Применение информационных технологий в организации конструкторско-технологической подготовки литейного производства авиастроительного предприятия

УДК 658.512

О. Ю. Левкина

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОРГАНИЗАЦИИ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА АВИАСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ1

Аннотация. Представлены результаты анализа литейного производства с точки зрения особенностей изделий авиационной техники, предложена последовательность разработки технологического процесса изготовления отливки с применением технологии быстрого прототипирования, а также проведено сравнение разработанных схем процесса конструкторско-технологической подготовки производства с применением новых информационных технологий и без.

Ключевые слова: литейное производство, конструкторско-технологическая подготовка производства, технологический процесс, технология быстрого прототипирования.

O.Y. Levkina

INFORMATION TECHNOLOGIES APPLICATION FOR ORGANIZTION OF ENGINEERING AND DESIGN STAGING OF CASTING PRODUCTION AT AN AIRCRAFT ENTERPRISE

Abstract. The article presents an analysis of casting production in terms of peculiarities of aircraft parts production. The author suggests an algorithm enabling the development of casting technological process which uses the fast prototyping technology. Besides that, the researcher compares the developed schemes of engineering and design staging of foundry production applying new information technologies and not applying them.

Key words: casting production, engineering and design staging, technological process, rapid prototyping technology.

Введение

Литейное производство (как заготовительное производство авиастроительного предприятия) отличается относительным разнообразием применяемых технологий и сложностью протекающих в нем процессов. Каждый из этих производственных процессов требует использования специального технологического оборудования, соответствующей оснастки, влияет на производственную структуру производства, профессиональный состав, организацию труда, оперативно календарное планирование и, в конечном счете, на эффективность функционирования производства [1, 2]. Повышения эффективности, технологичности и качества литейного производства авиастроительного предприятия можно достигнуть за счет применения современных информационных технологий на этапе конструкторско-технологической подготовки производства [3-5].

1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

1. Особенности организации конструкторско-технологической подготовки литейного производства

Литейное производство характеризуется большим разнообразием применяемых технологий [2] (отливка в разовые земляные формы, в кокиль, в машинах под давлением, в оболочковые формы, в металлические формы, центробежное литье, по выплавляемым моделям и др.).

Производственные процессы, протекающие в литейном производстве (приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление и подготовка форм и стержней, приготовление шихты и выплавка металла, заливка металла, выбивка и очистка-обрубка отливок), представляют собой различные технологические операции, взаимосвязанные и сочетающиеся при изготовлении отливок в одной и той же непрерывной технологической последовательности и не допускающие длительных перерывов между отдельными операциями.

Несмотря на высокую материало- и трудоемкость, непростые условия труда и неблагоприятные экологические последствия, литейное производство широко применяется в авиастроении. При анализе литейного производства авиастроительного предприятия были выявлены следующие особенности литых заготовок для изделий авиастроения:

1) изготовление большой номенклатуры деталей при относительно малой их серийности;

2) пространственная и контурная сложность деталей с обеспечением высоких требований к обеспечению точности изготовления и сборки;

3) получение деталей сложной конфигурации от поставщиков для обеспечения точной сборки;

4) конструктивная сложность литых металлических деталей, которые имеют большое число поднутрений для снижения их веса, что обусловливает сложность оснастки для изготовления моделей, форм и заготовок.

В силу отмеченной специфики литейного производства его конструкторско-технологическая подготовка является наиболее длительным процессом, значительно влияющим на конечную цену изделия. При этом наиболее трудоемкая и дорогостоящая часть подготовки - это разработка литейной технологии, проектирование и изготовление литейной оснастки, последующий выпуск первой партии изделий с целью отработки на технологичность применяемых методов получения литейных заготовок. В случае внедрения новых технологий особое значение приобретают также анализ, контроль и установление причин возникновения дефектов для определения оптимальных параметров технологического процесса. Таким образом, отработка на технологичность новых методов получения форм и литых заготовок определяют сроки изготовления и качество заготовок для цехов-потребителей предприятия, что в конечном итоге сказывается на эффективности производства [2, 3].

2. Современные информационные технологии, применяемые в литейном производстве

Повышения технико-экономической эффективности литейного производства можно достичь за счет применения на этапе конструкторско-технологической подготовки производства современных информационных технологий, таких как: системы автоматизированного проектирования технологиче-

ских процессов литья, системы компьютерного анализа прочности деталей, компьютерные базы данных и справочные системы, методы изготовления литьевых форм и моделей отливок с применением новых информационных технологий. Их использование влияет на сокращение сроков и снижение трудоемкости конструкторско-технологической подготовки производства новой номенклатуры отливок, уменьшения материалоемкости отливок и затрат на их механическую обработку, позволяет прогнозировать и предупредить образование дефектов в отливках.

В настоящее время применение технологии быстрого прототипирования является одним из вариантов повышения эффективности организации конструкторско-технологической подготовки литейного производства за счет изготовления отливок в меньшие сроки с высоким качеством поверхности и низкой доли брака [5]. Эта технология позволяет по моделям деталей из CAD-приложений создавать трехмерные физические модели-прототипы без инструментального их изготовления. Для литейного производства возможно применение этой технологии в двух направлениях:

1. Технология Investment Casting - изготовление выжигаемых моделей для литейного производства. На 3,0-принтере «печатается» модель отливки, полученная с электронной трехмерной модели детали в любой системе компьютерного проектирования, которая далее, как и при обычной технологии литья по выплавляемым моделям, покрывается прочной коркой, тем самым образуется форма для литья. Напечатанная модель затем выплавляется или выжигается в печи. В этом случае нет необходимости изготавливать по чертежам модельные комплекты для получения самой выплавляемой модели -она изготавливается на основе тех конструкторских и технологических данных, которые уже есть на производстве.

2. Технология Direct Cast - печать литейных песчаных форм для прямого литья цветных металлов и ферронесодержащих сплавов. В этом случае материал, применяемый при печати на 3,0-принтере, позволяет «распечатать» стойкую форму, которая может выдерживать температуры до 1000 °С и позволяет изготавливать отливки из цветных сплавов. В этом случае длительность этапа изготовления оснастки также сокращается.

Применение технологии быстрого прототипирования на этапе конструкторско-технологической подготовки производства вносит изменения в последовательность разработки технологического процесса изготовления отливки (рис. 1).

Получение 3D модели детали

Назначение припусков >|

Установление прибылей и выбор конструкции литниковой системы

Разработка 3D модели отливки

Разработка 3D модели формы

Рис. 1. Этапы разработки технологического процесса изготовления отливки

Проведенный анализ литейного производства предприятия авиастроительной отрасли показал, что технологию быстрого прототипирования целе-

сообразно применять при производстве первой контрольной партии отливок, а также для отливок малой применяемости, при отработке на технологичность литейных форм, при поиске путей улучшения конструктивных особенностей отливок, сокращении количества металла. Снижение доли брака, улучшение качества тела отливок и поверхностей - все это позволит сократить временные и финансовые затраты на их производство и, следовательно, повысит эффективность литейного производства.

3. Повышение эффективности организации конструкторско-технологической подготовки производства литейного производства за счет внедрения информационных технологий

С целью определения причин повышения эффективности на основе анализа нормативной документации и основных процессов литейного производства были разработаны две схемы конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП). На рис. 2 приведена схема КТПП без применения современных информационных технологий. Процесс КТПП при внедрении в производство новой номенклатуры отливок представляет собой последовательность действий от начального этапа разработки требуемой технологической документации до конечного этапа производства годной отливки.

Этапы 2-15 выполняются сотрудниками производства на основании нормативных документов, личного опыта, расчетных схем и типовых технологических процессов. При этом этапы доработки оснастки и конструкторско-технологической документации 5-15 могут быть повторены несколько раз (до момента получения годной партии отливок) и представляют собой опытные испытания оснастки. Завершающим этапом является формирование конструкторско-технологической документации, обеспечивающей процесс получения годных отливок.

На рис. 3 представлена схема, основанная на применении нового подхода к организации КТПП, а именно компьютерное моделирование формы 3а, компьютерный анализ процесса отверждения отливки для определения технологических параметров процесса литья 4а и изготовление формы посредством применения технологии быстрого прототипирования и печати форм 10а и моделей 11а. В этом случае КТПП осуществляется с использованием современных информационных технологий компьютерного моделирования, анализа процесса литья и применения технологии быстрого прототи-пиривания для получения оснастки - выплавляемой модели или формы для литья. При этом за счет компьютерного моделирования формы исключаются этапы 3, 5, 7, 9, 11, 12, 13 (рис. 2). Этапы 2, 3а, 4а, 6, 8 (рис. 3) выполняются с помощью современного компьютеризированного подхода к моделированию процесса литья, 10а - этап изготовления формы путем печати ее на 3,0-принтере, этап 11а - печать выплавляемой модели. Этап доработки формы или модели осуществляется путем внесения изменений в разработанный технологический процесс на основе компьютерного моделирования и расчета процессов взаимодействия в системе отливка-форма.

Компьютерное моделирование процесса литья позволяет сократить количество испытаний формы, подобрать оптимальные параметры технологического процесса, что значительно снизит время на конструкторско-технологическую подготовку запуска в производство новой номенклатуры отливок. При этом технология быстрого прототипирования не требует изготовления

оснастки и разработки технологического процесса для нее, обеспечивает сокращение времени изготовления формы для литья.

Рис. 2. Схема КТПП без применения новых информационных технологий

Рис. З. Схема КТПП с применением новых информационных технологий

Сравнительный анализ эффективности двух схем КТПП предлагается проводить на основе определения и расчета ключевых показателей эффективности литейного производства с учетом такого технологического параметра, как качество поверхности получаемой отливки.

Качество поверхности отливки - показатель технологичности отливки, определяющий степень ее приближения к требуемой точности изготовления

и, как следствие, трудоемкость операций чистовой обработки отливки.

Ключевые показатели эффективности, в свою очередь, определяют эффективность расходования ресурсов на каждом из этапов КТПП. Расчет производится по шести выбранным показателям:

1. Выход годного литья К - доля произведенных годных отливок, выраженная в процентах от количества металла, загруженного в плавильную печь; учитывает потери при плавке, заливке в формы, потери на литниковую систему, а также брак и производственные возвраты.

2. Производительность применяемого оборудования К2 - доля времени, затрачиваемого на производство годной продукции в процентах от общего производственного времени; учитывает затраты на простой производства при формовке, производственные задержки, а также задержки производства из-за бракованных или возвратных отливок.

3. Расход электроэнергии производством К3 - включает в себя расход энергии для плавки и общий расход энергии литейным производством.

4. Расход формовочных смесей при подготовке производства К4.

5. Расход воды производством К5.

6. Производительность труда персонала К6 - общее количество человеко-часов, затраченных на производство годной партии отливок за анализируемый период.

Более эффективной считается та схема, которая обеспечивает наилучшее достижение всех шести показателей эффективности при допустимом значении качества поверхности получаемой отливки.

Заключение

Таким образом, за счет применения современных информационных технологий к начальному и самому важному этапу освоения производства отливок с точки зрения эффективности литейного производства - разработке литейной технологии, проектированию и изготовлению литейной оснастки -возможно достижение высоких качественных показателей, снижение трудоемкости, увеличение производительности труда, сокращение сроков конструкторско-технологической подготовки производства.

Список литературы

1. Могилев, В. К. Справочник литейщика / В. К. Могилев, О. И. Лев. - М. : Машиностроение, 1988. - 272 с.

2. Титов, Н. Д. Технология литейного производства / Н. Д. Титов, Ю. А. Степанов. - М. : Машиностроение, 1972. - 472 с.

3. Чумаченко, И. Г. Повышение эффективности производства : в 3-х т. / И. Г. Чумаченко. - М. : Высшая школа, 1989.

4. Буданов, Е. Н. Семь основных мифов и заблуждений относительно литейного производства / Е. Н. Буданов // Литейное производство. - 2009. - № 8. -С. 2-8.

5. Ткаченко, С. С. Совершенствование технологии и повышение эффективности литейного производства / С. С. Ткаченко // Металлург. - 2008. - № 11. -С. 121-122.

References

1. Mogilev, V. K. Spravochnik liteyshchika / V. K. Mogilev, O. I. Lev. - M. : Ma-shinostroyeniye, 1988. - 272 s.

2. Titov, N. D. Tekhnologiya liteynogo proizvodstva / N. D. Titov, YU. A. Stepanov. -M. : Mashinostroyeniye, 1972. - 472 s.

3. Chumachenko, I. G. Povysheniye effektivnosti proizvodstva : v 3-kh t. /

I. G. Chumachenko. - M. : Vysshaya shkola, 1989.

4. Budanov, Ye. N. Sem' osnovnykh mifov i zabluzhdeniy otnositel'no liteynogo proizvodstva / Ye. N. Budanov // Liteynoye proizvodstvo. - 2009. - № 8. - S. 2-8.

5. Tkachenko, S. S. Sovershenstvovaniye tekhnologii i povysheniye effektivnosti liteynogo proizvodstva / S. S.Tkachenko // Metallurg. - 2008. - № 11. - S. 121-122.

Левкина Ольга Юрьевна аспирант, Ульяновский государственный университет

Levkina Olga Yuryevna Postgraduate student,

Ulyanovsk State University

E-mail: levkinaoyu@ulsu.ru

УДК 658.512 Левкина, О. Ю.

Применение информационных технологий в организации конструкторско-технологической подготовки литейного производства авиастроительного предприятия / О. Ю. Левкина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1 (25). -С.115-122.