Tõhusad lahendused frees-treimisega komposiitmaterjalide töötlemiseks

 

Tõhusus ja täpsus on metallitöö valdkonna igavesed eesmärgid. CNC-tehnoloogia, arvutitehnoloogia, tööpinkide ja töötlemisprotsesside pideva arenguga ei vasta traditsioonilised töötlemiskontseptsioonid enam kiiruse, tõhususe ja täpsuse nõuetele. Selle taustal on tekkinud komposiitide töötlemise tehnoloogia. Üldiselt viitab komposiittöötlemine töötlemistehnikate komplektile, millega saab ühe seadmega läbi viia erinevaid protsesse või meetodeid. Praegused komposiittöötlemistehnoloogiad on peamiselt kahte tüüpi: üks põhineb erinevatel energia- või liikumisvormidel ja teine, peamiselt mehaaniline, põhineb protsessi kontsentreerimise põhimõttel. Nende hulgas on frees-treimisega komposiitide töötlemine viimastel aastatel muutunud üheks kiiremini arenevaks tehnoloogiaks.

 

▲ Mill-Tren komposiidi töötlemine

 

Lennunduses kasutatavaid osi iseloomustavad üha enam väikesed partiid, keerulised protsessid ning terviklike õhukeseseinaliste konstruktsioonide ja raskesti töödeldavate materjalide laialdane kasutamine. Selle tulemuseks on kitsaskohad, nagu pikad tootmistsüklid, kõrge materjali eemaldamise kiirus, madal töötlemise efektiivsus ja rasked mehaanilised deformatsioonid. Komplekssete kosmosetööstuse toodete tõhususe ja täpsuse parandamiseks on insenerid pikka aega otsinud tõhusamaid ja täpsemaid töötlemismeetodeid. Frees-treenidega komposiittöötlemisseadmete tulek pakub tõhusat lahendust kosmoseosade täpsuse ja tõhususe parandamiseks.

 

Võrreldes tavaliste CNC-töötlusprotsessidega kajastuvad komposiittöötluse eelised peamiselt järgmistes valdkondades:

 

(1) Tootmisprotsesside ahela lühendamine ja tootmise efektiivsuse suurendamine

Freesimise komposiittöötlemine võimaldab enamiku või kõik töötlusetapid lõpule viia ühe kinnitusega, lühendades oluliselt tootmisprotsessi ahelat. See vähendab ümberpaigutamise tõttu abitootmise aega, lühendab kinnitusdetailide tootmistsüklit ja suurendab tootmise efektiivsust.

 

(2) Klambrite arvu vähendamine ja töötlemise täpsuse parandamine

Vähem kinnitustoiminguid vähendab võrdluste teisendustest põhjustatud vigu. Kaasaegsetel freespinkidel on sageli võrgumõõtmisvõimalused, mis võimaldavad tootmisprotsessi ajal põhiandmeid kohapeal kontrollida ja täpselt kontrollida, parandades seega detailide täpsust.

 

(3) Põrandapinna ja tootmiskulude alandamine

Kuigi frees-treimisega komposiitmasin võib olla kõrge individuaalse hinnaga, võib lühendatud protsessiahel ning vajalike seadmete, inventari, põrandapinna ja hoolduskulude vähendamine oluliselt vähendada üldinvesteeringuid, tootmistoiminguid ja halduskulusid.

 

 

I võtmetehnoloogiad sisseKomposiitMehaaniline töötlemine

 

Vaatamata eelistele võrreldes tavapärase üheprotsessilise mehaanilise töötlemisega ei ole frees- ja pöördekomposiittöötluse kasutamine lennunduses kosmosetööstuses veel oma täit potentsiaali saavutanud. Peamine põhjus seisneb selle tehnoloogia suhteliselt lühikeses kasutusajas kosmosetööstuses, samuti jätkuvas frees-pööramisprotsesside, CNC programmeerimise, järeltöötluse ja simulatsioonitehnoloogiate uurimises, mis sobivad kosmoseosade struktuursete protsesside omadustega. Veski-pööratavate komposiitseadmete võimaluste täielikuks ärakasutamiseks ning tõhususe ja täpsuse suurendamiseks on oluline ületada need väljakutsed ja luua integreeritud rakendused.

 

1. Mill-Turn Composite Machining protsessi tehnoloogia

Erinevalt tavapärastest töötlemisseadmetest on frees-treimisega komposiittöötlemiskeskus sisuliselt tootmisliin. Tõhus ja täpne töötlemine sõltub sellest, kui hästi on planeeritud protsessi marsruut, kuidas toimub kinnitus ja kuidas valitakse tööriistad detaili protsessiomaduste ja frees-treitöötlemise omaduste põhjal.

 

Protsessi kontsentratsioon on komposiittöötluse kõige iseloomulikum tunnus. Seetõttu on teaduslik ja ratsionaalne protsessiviis frees-treitöötlemise tõhususe ja täpsuse parandamisel võtmetähtsusega. Kui vardamaterjali kasutatakse tiiviku valmistamisel toorikuna, hõlmab tavaline töötlemisviis tiiviku välisprofiili keeramist CNC-treipingil, millele järgneb täppistreimine võrdluspindade jaoks, viieteljeline CNC-töötlemine pilude lõikamiseks, töötlemata töötlemine, poolviimistlus, ja pindade ja rummude lõplik töötlemine ning lõpuks puurimine viieteljelisel töötluskeskusel või puurimisseadmel. S192F frees-treenimiskeskust kasutades saab kogu protsessi lõpule viia ühe kinnitusega ning lativarude töötlemisel suudab masin isegi ilma inimese sekkumiseta automatiseerida lõikamist, etteandmist ja tiiviku masstootmist. Protsessi marsruudi saab seadistada järgmiselt:

 

Vardavaru spindlikinnitus → Välisprofiili töötlemata treimine → Välisprofiili täppistreimine → Viieteljeline freesimine piludeks → Voolukanali töötlemata töötlemine → Voolukanali poolviimistlus → Voolukanali täppistöötlus → Puurimine → Tagumise spindli kinnitus → Tööratta põhjatasapinna pööramine → Puurimine.

 

Nagu näidatud, lõpetab üks kinnitus kõik tiiviku töötlemise etapid, parandades oluliselt nii tõhusust kui ka täpsust.

Kahe tööriistatorniga frees-treimiskeskuste jaoks on kahe torniga seadmed varustatud kahe kanaliga juhtimissüsteemidega, kus ülemist ja alumist tööriistatorni saab iseseisvalt juhtida. Samaaegset töötlemist saab saavutada koodi sünkroniseeritud käskude abil. Seadme võimaluste täielikuks ärakasutamiseks on võimalik realiseerida detaili mitme protsessi sünkroonne töö, mis võimaldab näiteks välisprofiili üheaegselt jämedalt keerata ja sisemist ava jämedalt puurida, parandades seeläbi töötlemise efektiivsust. Ülemise ja alumise tööriistatorni sünkroonne liikumine võimaldab tõhusalt töödelda aukude seeriat, parandades tõhusust, minimeerides samal ajal tooriku deformatsiooni aksiaalsete puurimisjõudude tasakaalustamise kaudu. Selle funktsionaalsuse saavutamiseks on protsessi algfaasis vaja põhjalikult uurida protsessi marsruudi järjestust ja sünkroniseerimist.

 

2. CNC programmeerimistehnoloogia frees-treitöötlemiseks

Frees-treitöötlemise tehnoloogia areng nõuab kõrgemaid standardeid CNC-programmeerimisel, mis on muutunud kitsaskohaks frees-treiseadmete kasutamisel tegelikus tootmises. Ilma spetsiaalsete komposiittöötluslahendusteta kasutatakse töötlusprogrammi osa kavandamiseks tavaliselt üldist CAM-tarkvara, mille protsessiinsenerid seejärel käsitsi integreerivad, et vastata komposiittöötluse nõudmistele. See meetod seab protsessiinseneridele kõrged nõudmised. Võrreldes traditsioonilise CNC programmeerimisega tekitab frees-treimise programmeerimine mitmeid väljakutseid:

 

 

(1)Divärsiprotsessid

Protsessiinseneride jaoks on oluline mitte ainult erinevate töötlemismeetodite (nt CNC-treimine, mitmeteljeline freesimine ja puurimine) programmeerimismeetodite valdamine, vaid ka toimingute ning lähenemis- ja tagasitõmbeteede vahelise seose täpne määratlemine. Seetõttu peavad insenerid CNC programmeerimise ajal omama selget arusaama protsessimudelist ja töötlemisvarude jaotusest pärast iga toimingut, et hõlbustada programmeerimist ja tööriista tee seadistusi järgnevaks tööks.

 

(2) Heidutadaparalleelsete ja jadaoperatsioonide jada kaevandamine peab rangelt järgima protsessi marsruuti

Paljusid osi saab toormaterjalist valmistooteks täielikult töödelda frees- ja pöördega komposiittöötlemiskeskuses. Seega peab lõplik CNC programm ühtima protsessi marsruudiga. Lisaks tuleb CNC programmeerimisprotsessi käigus põhjalikult kaaluda mitme kanaliga paralleelset töötlemist. Seetõttu tuleb tõhusa komposiittöötluse saavutamiseks välja töötada integreeritud lahendused, mis ühendavad protsessi, programmeerimise ja simulatsiooni.

 

(3) Praegune üldine CAM-tarkvara ei toeta veel frees-treimisega komposiittöötluse teatud funktsioone.

Võrreldes tavalise ühe masinaga töötlusega on frees-treimisega komposiittöötlemisel keerulisemad masina liikumised ja töötlemisfunktsioonid. Praegune üldine CAM-tarkvara ei ole endiselt piisav täiustatud funktsioonide, nagu võrgumõõtmine, lõikamine, automaatne söötmine ja sabavarre juhtimine, täielikuks toetamiseks. Seetõttu nõuavad üldise CAM-tarkvara loodud programmid sageli märkimisväärset käsitsi või interaktiivset sekkumist, enne kui neid saab rakendada automatiseeritud frees-treening-komposiitide töötlemisel.

 

(4) Programmide integreerimine

Üldise CAM-tarkvara poolt genereeritud NC-programmid on üksteisest sõltumatud. Automatiseeritud ja keeruka frees-treimisega komposiittöötluse jaoks peavad need sõltumatud programmid olema integreeritud. See integreerimine peaks põhinema detaili protsessi marsruudil, esmalt määrates kindlaks, millised programmid on paralleelsed, ja seejärel määratledes erinevate protsesside töötlemisjärjestuse. Samuti tuleb esitada täpsed juhised tööriistade vahetamiseks, klambrite vahetamiseks, võrdluskonversiooniks ja lähenemiseks/tagasitõmbamiseks.

 

On ilmne, et CNC programmeerimine frees-treimisega komposiittöötlemiseks on väga keeruline ning üldise CAM-tarkvara kasutamisel selle protsessi jaoks on endiselt palju puudusi ja puudujääke. Nende probleemide lahendamiseks on praktilisem lahendus töötada välja spetsiaalsed programmeerimissüsteemid, mis põhinevad olemasoleval üldisel CAD/CAM-tarkvaral, mis rahuldavad tooteprotsesse ja komposiittöötlusseadmeid. Selline lähenemine mitte ainult ei vähenda üleliigseid tarkvarainvesteeringuid, vaid väldib ka selliseid probleeme nagu suutmatus protsessiteadmisi taaskasutada ja personali komplekteerimise keerukus, mis on tingitud mitteühtsetest programmeerimisplatvormidest.

 

 

3. Järeltöötluse tehnoloogia frees-treimisega töötlemiseks

 

CNC programmeerimistehnoloogiale vastav frees-treen komposiittöötlus seab oma keeruliste protsesside ja arvukate liikuvate osade tõttu kõrgemad nõuded praegusele järeltöötlustarkvarale ja -tehnoloogiatele. Võrreldes tavaliste CNC-seadmetega kajastuvad frees-treimisega komposiittöötluse järeltöötluse väljakutsed peamiselt järgmistes aspektides:

 

(1) Täpsed ja ranged liikumise üleminekud protsesside vahel

Arvestades frees-pööramiskomposiitseadmete protsesside mitmekesisust, peab masin pärast praeguse toimingu lõpetamist automaatselt ja täpselt õigeaegselt vahetama töötlemismeetodeid, tööriistu ja liikuvaid komponente, et tagada korrektsus ja ohutus. Selle saavutamiseks on vaja seadistada sobivad lähenemis- ja tagasitõmbeteed, samuti tööriistade automaatse vahetamise ja jahutusvedeliku sisse/välja lülitamise ajastus. Veelgi olulisem on see, et mitteliikuvate komponentide asukohad jooksva toimingu ajal peavad olema täpsustatud, et vältida liikuvate ja mitteliikuvate osade kokkupõrkeid tööriista vahetamise ja töötlemise ajal, tagades ohutu ja stabiilse protsessi.

 

(2) Protsesside jadade ja CNC-programmide automaatne määramine

Komposiittöötluses on protsessi marsruut suhteliselt pikk ning NC-koodi käsitsi korraldamine ja integreerimine pärast järeltöötlust pole mitte ainult ebaefektiivne, vaid ka altid vigadele. Ideaalne lahendus on see, et järeltöötlussüsteem määrab automaatselt töötlemisjärjestuse ja töörajafailidesse sisseehitatud protsessimeetodid, tagades nende säilimise pärast järeltöötlust NC-koodis. Seetõttu peab pärast CNC programmeerimist genereeritud tööraja fail sisaldama mitte ainult protsessi meetodeid ja tööriista asukoha andmeid, vaid sisaldama ka töötlemisjadasid, tööriistatüüpe ja tööriistade numbreid. See võimaldab järeltöötluse ajal protsesside järjestusi, meetodeid ja tööriistu automaatselt määrata.

 

(3) Järeltöötlus erinevate töötlusmeetodite jaoks

Frees-treening komposiittöötlemise järeltöötlusprogramm peab käsitlema mitmeteljelist CNC freesimist, treimist ja puurimist, aga ka selliseid funktsioone nagu lõikamine, automaatne söötmine, sabavarda juhtimine ja programmiahela väljakutsed. Frees-treimisega komposiittöötluse järeltöötlusalgoritm peab hõlmama kõiki olemasolevaid CNC töötlemismeetodeid ning sujuvalt integreerima ja koordineerima erinevaid töötlemismeetodeid ja liikumisi.

 

(4) Juhtsüsteemide täiustatud funktsioonide maksimeerimine

Frees-treimisega komposiittöötlemiskeskustes kasutatavad CNC-süsteemid on kõrgelt arenenud, näiteks Bumotec S192FT-s kasutatav FANUC 31i süsteem ja WFL 150-s kasutatav süsteem SINUMERIK 840D. Need täiustatud juhtimissüsteemid pakuvad selliseid funktsioone nagu automaatne ettenihke optimeerimine, tööriistavektorite silumine, suurepärane ettevaade ja kiire ja ülitäpne interpolatsioon. Seetõttu on ülioluline kajastada neid täiustatud CNC-süsteemi funktsioone järeltöötluse käigus genereeritud töötlemiskoodi vastavates osades, et täielikult ära kasutada frees-treen komposiitseadmete võimalusi.

 

(5) Mittelõikavate funktsioonide käsitlemine ja kutsumine

Lisaks treimise, freesimise, puurimise ja puurimise funktsioonidele on komposiittöötlemiskeskustel protsessi üleminekuks vajalikud mittelõikamisfunktsioonid, nagu automaatne etteandmine, mahalaadimine, spindli dokkimine ja sabavarre juhtimine. Neid funktsioone tuleb järeltöötluse etapis käsitleda tavaliste moodulitena, mida programm saab välja kutsuda. Nende kõnede järjestus ja ajastus tuleb määrata vastavalt protsessi marsruudile. Praegu ei toeta järeltöötlustarkvara neid funktsioone täielikult.

 

 

4. Simulatsioonitehnoloogia frees-treimisega töötlemiseks

 

Frees-trei komposiittöötluse arvukate liikuvate osade ja keeruliste funktsioonide tõttu muutub programmeerimisjärgne simulatsioon eriti kriitiliseks. Kuna Hiina lennundus- ja kosmosetööstuses on frees-treenidega komposiittöötlemine kasutusele võetud suhteliselt hiljuti, ei ole praegu küpseid simulatsioonirakenduste tehnoloogiaid. Enamik tootjaid tugineb programmide kontrollimiseks ja optimeerimiseks proovilõikamisele, mille tulemuseks on protsesside pikad ettevalmistustsüklid, suured arendusriskid ja suurenenud töötlemiskulud.

 

Frees-pööramisega komposiittöötlemise täiustamiseks ja programmeerimise tõhususe suurendamiseks tuleb märkimisväärselt edendada simulatsioonitehnoloogia kasutuselevõttu. Praegu sisaldab frees-trei komposiittöötluse simulatsiooniks kasutatav põhitarkvaraTopSolidjaGibbs, kuid need on üldiselt kallid ja neid kasutatakse Hiina kosmosetööstuses harvemini. Tegelikult saab frees-pööramise komposiittöötlemise simulatsiooni saavutada ka üldise CNC simulatsioonitarkvara abil, nagu näiteksVericutvõiNCSimul. Masina struktuuril, liikumisomadustel, erifunktsioonidel ja CNC-süsteemidel põhinevaid makrofunktsioone kohandades ja arendades on võimalik simuleerida töötlemisprotsessi.

 

Frees-pööramisega komposiittöötlemise simulatsiooni saavutamiseks üldist CNC simulatsioonitarkvara kasutades on kõigepealt vaja konstrueerida simulatsioonisüsteemis suhteliselt realistlik masinakeskkond. Tähelepanu tuleks pöörata masina erinevate liikuvate osade suhteliste liikumissuhete ja geomeetriliste asukohtade kindlaksmääramisele. Sellest vundamendist lähtuvalt tuleb seadistada töötlusprotsessis kasutatavate tööriistade raamatukogu ja vastavad tööriistanumbrid. Seejärel konfigureerige masina CNC-süsteem ja töötlemisviited ning laadige töötlusprotsessi simulatsiooni käivitamiseks simulatsioonisüsteemi järeltöötlusetapi genereeritud NC-kood. Erinevalt tavapärasest CNC-töötlusest võivad mõned funktsioonid (nt mitme kanaliga töötlemine või tagaosa juhtimine) vajada makrofunktsioonide väljatöötamist ja kohandamist, et neid täielikult rakendada.

 

 

II Frees-treenimistehnoloogia rakendusväljavaated ja arendussoovitused

 

 

Viimastel aastatel on Hiina kosmosetööstuses, sealhulgas lennukite, lennukimootorite ja tarvikute tehastes kasutusele võetud frees- ja pöördekomposiittöötlemiskeskused. Varustus sisaldab peamiselt tooteid alatesAustria WFLseeria jaŠveitsi Bumotecfrees-treimiskeskused. Kuna aga nende rakendamine tootmises on suhteliselt hiljutine, on üldiselt puudu küpsetest töötlemisprotsessidest, programmeerimistehnikatest ja järeltöötlustehnoloogiatest, mis ühtiksid toote ja seadmete omadustega. Sellest tulenevalt töötavad kasutusele võetud frees-treimisega komposiittöötlemisseadmed praegu suhteliselt madala efektiivsusega.

 

Lennundus- ja kosmosetoodete valmistamise peamised väljakutsed on pikad protsesside marsruudid, keerulised protseduurid, madal töötlemise efektiivsus, märkimisväärne deformatsioon ja kõrged kulud. Nii õhusõidukite kui ka mootorite tootmisel on suur potentsiaal frees- ja pöördekomposiittöötluse rakendamiseks.

 

Näiteks kereraami freesimine hõlmab kümneid samme: materjali ettevalmistamine, sise- ja välisvormide töötlemata ja peen töötlemine, aukude puurimine, käsitsi viimistlemine ja kontroll, mis nõuab mitut uuesti kinnitamist. Sarnaselt algab kosmosemootorite integreeritud teraketta töötlemine toorikute sepistamisega ning hõlmab treimist, freesimist, poleerimist, pinnatöötlust ja vigade tuvastamist. Nendel osadel on pikad tootmistsüklid, mis võtavad masinaid sageli sadu tunde ja nõuavad erinevat tüüpi CNC-masinaid koos arvukate kinnitusdetailide, tööriistade ja mõõtevahenditega. Sagedane uuesti kinnitamine mitte ainult ei pikenda ooteaegu, vaid kogub ka positsioneerimisvigu, mis mõjutab osade täpsust ja lõppkvaliteeti.

 

Freesimise komposiittöötlemine, mis võimaldab enamiku või kõik toimingud lõpule viia ühe seadistusega, pakub uut teed keerukate kosmosekomponentide tõhusaks ja täpseks töötlemiseks. Eelised kajastuvad peamiselt:

 

• Kinnitusaegade märkimisväärne vähenemine, parandades tõhusust, kõrvaldades samal ajal masinate vahetamisest või kinnitusmeetoditest põhjustatud vead.
• Protsessi kontsentratsioon, lühendades töötlemisprotsessi ahelat ning vähendades ooteaegu ja masinate mittetöötamise perioode.
• Mitmekülgsus töötlemistoimingutesnagu treimine, freesimine ja puurimine ilma positsioneerimist muutmata, vähendades vajalike kinnitusdetailide arvu ja tagades ühtlase mõõtmete täpsuse.
• Masinasisesed mõõtmisvõimalused, mis võimaldab protsessisisest ja protsessidevahelist mõõtmist kontrollida täpsust kogu töötlemistsükli vältel.

 

Need eelised võivad tõhusalt kõrvaldada praegused puudujäägid kosmosetööstuse osade tootmises, suurendades oluliselt toote täpsust ja tõhusust.

 

Täiustatud komposiittöötlemisseadmete potentsiaali täielikuks ärakasutamiseks ning lennundustoodete tootmise tõhususe ja kvaliteedi edasiseks parandamiseks tuleb tähelepanu pöörata mitmele põhivaldkonnale:

 

• Komposiitide töötlemisprotsesside uuriminemis ühtivad kosmoseosade omadustega, sealhulgas protsessi marsruutide, kinnitusmeetodite, tööriistade, jahutusstrateegiate ja lõikeparameetrite määramisega.
• CNC programmeerimis-, järeltöötlus- ja simulatsioonisüsteemide arendamine ja kohandaminemis vastavad seadmete struktuuri- ja protsessiomadustele, luues integreeritud lahenduse protsesside programmeerimiseks, järeltöötluseks ja simuleerimiseks, vähendades seeläbi sõltuvust kõrgelt kvalifitseeritud töötajatest.
• Protsessistandardite kehtestaminesimulatsioonist, proovilõikamisest ja tegelikust tootmisest saadud kogemuste kogumise kaudu, mis võib olla juhendiks järgneval osade valmistamisel.
• Talendi kasvatamine, kuna komposiitmehaaniline töötlemine esindab töötlusvaldkonna tipptehnoloogiat. Nii protsesside programmeerimine kui ka operatiivne hooldus on keerukamad kui tavalised seadmed, mistõttu on kõrgetasemeline uurimis- ja arendusmeeskond hädavajalik seadmete tõhusa ja tervisliku töö tagamiseks.

 

 

 

III Järeldus

 

 

Praegu arenevad komposiittöötlemisseadmed laiemate protsessivõimaluste, suurema tõhususe, suuremahuliste operatsioonide ja modulariseerimise suunas. Lennunduse tootmissektor on alati olnud arenenud tootmistehnoloogiate jaoks ülioluline etapp ning kosmosetööstuse toodete uuendamise kiirenemisega asendatakse hajutatud protsessiseadmed järk-järgult paindlike automatiseeritud seadmetega, millel on kontsentreeritud protsessid. See nihe pakub komposiittöötlemistehnoloogiale laiemat arendus- ja rakendusruumi.

 

Suundumus integreeritumate ja paindlikumate tootmissüsteemide poole sobib hästi kaasaegse kosmosetööstuse nõuetega. Kuna õhusõidukite ja kosmosesõidukite komponendid muutuvad keerukamaks ja tootmisajad lühenevad, toetuvad tootjad protsesside sujuvamaks muutmiseks, täpsuse parandamiseks ja kulude vähendamiseks üha enam arenenud töötlemistehnoloogiatele, nagu frees-pööratavad komposiitsüsteemid. Käimasolev seadmete automatiseerimise ja modulariseerimise areng suurendab veelgi paindlikkust, võimaldades tootjatel kiiresti kohaneda uute disainilahenduste ja tootmisnõuetega, tagades, et lennundustööstus jääb tehnoloogilise innovatsiooni esirinnas.