s struženjem. Ko se palični material uporablja kot surovec za izdelavo rotorja, konvencionalna pot obdelave vključuje struženje zunanjega profila rotorja na CNC stružnici, ki mu sledi natančno struženje za referenčne površine, petosna CNC obdelava za rezanje utorov, groba obdelava, polkončna obdelava, in končna obdelava površin in pest ter končno vrtanje na petosnem obdelovalnem centru ali vrtalni opremi. Z uporabo rezkalno-stružnega centra S192F je mogoče celoten postopek zaključiti z enim samim vpenjanjem, pri obdelavi palic pa lahko stroj celo avtomatizira rezanje, podajanje in masovno proizvodnjo rotorja brez človeškega posredovanja. Postopek postopka je mogoče nastaviti na naslednji način:

 

Vpenjanje palic z vretenom → Grobo struženje zunanjega profila → Natančno struženje zunanjega profila → Petosno rezkanje za utorjenje → Groba obdelava pretočnega kanala → Polfinska obdelava pretočnega kanala → Natančna obdelava pretočnega kanala → Vrtanje → Vpenjanje zadnjega vretena → Vrtenje spodnje ravnine rotorja → Vrtanje.

 

Kot je prikazano, enojno vpenjanje zaključi vse korake obdelave rotorja, kar močno izboljša učinkovitost in natančnost.

Za rezkalno-stružne centre z dvojnimi orodnimi stolpi je oprema z dvojnimi stolpi opremljena z dvokanalnimi krmilnimi sistemi, kjer je mogoče neodvisno krmiliti zgornji in spodnji orodni stolp. Hkratno obdelavo je mogoče doseči s sinhroniziranimi ukazi v kodi. Da bi v celoti izkoristili zmogljivosti opreme, je mogoče realizirati sinhrono delovanje več procesov na delu, kar omogoča na primer hkratno grobo struženje zunanjega profila in grobo vrtanje notranje luknje, s čimer se izboljša učinkovitost obdelave. Sinhrono gibanje zgornjega in spodnjega orodnega stolpa omogoča učinkovito obdelavo serije lukenj, izboljšanje učinkovitosti in zmanjšanje deformacije obdelovanca z uravnoteženjem aksialnih vrtalnih sil. Da bi dosegli to funkcionalnost, je v začetni fazi načrtovanja procesa potrebna temeljita raziskava zaporedja procesnih poti in sinhronizacije.

 

2. Tehnologija CNC programiranja za stružno rezkanje

Napredek tehnologije strojne obdelave za struženje zahteva višje standarde za CNC programiranje, ki je postalo ozko grlo pri uporabi opreme za struženje v dejanski proizvodnji. Brez specializiranih rešitev za kompozitno obdelavo se splošna programska oprema CAM običajno uporablja za načrtovanje dela obdelovalnega programa, ki ga nato ročno integrirajo procesni inženirji, da izpolnijo zahteve kompozitne obdelave. Ta metoda postavlja visoke zahteve za procesne inženirje. V primerjavi s tradicionalnim CNC programiranjem predstavlja programiranje za struženje več izzivov:

 

 

(1)Diverzni procesi

Za procesne inženirje je bistvenega pomena ne le obvladanje metod programiranja za različne metode obdelave, kot so CNC struženje, večosno rezkanje in vrtanje, ampak tudi natančno definiranje povezave med operacijami ter potmi približevanja in umika. Zato morajo inženirji med programiranjem CNC jasno razumeti model procesa in porazdelitev dodatkov za obdelavo po vsaki operaciji, da olajšajo programiranje in nastavitve poti orodja za naslednjo operacijo.

 

(2) Odvračatirudarjenje mora zaporedje vzporednih in serijskih operacij strogo upoštevati procesno pot

Številne dele je mogoče v celoti obdelati od surovine do končnega izdelka na rezkalno-stružnem kompozitnem obdelovalnem centru. Tako se mora končni CNC program uskladiti s procesno potjo. Poleg tega je treba med postopkom CNC programiranja temeljito upoštevati večkanalno vzporedno obdelavo. Zato je za dosego učinkovite kompozitne obdelave treba razviti integrirane rešitve, ki združujejo proces, programiranje in simulacijo.

 

(3) Trenutna splošna programska oprema CAM še ne podpira nekaterih funkcij kompozitne obdelave s struženjem.

V primerjavi s konvencionalno obdelavo z enim strojem ima rezkalno-stružna kompozitna obdelava bolj zapletene premike stroja in funkcije obdelave. Trenutna splošna programska oprema CAM še vedno ne zadošča za popolno podporo naprednih funkcij, kot so spletne meritve, rezanje, samodejno podajanje in nadzor zadnjega dela. Posledično programi, ki jih ustvari splošna programska oprema CAM, pogosto zahtevajo znatno ročno ali interaktivno posredovanje, preden jih je mogoče uporabiti za avtomatizirano rezkalno-stružno kompozitno obdelavo.

 

(4) Programska integracija

NC programi, ustvarjeni s splošno programsko opremo CAM, so neodvisni drug od drugega. Za avtomatizirano in kompleksno rezkalno-stružno kompozitno obdelavo morajo biti ti neodvisni programi integrirani. To integracijo mora voditi procesna pot dela, najprej določiti, kateri programi so vzporedni, nato pa določiti zaporedje obdelave za različne procese. Zagotoviti je treba tudi natančna navodila za menjavo orodij, zamenjavo vpenjal, referenčne pretvorbe in premike približevanja/namika.

 

Očitno je, da je CNC programiranje za kompozitno obdelavo s struženjem zelo zahtevno in da je pri uporabi splošne programske opreme CAM za ta proces še vedno veliko pomanjkljivosti in pomanjkljivosti. Za reševanje teh težav je bolj praktična rešitev razvoj specializiranih sistemov za programiranje, ki temeljijo na obstoječi splošni programski opremi CAD/CAM, ki skrbi za procese izdelkov in kompozitno strojno opremo. Ta pristop ne le zmanjša odvečne naložbe v programsko opremo, ampak se tudi izogne ​​težavam, kot je nezmožnost ponovne uporabe procesnega znanja in zapletenost kadrovske službe, ki jo povzročajo nepoenotene programske platforme.

 

 

3. Tehnologija naknadne obdelave za stružno rezkanje

 

V skladu s tehnologijo CNC programiranja, rezkalno-stružna kompozitna obdelava zaradi kompleksnih procesov in številnih gibljivih delov nalaga višje zahteve trenutni programski opremi in tehnologijam za naknadno obdelavo. V primerjavi s konvencionalno CNC opremo se izzivi naknadne obdelave za stružno kompozitno obdelavo odražajo predvsem v naslednjih vidikih:

 

(1) Natančni in strogi prehodi gibanja med procesi

Glede na različne procese na kompozitni opremi za rezkanje in struženje mora stroj po zaključku trenutne operacije samodejno in natančno preklopiti metode obdelave, orodja in gibljive komponente, da zagotovi pravilnost in varnost. Da bi to dosegli, je treba nastaviti ustrezne poti približevanja in umika orodja ter časovni razpored za samodejno menjavo orodja in vklop/izklop hladilne tekočine. Še pomembneje je, da je treba določiti položaje negibljivih komponent med trenutnim delovanjem, da preprečite trke med premikajočimi se in negibljivimi deli med menjavo orodja in obdelavo, kar zagotavlja varen in stabilen proces.

 

(2) Avtomatsko določanje procesnih zaporedij in CNC programov

Pri kompozitni obdelavi je procesna pot razmeroma dolga, ročno organiziranje in integracija NC-kode po naknadni obdelavi pa ni le neučinkovita, temveč tudi nagnjena k napakam. Idealna rešitev je, da sistem za naknadno obdelavo samodejno določi zaporedje obdelave in procesne metode, vdelane v datoteke poti orodij, s čimer zagotovi, da se te ohranijo v kodi NC po naknadni obdelavi. Zato datoteka poti orodja, ustvarjena po CNC-programiranju, ne sme vsebovati samo procesnih metod in podatkov o položaju orodja, temveč mora vključevati tudi zaporedja obdelave, vrste orodij in številke orodij. To omogoča samodejno določanje procesnih zaporedij, metod in orodij med naknadno obdelavo.

 

(3) Naknadna obdelava za različne metode obdelave

Program za naknadno obdelavo za rezkalno-stružno kompozitno obdelavo mora obravnavati večosno CNC rezkanje, struženje in vrtanje ter funkcije, kot so rezanje, samodejno podajanje, krmiljenje zadnjega dela in klici programske zanke. Algoritem naknadne obdelave za rezkalno-stružno kompozitno obdelavo mora zajemati vse obstoječe metode CNC obdelave ter brezhibno integrirati in usklajevati različne metode in gibe obdelave.

 

(4) Povečanje naprednih funkcij nadzornih sistemov

CNC-sistemi, ki se uporabljajo v rezkalno-stružnih kompozitnih obdelovalnih centrih, so zelo napredni, kot je sistem FANUC 31i, ki se uporablja v Bumotec S192FT, in sistem SINUMERIK 840D, ki se uporablja v WFL 150. Ti napredni nadzorni sistemi ponujajo funkcije, kot so samodejno optimiziranje podajanja, glajenje vektorjev orodja, vrhunski pogled naprej ter hitra in zelo natančna interpolacija. Zato je ključnega pomena odražanje teh naprednih sistemskih funkcij CNC v ustreznih delih obdelovalne kode, ustvarjene med naknadno obdelavo, da se v celoti izkoristijo zmogljivosti kompozitne opreme za struženje.

 

(5) Upravljanje in klicanje nerezovalnih funkcij

Poleg funkcij struženja, rezkanja, vrtanja in vrtanja imajo kompozitni obdelovalni centri tudi nerezalne funkcije, ki so potrebne za procesne prehode, kot so samodejno podajanje, razkladanje, priklop vretena in krmiljenje zadnjega dela. Te funkcije je treba obravnavati kot običajne module v fazi naknadne obdelave, ki jih lahko prikliče program. Zaporedje in čas teh klicev je treba določiti glede na pot procesa. Trenutno programska oprema za naknadno obdelavo teh funkcij ne podpira v celoti.

 

 

4. Simulacijska tehnologija za rezkalno-stružno obdelavo

 

Zaradi številnih gibljivih delov in zapletenih funkcij rezkalno-stružnih kompozitnih obdelav postane simulacija po programiranju še posebej kritična. Ker je sprejetje rezkalno-stružnih kompozitnih obdelav v kitajski vesoljski proizvodni industriji razmeroma nedavno, trenutno ni zrelih aplikacijskih tehnologij za simulacijo. Večina proizvajalcev se za preverjanje in optimizacijo programov zanaša na poskusno rezanje, kar vodi v dolge cikle priprave procesa, visoka razvojna tveganja in povečane stroške obdelave.

 

Da bi izboljšali uporabo kompozitne obdelave s struženjem in povečali učinkovitost programiranja, je treba znatno spodbujati uporabo simulacijske tehnologije. Trenutno glavna programska oprema, ki se uporablja za simulacijo kompozitne strojne obdelave, vključujeTopSolidinGibbs, vendar so ti na splošno dragi in se redkeje uporabljajo na kitajskem področju vesoljske proizvodnje. Pravzaprav je simulacijo kompozitne strojne obdelave s struženjem mogoče doseči tudi z uporabo splošne programske opreme za simulacijo CNC, kot je npr.VericutozNCSimul. S prilagoditvijo in razvojem makro funkcij, ki temeljijo na strukturi stroja, značilnostih gibanja, posebnih funkcijah in CNC sistemih, je mogoče simulirati obdelovalni proces.

 

Da bi dosegli simulacijo kompozitne strojne obdelave stružnice z uporabo splošne programske opreme za simulacijo CNC, je treba najprej zgraditi razmeroma realistično strojno okolje znotraj simulacijskega sistema. Osredotočiti se je treba na vzpostavitev razmerij relativnega gibanja in geometrijskih položajev različnih gibljivih delov stroja. Na podlagi te osnove je treba nastaviti knjižnico orodij in ustrezne številke orodij, ki se uporabljajo v procesu obdelave. Nato konfigurirajte sistem CNC in reference obdelave stroja ter naložite kodo NC, ki jo je ustvarila stopnja naknadne obdelave, v simulacijski sistem za izvedbo simulacije procesa obdelave. Za razliko od običajne CNC obdelave lahko nekatere funkcije (kot je večkanalna obdelava ali krmiljenje zadnjega dela) zahtevajo razvoj in prilagajanje makro funkcij, da se v celoti izvajajo.

 

 

II Možnosti uporabe in razvojni predlogi za tehnologijo stružnega rezkanja

 

 

V zadnjih letih so bili v kitajsko vesoljsko proizvodno industrijo uvedeni strojno-stružni kompozitni obdelovalni centri, vključno z obrati za letala, letalske motorje in dodatno opremo. Oprema obsega predvsem izdelke izAvstrijska WFLserije inšvicarski Bumotecrezkalno-stružni centri. Ker pa je njihova uporaba v proizvodnji sorazmerno nova, na splošno primanjkuje zrelih obdelovalnih procesov, tehnik programiranja in tehnologij naknadne obdelave, ki bi ustrezale značilnostim izdelka in opreme. Posledično uvedena rezkalno-stružna kompozitna strojna oprema trenutno deluje na relativno nizki ravni učinkovitosti.

 

Glavni izzivi pri proizvodnji vesoljskih izdelkov so dolge procesne poti, zapleteni postopki, nizka učinkovitost strojne obdelave, znatne deformacije in visoki stroški. Področja proizvodnje letal in motorjev imajo ogromen potencial za uporabo kompozitne obdelave s struženjem.

 

Na primer, rezkanje okvirja trupa vključuje na desetine korakov: pripravo materiala, grobo in fino obdelavo notranjih in zunanjih oblik, vrtanje lukenj, ročno končno obdelavo in pregled, ki zahteva večkratno ponovno vpenjanje. Podobno se celostna obdelava rezilnih diskov v letalskih motorjih začne s kovanjem surovcev in vključuje struženje, rezkanje, poliranje, površinsko obdelavo in odkrivanje napak. Ti deli imajo dolge proizvodne cikle, pogosto zasedajo stroje na stotine ur in zahtevajo različne vrste CNC strojev, skupaj s številnimi vpenjali, orodji in merilnimi instrumenti. Pogosto ponovno vpenjanje ne le podaljšuje čakalne dobe, ampak tudi kopiči napake pri pozicioniranju, kar vpliva na natančnost delov in končno kakovost.

 

Rezkalno-stružna kompozitna obdelava s svojo zmožnostjo dokončanja večine ali vseh operacij v eni nastavitvi ponuja novo pot za učinkovito in natančno obdelavo zapletenih letalskih in vesoljskih komponent. Prednosti se kažejo predvsem v:

 

• Znatno zmanjšanje časa vpenjanja, izboljšanje učinkovitosti ob odpravljanju napak, ki nastanejo zaradi menjave strojev ali metod vpenjanja.
• Koncentracija procesa, skrajšanje procesne verige strojne obdelave ter zmanjšanje čakalnih dob in obdobij nedelovanja strojev.
• Vsestranskost pri obdelavikot so struženje, rezkanje in vrtanje brez spreminjanja položaja, zmanjšanje števila potrebnih vpenjal in zagotavljanje dosledne dimenzijske natančnosti.
• Možnosti merjenja na stroju, kar omogoča merjenje med procesom in med procesom za nadzor natančnosti skozi celoten cikel obdelave.

 

Te prednosti lahko učinkovito odpravijo trenutne pomanjkljivosti v proizvodnji letalskih in vesoljskih delov, kar bistveno poveča natančnost in učinkovitost izdelka.

 

Da bi v celoti izkoristili potencial napredne opreme za strojno obdelavo kompozitov in dodatno izboljšali proizvodno učinkovitost in kakovost za vesoljske izdelke, je treba pozornost nameniti več ključnim področjem:

 

• Raziskave procesov obdelave kompozitovki se ujemajo z značilnostmi letalskih delov, vključno z določanjem procesnih poti, metod vpenjanja, orodij, strategij hlajenja in parametrov rezanja.
• Razvoj in prilagoditev CNC sistemov za programiranje, naknadno obdelavo in simulacijoki se ujemajo s strukturnimi in procesnimi značilnostmi opreme ter ustvarjajo integrirano rešitev za simulacijo procesnega programiranja po obdelavi in ​​s tem zmanjšajo odvisnost od visoko usposobljenega osebja.
• Vzpostavitev procesnih standardovz nabiranjem izkušenj iz simulacije, poskusnega rezanja in dejanske proizvodnje, ki lahko služijo kot vodilo za nadaljnjo izdelavo delov.
• Gojenje talentov, saj kompozitna obdelava predstavlja vrhunsko tehnologijo na področju strojne obdelave. Programiranje procesov in operativno vzdrževanje sta bolj zapletena kot običajna oprema, zaradi česar je ekipa za raziskave in razvoj na visoki ravni bistvena za zagotavljanje učinkovitega in zdravega delovanja opreme.

 

 

 

III Sklep

 

 

Trenutno se kompozitna obdelovalna oprema razvija v smeri širših procesnih zmogljivosti, višje učinkovitosti, operacij v večjem obsegu in modularizacije. Sektor letalske in vesoljske proizvodnje je bil vedno ključna stopnja za napredne proizvodne tehnologije in s pospešenim tempom nadgradenj letalskih in vesoljskih izdelkov bo razpršeno procesno opremo postopoma nadomestila prilagodljiva, avtomatizirana oprema s koncentriranimi procesi. Ta premik ponuja tehnologiji kompozitne strojne obdelave širši prostor za razvoj in uporabo.

 

Trend k bolj integriranim, prilagodljivim proizvodnim sistemom se dobro ujema z zahtevami sodobne letalske in vesoljske proizvodnje. Ker letalske in vesoljske komponente postajajo vse bolj izpopolnjene in se proizvodni roki krajšajo, se bodo proizvajalci vse bolj zanašali na napredne tehnologije obdelave, kot so kompozitni sistemi za struženje, za racionalizacijo procesov, izboljšanje natančnosti in zmanjšanje stroškov. Tekoči razvoj avtomatizacije in modularizacije opreme bo še povečal fleksibilnost, kar bo proizvajalcem omogočilo hitro prilagajanje novim dizajnom in proizvodnim zahtevam, kar bo zagotovilo, da bo vesoljska industrija ostala na samem vrhu tehnoloških inovacij.