Ефективни решения за стругова обработка на композитни материали

 

Ефективността и прецизността са вечните цели в областта на металообработването. С непрекъснатото развитие на CNC технологията, компютърната технология, машинните инструменти и процесите на обработка, традиционните концепции за обработка вече не отговарят на изискванията за скорост, ефективност и прецизност. На този фон се появи технологията за композитна обработка. Най-общо казано, композитната обработка се отнася до набор от техники за обработка, които могат да изпълняват различни процеси или методи на едно оборудване. Настоящите композитни технологии за обработка са основно от два вида: единият се основава на различни форми на енергия или движение, а другият, предимно механичен, се основава на принципа на концентрация на процеса. Сред тях, стругова обработка на композитни материали се превърна в една от най-бързо развиващите се технологии през последните години.

 

▲ Милно-стругова композитна обработка

 

Аерокосмическите части все повече се характеризират с малки партиди, сложни процеси и широко използване на интегрални тънкостенни конструкции и трудни за обработка материали. Това води до затруднения като дълги производствени цикли, високи скорости на отнемане на материал, ниска ефективност на обработка и сериозни деформации при обработка. За да подобрят ефективността и прецизността на сложните аерокосмически продукти, инженерите отдавна търсят по-ефективни и прецизни методи за обработка. Появата на фрезово-стругово композитно машинно оборудване предлага ефективно решение за подобряване на прецизността и ефективността на аерокосмическите части.

 

В сравнение с конвенционалните процеси на CNC обработка, предимствата на композитната обработка се отразяват главно в следните области:

 

(1) Съкращаване на веригата на производствения процес и повишаване на производствената ефективност

Композитната обработка на стругова фреза позволява завършването на повечето или всички стъпки на обработка с едно затягане, което значително съкращава веригата на производствения процес. Това намалява времето за спомагателно производство поради препозициониране, съкращава производствения цикъл на приспособленията и повишава ефективността на производството.

 

(2) Намаляване на броя на скобите и подобряване на прецизността на обработка

По-малкото операции на затягане намаляват грешките, причинени от референтни преобразувания. Съвременните фрезови стругови машини често имат възможности за онлайн измерване, което позволява инспекция на място и прецизен контрол на ключови данни по време на производствения процес, като по този начин се подобрява точността на детайлите.

 

(3) Намаляване на подовата площ и намаляване на производствените разходи

Въпреки че фрезостругова композитна машина може да има висока индивидуална цена, скъсената технологична верига и намаляването на необходимото оборудване, приспособления, подово пространство и разходите за поддръжка могат значително да намалят общите инвестиции, производствените операции и разходите за управление.

 

 

I Ключови технологии вКомпозитенМашинна обработка

 

Въпреки предимствата си пред конвенционалната еднопроцесна обработка, използването на стругова композитна обработка в космическата индустрия все още не е достигнало пълния си потенциал. Основната причина се крие в сравнително краткото време за прилагане на тази технология в аерокосмическото производство, както и в продължаващото изследване на фрезови стругови процеси, CNC програмиране, последваща обработка и симулационни технологии, които отговарят на структурните характеристики на процеса на аерокосмическите части. За да се използват напълно възможностите на фрезово-стругово композитно оборудване и да се подобри ефективността и прецизността, от съществено значение е да се преодолеят тези предизвикателства и да се постигнат интегрирани приложения.

 

1. Милно-стругова композитна технология на процеса на обработка

За разлика от конвенционалното машинно оборудване, стругово-фрезовият комбиниран обработващ център е по същество производствена линия. Ефективната и прецизна механична обработка зависи от това колко добре е планиран маршрутът на процеса, как се извършва затягането и как се избират инструментите въз основа на характеристиките на процеса на детайла и характеристиките на стругова обработка.

 

Концентрацията на процеса е най-отличителната характеристика на композитната обработка. Следователно, научен и рационален път на процеса е от ключово значение за подобряване на ефективността и прецизността на стругова обработка. Когато прътовият материал се използва като заготовка за производство на работно колело, конвенционалният механичен път включва струговане на външния профил на работното колело на CNC струг, последвано от прецизно струговане за референтни повърхности, пет-осно CNC обработване за прорязване, грубо обработване, полуфинална обработка, и крайна обработка на повърхности и главини и накрая пробиване на петосен обработващ център или пробивно оборудване. Използвайки стругово-фрезовия център S192F, целият процес може да бъде завършен с едно затягане, а при обработка на прътов материал машината може дори да автоматизира рязане, подаване и масово производство на работно колело без човешка намеса. Маршрутът на процеса може да бъде настроен, както следва:

 

Затягане на шпиндела на прътовия материал → Грубо струговане на външния профил → Прецизно струговане на външния профил → Фрезоване по пет оси за шлицоване → Груба обработка на канала на потока → Полуобработка на канала на потока → Прецизна обработка на канала на потока → Пробиване → Затягане на шпиндела → Завъртане на долната равнина на работното колело → Пробиване.

 

Както е показано, едно затягане завършва всички стъпки на обработка на работното колело, значително подобрявайки ефективността и прецизността.

За фрезови стругови центри с двойни кули с инструменти, оборудването с двойна кула се доставя с двуканални системи за управление, където горната и долната кули с инструменти могат да се управляват независимо. Едновременната обработка може да бъде постигната чрез синхронизирани команди в кода. За да се използват напълно възможностите на оборудването, може да се реализира синхронна работа на множество процеси на детайла, позволявайки, например, едновременно грубо струговане на външния профил и грубо пробиване на вътрешния отвор, като по този начин се подобрява ефективността на обработката. Синхронното движение на горната и долната кула на инструмента позволява ефективна обработка на серия от отвори, подобрявайки ефективността, като същевременно минимизира деформацията на детайла чрез балансиране на аксиалните сили на пробиване. За да се постигне тази функционалност, е необходимо задълбочено проучване на последователността и синхронизацията на маршрута на процеса по време на първоначалната фаза на проектиране на процеса.

 

2. Технология за програмиране с ЦПУ за стругова фреза

Напредъкът на технологията за стругова фреза изисква по-високи стандарти за CNC програмиране, което се превърна в пречка при прилагането на оборудване за стругова фреза в действителното производство. Без специализирани решения за обработка на композитни материали, общият CAM софтуер обикновено се използва за планиране на част от програмата за обработка, която след това се интегрира ръчно от инженерите на процеси, за да отговори на изискванията на обработката на композитни материали. Този метод поставя високи изисквания към инженерите-технологи. В сравнение с традиционното CNC програмиране, фрезовото програмиране поставя няколко предизвикателства:

 

 

(1)Дистихотворни процеси

За инженерите-технологи е от съществено значение не само да овладеят методите за програмиране за различни методи на обработка като CNC струговане, многоосно фрезоване и пробиване, но също така точно да дефинират връзката между операциите и пътищата на приближаване и отдръпване. Следователно, по време на CNC програмиране, инженерите трябва да имат ясно разбиране за модела на процеса и разпределението на допустимите количества за обработка след всяка операция, за да улеснят програмирането и настройките на пътя на инструмента за последващата операция.

 

(2) Възпиранекопаенето на последователността от паралелни и серийни операции трябва стриктно да следва маршрута на процеса

Много части могат да бъдат напълно обработени от суровина до завършен продукт на стругово-фрезов композитен обработващ център. По този начин крайната CNC програма трябва да е в съответствие с маршрута на процеса. Освен това, многоканалната паралелна обработка трябва да бъде внимателно обмислена по време на процеса на програмиране с ЦПУ. Следователно, за да се постигне ефективна композитна обработка, трябва да се разработят интегрирани решения, комбиниращи процес, програмиране и симулация.

 

(3) Някои функции на стругово-фрезова композитна обработка все още не се поддържат от текущия общ CAM софтуер

В сравнение с конвенционалната обработка с една машина, обработката на стругова обработка на композитни материали има по-сложни машинни движения и функции за обработка. Текущият общ CAM софтуер все още не е достатъчен, за да поддържа напълно разширени функции като онлайн измерване, рязане, автоматично подаване и управление на задната част. В резултат на това програмите, генерирани от общия CAM софтуер, често изискват значителна ръчна или интерактивна намеса, преди да могат да бъдат приложени към автоматизирана фрезова стругова композитна обработка.

 

(4) Програмна интеграция

NC програмите, генерирани от общия CAM софтуер, са независими една от друга. За автоматизирана и сложна фрезо-стругова композитна обработка тези независими програми трябва да бъдат интегрирани. Тази интеграция трябва да се ръководи от маршрута на процеса на детайла, като първо се определя кои програми са паралелни и след това се определя последователността на обработка за различни процеси. Трябва също да се осигурят точни инструкции за смяна на инструмента, замяна на затягане, референтни преобразувания и движения на приближаване/прибиране.

 

Очевидно е, че CNC програмирането за стругова композитна обработка е много предизвикателно и все още има много недостатъци и недостатъци при използването на общ CAM софтуер за този процес. За да се справят с тези проблеми, по-практично решение е да се разработят специализирани системи за програмиране, базирани на съществуващ общ CAD/CAM софтуер, който се грижи за процесите на продуктите и оборудването за композитна обработка. Този подход не само намалява излишните софтуерни инвестиции, но също така избягва проблеми като невъзможността за повторно използване на знанията за процеса и сложността на персонала, причинена от неунифицирани платформи за програмиране.

 

 

3. Технология за последваща обработка за стругова фреза

 

Съответствайки на технологията за програмиране с ЦПУ, обработката на фрезови стругови композитни материали, поради сложните процеси и множеството движещи се части, налага по-високи изисквания към текущия софтуер и технологии за последваща обработка. В сравнение с конвенционалното CNC оборудване, предизвикателствата на последващата обработка за стругова композитна обработка се отразяват главно в следните аспекти:

 

(1) Точни и стриктни преходи на движение между процесите

Като се има предвид разнообразието от процеси на фрезово-стругово композитно оборудване, след завършване на текущата операция, машината трябва автоматично и точно да превключва методите на обработка, инструментите и движещите се компоненти своевременно, за да осигури коректност и безопасност. За да се постигне това, е необходимо да се настроят подходящи пътища за приближаване и прибиране на инструмента, както и времето за автоматична смяна на инструмента и включване/изключване на охлаждащата течност. По-важното е, че позициите на неподвижните компоненти по време на текущата операция трябва да бъдат уточнени, за да се предотвратят сблъсъци между движещи се и неподвижни части по време на смяна на инструмента и обработка, като се гарантира безопасен и стабилен процес.

 

(2) Автоматизирано определяне на последователности на процеси и CNC програми

При композитната обработка пътят на процеса е сравнително дълъг и ръчното организиране и интегриране на NC код след последваща обработка е не само неефективно, но и податливо на грешки. Идеалното решение е системата за последваща обработка автоматично да определя последователността на обработка и методите на обработка, вградени във файловете на траекторията на инструмента, като гарантира, че те се запазват в NC кода след последваща обработка. Следователно файлът с траекторията на инструмента, генериран след CNC програмиране, трябва не само да съдържа методи на процеса и данни за позицията на инструмента, но също така да включва последователности на обработка, типове инструменти и номера на инструменти. Това позволява автоматизирано определяне на процесните последователности, методи и инструменти по време на последваща обработка.

 

(3) Последваща обработка за различни методи на обработка

Програмата за последваща обработка за фрезоване-стругова композитна обработка трябва да обработва многоосно CNC фрезоване, струговане и пробиване, както и функции като рязане, автоматично подаване, управление на задната част и извиквания на програмен цикъл. Алгоритъмът за последваща обработка за фрезоване и стругова композитна обработка трябва да обхваща всички съществуващи CNC методи за обработка и безпроблемно да се интегрира и координира между различните методи и движения на обработка.

 

(4) Максимизиране на разширените характеристики на системите за управление

Системите с ЦПУ, използвани в фрезо-стругови композитни обработващи центри, са много напреднали, като системата FANUC 31i, използвана в Bumotec S192FT и системата SINUMERIK 840D, използвана в WFL 150. Тези усъвършенствани системи за управление предлагат функции като автоматично оптимизиране на подаването, векторно изглаждане на инструмента, превъзходен поглед напред и високоскоростна интерполация с висока точност. Ето защо е изключително важно да се отразят тези усъвършенствани функции на системата за ЦПУ в съответните секции на машинния код, генериран по време на последваща обработка, за да се използват напълно възможностите на фрезово-стругово композитно оборудване.

 

(5) Обработване и извикване на нережещи функции

В допълнение към функциите за струговане, фрезоване, пробиване и пробиване, композитните обработващи центри имат функции без рязане, необходими за преходите на процеса, като автоматично подаване, разтоварване, докинг на шпиндела и контрол на задната част. Тези функции трябва да се третират като общи модули във фазата на последваща обработка, извиквани от програмата. Последователността и времето на тези повиквания трябва да се определят според маршрута на процеса. В момента софтуерът за последваща обработка не поддържа напълно тези функции.

 

 

4. Симулационна технология за стругова фреза

 

Поради многобройните движещи се части и сложните функционалности на композитната обработка на стругова фреза, симулацията след програмиране става особено критична. Тъй като възприемането на стругова композитна обработка в китайската космическа промишленост е сравнително скорошно, понастоящем няма зрели технологии за прилагане на симулация. Повечето производители разчитат на пробно рязане, за да проверят и оптимизират програмите, което води до дълги цикли на подготовка на процеса, високи рискове при разработването и увеличени разходи за обработка.

 

За да се подобри прилагането на композитната обработка на стругова фреза и да се подобри ефективността на програмирането, приемането на симулационна технология трябва да бъде значително насърчено. Понастоящем основният софтуер, използван за симулация на композитна обработка на стругова фреза, включваТопСолидиГибс, но те обикновено са скъпи и по-рядко се въвеждат в китайската аерокосмическа производствена сфера. Всъщност симулацията на композитна обработка на стругова фреза може също да бъде постигната с помощта на общ CNC симулационен софтуер, като напр.VericutилиNCSimul. Чрез персонализиране и разработване на макро функции, базирани на структурата на машината, характеристиките на движението, специалните функции и CNC системите, е възможно да се симулира процесът на обработка.

 

За да се постигне симулация на композитна обработка на стругова фреза с помощта на общ софтуер за CNC симулация, първо е необходимо да се изгради относително реалистична машинна среда в рамките на симулационната система. Фокусът трябва да бъде върху установяването на относителните връзки на движение и геометричните позиции на различните движещи се части на машината. Въз основа на тази основа трябва да се създаде библиотека с инструменти и съответните номера на инструменти, използвани в процеса на обработка. След това конфигурирайте CNC системата и препратките за обработка на машината и заредете NC кода, генериран от етапа на последваща обработка, в симулационната система, за да изпълните симулацията на процеса на обработка. За разлика от конвенционалната обработка с ЦПУ, някои функции (като многоканална обработка или управление на задната стойка) може да изискват разработка на макро функции и персонализиране, за да бъдат напълно внедрени.

 

 

II Перспективи за приложение и предложения за развитие на стругово-фрезова технология

 

 

През последните години стругово-фрезови композитни обработващи центрове бяха въведени в китайската аерокосмическа производствена индустрия, включително заводи за самолети, авиационни двигатели и аксесоари. Оборудването включва основно продукти отWFL на Австриясерия иBumotec от Швейцарияфрезо-стругови центрове. Въпреки това, тъй като тяхното приложение в производството е сравнително скорошно, има обща липса на зрели процеси на обработка, техники за програмиране и технологии за последваща обработка, които са в съответствие с характеристиките на продукта и оборудването. В резултат на това въведеното фрезо-стругово композитно оборудване за обработка в момента работи при относително ниско ниво на ефективност.

 

Основните предизвикателства при производството на аерокосмически продукти са дългите маршрути на процеса, сложните процедури, ниската ефективност на машинната обработка, значителната деформация и високите разходи. Както полетата за производство на самолети, така и двигатели имат огромен потенциал за прилагане на фрезова обработка на композитни материали.

 

Например, фрезоването на рамка на фюзелаж включва десетки стъпки: подготовка на материала, груба и фина обработка на вътрешни и външни форми, пробиване на дупки, ръчно довършване и проверка, изискваща многократно повторно затягане. По същия начин интегралната обработка на дискове с ножове в аерокосмическите двигатели започва с коване на заготовки и включва струговане, фрезоване, полиране, повърхностна обработка и откриване на дефекти. Тези части имат дълги производствени цикли, често заемат машини в продължение на стотици часове и изискват различни видове CNC машини, заедно с множество приспособления, инструменти и измервателни уреди. Честото повторно затягане не само удължава времето за изчакване, но също така натрупва грешки при позициониране, оказвайки влияние върху точността на детайлите и крайното качество.

 

Композитната механична обработка със стругова фреза, със способността си да изпълнява повечето или всички операции в една настройка, предлага нов път за ефективна и прецизна обработка на сложни аерокосмически компоненти. Предимствата се изразяват главно в:

 

• Значително намаляване на времето за затягане, подобряване на ефективността, като същевременно елиминира грешки, причинени от смяна на машини или методи на затягане.
• Концентрация на процеса, съкращаване на веригата на процеса на обработка и намаляване на времето за изчакване и периодите на неработеща машина.
• Универсалност в машинните операциикато струговане, фрезоване и пробиване без промяна на позиционирането, намаляване на броя на необходимите приспособления и осигуряване на постоянна точност на размерите.
• Възможности за измерване на машина, което позволява измерване в процеса и между процесите за контрол на точността през целия цикъл на обработка.

 

Тези предимства могат ефективно да се справят с настоящите недостатъци в производството на аерокосмически части, като значително повишават точността и ефективността на продукта.

 

За да се използва напълно потенциалът на усъвършенстваното оборудване за обработка на композитни материали и да се подобри допълнително ефективността и качеството на производството на аерокосмически продукти, трябва да се обърне внимание на няколко ключови области:

 

• Изследване на процесите на композитна обработкакоито са в съответствие с характеристиките на аерокосмическите части, включително определяне на маршрути на процеса, методи на затягане, инструменти, стратегии за охлаждане и параметри на рязане.
• Разработване и персонализиране на CNC системи за програмиране, последваща обработка и симулациякоито съответстват на структурните и процесните характеристики на оборудването, създавайки интегрирано решение за симулация на програмиране на процеси след обработка, като по този начин се намалява зависимостта от висококвалифициран персонал.
• Създаване на стандарти за процесичрез натрупване на опит от симулация, пробно рязане и действително производство, което може да служи като ръководство за последващо производство на части.
• Култивиране на таланти, тъй като композитната обработка представлява авангардна технология в областта на обработката. Както програмирането на процеси, така и оперативната поддръжка са по-сложни от конвенционалното оборудване, което прави екипа за научноизследователска и развойна дейност на високо ниво от съществено значение за осигуряване на ефективна и здравословна работа на оборудването.

 

 

 

III Заключение

 

 

Понастоящем оборудването за обработка на композитни материали се развива към по-широки възможности за процеси, по-висока ефективност, по-мащабни операции и модулиране. Секторът на аерокосмическото производство винаги е бил решаващ етап за напредналите производствени технологии и с ускоряващия се темп на надграждане на аерокосмическите продукти, разпръснатото оборудване за процеси постепенно ще бъде заменено от гъвкаво, автоматизирано оборудване с концентрирани процеси. Тази промяна предлага на технологията за композитна обработка по-широко пространство за развитие и приложение.

 

Тенденцията към по-интегрирани, гъвкави производствени системи се привежда в съответствие с изискванията на съвременното аерокосмическо производство. С усъвършенстването на въздухоплавателните и космическите компоненти и съкращаването на сроковете за производство, производителите все повече ще разчитат на усъвършенствани технологии за машинна обработка, като фрезови стругови композитни системи, за да рационализират процесите, да подобрят прецизността и да намалят разходите. Продължаващото развитие на автоматизацията и модулирането на оборудването допълнително ще подобри гъвкавостта, позволявайки на производителите бързо да се адаптират към новите дизайни и производствени изисквания, гарантирайки, че космическата индустрия остава на върха на технологичните иновации.