Анализ проблем при обработке деталей сложной геометрии и путей их решения на этапе технологической подготовки производства

Анализ проблем при обработке деталей сложной геометрии и путей их решения на этапе технологической подготовки производства Маданов А. В.

Маданов Александр Владимирович /Madanov Aleksandr Vladimirovich - аспирант, кафедра математического моделирования технических систем, факультет математики, информационных и авиационных технологий,

Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск

Аннотация: в статье анализируются проблемы обработки авиационных деталей сложной геометрии на станках с ЧПУ. Описаны методы решения данных проблем на этапе технологической подготовки производства.

Ключевые слова: станок с ЧПУ, фрезерование, авиационные детали, CAM система, управляющая программа.

При механической обработке авиационных деталей на станках с ЧПУ часто возникают различные проблемы, оказывающие влияние на качество и производительность изготовления таких деталей. К основным проблемам можно отнести:

• вибрации инструмента и детали во время обработки;

• деформации детали во время обработки;

• некорректное построение траектории инструмента стандартными шаблонами операций CAM-системы;

• сложность базирования заготовок в виде штамповок и отливок;

• неверный выбор приспособлений для крепежа заготовки;

• ошибки при выборе инструмента и назначении режимов резания.

Для решения проблемы вибрации применяется более жесткое крепление детали в тисках и подбор режимов резания. Программист корректирует в сторону уменьшения съём материала, а оператор-наладчик опытным путем подбирает обороты и подачу, корректируя заданные программистом параметры при помощи потенциометра. Из опыта зарубежных коллег следует отметить применение станков с роликовыми механизмами, придерживающими заготовку в процессе обработки, а также стратегию обработки с большим припуском, при которой не снятый припуск вокруг зоны резания обеспечивает дополнительную жесткость заготовки. К основным способам борьбы с вибрацией можно также отнести:

• использование отбалансированной инструментальной наладки;

• уменьшение вылета инструмента;

• применение виброгасящих оправок;

• применение термооправок;

• использование специальной оснастки;

• варьирование режимов резания.

Важную роль при технологической подготовке производства играет выбор технологической оснастки. Это особенно актуально при обработке деталей с большой площадью полотен малой толщины. В процессе эксплуатации самолета такие детали воспринимают большую часть нагрузок, возникающих в конструкции самолета (детали центроплана, шпангоуты, кронштейны, стенки нервюры, шасси). Частичное решение данной проблемы достигается за счет применения прижимающих приспособлений, которые устанавливают и перемещают по заготовке вблизи зоны резания. Таким образом обеспечивается дополнительное прижимающее воздействие, не дающее инструменту поднимать полотно. Недостатком существующего подхода являются большие потери на подготовительно-заключительное время.

В качестве альтернативы можно использовать вакуумные приспособления и эксцентриковые зажимы. Вакуумные приводы обеспечивают прижим заготовки к опорной плоскости корпуса силой атмосферного давления за счет создания полости с разреженным воздухом с одной из ее сторон. В этом случае заготовка не деформируется под действием сосредоточенных сил зажима, поэтому вакуумные приспособления особенно удобны при закреплении тонких плоских деталей. Они применяются и для закрепления заготовок с криволинейной базовой поверхностью. Использование вакуумных приспособлений позволяет избежать вибрации, что при обработке тонких стенок дает большую точность и меньшую шероховатость. Также вакуумный метод крепления позволяет сократить количество прижимов, что сокращает подготовительно -заключительное время.

При механической обработке деталей сложной геометрии часто происходят деформации вследствие наличия в заготовках внутренних напряжений. Величина и характер распределения остаточных напряжений зависят от конфигурации заготовки, ее габаритных размеров и соотношения размеров отдельных элементов, способа получения исходной заготовки и других факторов. Большие остаточные напряжения возникают в исходных заготовках, получаемых литьем, ковкой, штамповкой, из-за неравномерного охлаждения разных элементов заготовки. Величину деформаций не всегда можно компенсировать введением дополнительных припусков на обработку. При снятии припуска часто происходят коробления заготовки по полотну, поэтому в техпроцесс вводят правку после обработки. Происходящие во время обработки деформации являются

крайне неустойчивым процессом, и прогнозирование характера таких деформаций возможно лишь в ряде случаев.

В настоящее время данная проблема решается путем закладки в техпроцесс обработки в несколько переходов с уменьшением глубины резания и введением чистового прохода. На первом проходе деталь обрабатывается со всех сторон. Величина припуска должна быть достаточной для высвобождения всего потенциала возможных деформаций. Далее заготовке необходимо отлежаться. На последующих переходах учитываются коробления заготовки, и в пределах оставшегося припуска дальнейшие деформации компенсируются за счёт неравномерного съёма металла. Кроме того, для исключения или уменьшения возможных деформаций во время обработки детали необходимо разработать правильный техпроцесс термической обработки заготовки. Для сокращения машинного времени, а также из-за технологических требований (структура и направление волокон материала и т. п.), некоторые детали производятся из штамповок и отливок. Штампованные заготовки отличаются друг от друга, в связи с этим нет точного повторения баз, возникает проблема сложности базирования таких заготовок. Как следствие, изменяется припуск на заготовки, что в результате приводит к неравномерному съему металла. При этом нецелесообразно постоянно корректировать операции в уже отработанном (внедренном) комплекте УП, поскольку каждая новая партия штамповок может иметь свои отличия.

Существует два варианта решения проблемы погрешности заготовок. В первом случае программист изначально вводит в УП разгрузки дополнительные проходы (по воздуху). Однако дополнительные проходы значительно увеличивают машинное время. Согласно второму варианту, оператор производит смещение системы координат детали (относительного нуля) вверх по оси Z, поднимая при этом начальные уровни обработки. Потери машинного времени в этом случае меньше, т. к. оператор знает величину смещения для каждой конкретной штамповки. Таким образом, недостатками существующих методов являются зависимость результата работы от квалификации оператора станка с ЧПУ, а также увеличение машинного времени, что отрицательно сказывается на себестоимости детали.

Более эффективным решением проблем базирования заготовок и учёта деформаций могло бы стать внедрение адаптивной обработки, подразумевающей подготовку специальных управляющих программ с учётом предварительного обмера заготовки на станке с помощью датчика Renishaw. При адаптивной обработке управляющая программа автоматически корректируется по результатам обмера контрольных точек, что снижает требования к квалификации оператора, а также сокращает машинное время обработки за счёт исключения проходов по воздуху. Однако данный способ требует разработки дополнительных программ обмера заготовки и технологии корректировки управляющих программ обработки. Ужесточение требований к заготовительному хозяйству, введение более жестких допусков на заготовки могут позволить решить данную проблему, однако существенно повысят стоимость производства заготовок.

Часто при подготовке УП для деталей со сложными криволинейными поверхностями, большим количеством скруглений программист сталкивается с невозможностью или некорректностью построения траектории движения инструмента стандартными шаблонами операций CAM системы. Это связано со спецификой математического аппарата, заложенного в стандартных шаблонах CAM-системы. В таких ситуациях программисту приходится создавать технологические модели детали, с помощью дополнительных построений упрощать геометрию детали так, чтобы CAM-система строила корректную траекторию обработки. Совокупность траекторий инструмента, построенных по технологическим моделям, позволяет формировать корректные управляющие программы обработки детали.

Кроме того, инженеры-программисты из-за отсутствия достаточного опыта могут совершать ошибки при выборе шаблонов операций CAM-системы для обработки различных конструктивно-технологических элементов детали.

Решением данной проблемы могло бы стать использование предварительно настроенных шаблонов CAM операций под обработку отдельных конструктивно-технологических элементов или их совокупностей [1]. При выборе шаблонов обработки целесообразно декомпозировать деталь по типам элементов, для которых характерно использование определенных шаблонов CAM-системы. Для этого была проведена классификация элементов деталей сложной геометрии, для которых с учетом типа станка определены шаблоны обработки Siemens NX CAM с комментариями по их применению и настройке, и обозначен рекомендуемый режущий инструмент [2].

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России.

Литература

1. Дрянушкин А. А. Методики создания шаблонов обработки и библиотека станочной оснастки для разработки управляющих программ в среде NX 7.5 // Известия Сам. НЦ РАН. 2013. Т. 15, № 4 (3). С. 683 -687.

2. Маданов А. В. Анализ технологической подготовки производства авиационных деталей сложной геометрии на станках с числовым программным управлением // Известия Сам. НЦ РАН. 2014. Т. 16, № 1 (5). С. 1467-1472.