Методы технологической подготовки производства сложнофасонных деталей с применением функционально-стоимостного анализа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 658.512.011.56:681.3

Методы технологической подготовки производства сложнофасонных деталей с применением функционально-стоимостного анализа

Марина Владимировна Силуянова, д.т.н., проф. каф. «Двигатели летательных аппаратов и теплотехника», e-mail: dc2mati@yandex.ru

Алексей Юрьевич Анисимов, аспирант, e-mail: dedau@yahoo.com

ГОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный авиационно-технологический университет

имени К.Э. Циолковского», Москва

Рассмотрен метод функционально-стоимостного анализа, применительно к технологической подготовке производства сложнофасонных деталей, основанный на выборе рациональных вариантов комплексных конструктивно-технологических решений; проанализированы варианты процессов технологической подготовки производства и определена трудоемкость получения литых заготовок с целью повышения конкурентоспособности продукции авиационных предприятий.

The article considered the method based on the functional cost analysis, as applied to technological preparation of difficult-shaped products based on a choice of rational variants of complex design and technological solutions. The author analyzed the variants of technological preparation of production processes and defined the complexity of obtaining castings with a view to improving competitiveness of products of aviation enterprises.

Ключевые слова: технологическая подготовка производства, функционально-стоимостной анализ, системы автоматизированного проектирования, модель объекта проектирования.

Keywords: technological preparation of production, computer-aided design, objects model design.

Для обеспечения и поддержания высокого уровня конкурентоспособности сложных технических систем (СТС) на рынке необходимо осуществлять их динамическую модернизацию и создавать новые конструкции с заданными технико-экономическими показателями. Наиболее трудоемким и продолжительным этапом создания СТС является техническая подготовка производства (ТПП), при которой процессы конструкторской и технологической подготовки, зависящие от эффективности проектирования, традиционно выполняются раздельно и последовательно. В связи с этим особую актуальность приобретает задача разработки методов повышения эффективности ТПП деталей газотурбинных двигателей (ГТД), а также снижения затрат на конструкторско-технологическое проектирование за счет увязки процессов конструкторской и технологической подготовки производства на основе имитационного моделирования производственной системы.

Пространство проектирования СТС можно разделить на четыре связанные между собой области [1]:

1) область, определяющая функциональное совершенство конструкции;

2) область реализуемости конструкций;

3) область проектирования для оценки технологичности;

4) область оценки конкурентоспособности рассмотренных конструкций.

В качестве предметной области данного исследования была выбрана область пространства проектирования, где производится функционально-стоимостной анализ (ФСА) моделей технологических процессов по технико-экономическим показателям (величине трудоемкости) и выдача рекомендаций по целесообразности применения каждого из предлагаемых методов в серийном производстве.

Основной проблемой ФАС при подготовке производства является достоверность оценки качества и эффективности технологических процессов при переходе к новым условиям производства. ФСА используется для достижения сбалансированных значений качественных и стоимостных параметров с учетом затратных, функциональных и рыночных свойств в целях повышения конкурентоспособности продукции.

Цель исследования - оценка уровня технологичности предлагаемых технологических решений методом функциональностоимостного анализа на примере процессов ТПП сложнофасонных деталей.

В конструкцию современных ГТД входит множество деталей, отличающихся высокими точностными параметрами, специально профилиро-

ванной конструкцией и часто наличием скрытых полостей малого размера. Такие детали называют сложнофасонными. К ним относятся лопатки турбины и компрессора, корпуса различных агрегатов, завихрители и т.п. Характерной особенностью подобных деталей является сложность механической обработки наружных и внутренних поверхностей. Наиболее эффективный технологический метод получения таких деталей - литье по выплавляемым (выжигаемым) моделям. Это единственный метод, позволяющий в промышленном масштабе получать экономически целесообразные заготовки всех видов рабочих и сопловых лопаток турбин ГТД. С помощью ФАС необходимо выбрать оптимальные методы подготовки производства сложнофасонных деталей из тех, что в последнее время внедряются на авиационных предприятиях. Критерием выбора (ограничивающим фактором) является минимальная трудоемкость при обеспечении требуемого качества отливок. Результатом анализа должны быть рекомендации по применимости каждого из методов для двух классов сложнофасонных деталей: турбинных лопаток и сложных корпусных деталей.

Литье заготовок деталей различной сложности с использованием автоматизированного создания макетов, мастер-моделей различного назначения из неметаллов - наиболее перспективное направление в ТПП рассматриваемых деталей. При осуществлении технологического моделирования распространены технологии быстрого прототипирования (RP-технологии, Rapid Prototyping), позволяющие быстро получать восковые и выжигаемые модели, следуя принципу единой математической модели изделия для всех стадий жизненного цикла.

Из современных методов быстрого прототипирования к наиболее распространенным и отработанным в настоящее время можно отнести лазерную стереолитографию и технологию послойного наложения расплавленного полимера (FDM -fused deposition modeling). Общее свойство этих методов - послойное построение полимерного или воскового макета и его контроль по единой компьютерной модели.

Для достижения этих целей подходят установки компании 3D Systems: Thermojet для формирования восковых моделей будущей отливки и сте-реолитографическая установка серии SLA 7000, позволяющая изготавливать сложные крупногабаритные модели (до 700 мм). Они применяются при разработке новых изделий и используются для быстрого изготовления оснастки.

Изготовленные модели используются в следующем качестве:

• выплавляемые, выжигаемые (разовое литье);

• мастер-модели для изготовления сравнительно недорогой силиконовой пресс-формы (малые партии деталей, состоящие из 5G - 6G шт.);

• мастер-модели для изготовления полимерных пресс-форм из термостойкой армированной эпоксидной смолы в целях получения восковых моделей под последующее точное литье. Для достижения адекватности проводимого

анализа в рамках процесса технологической подготовки производства сложнофасонных деталей были также рассмотрены несколько традиционных технологий получения литых заготовок:

• применявшийся ранее традиционный процесс получения модельной оснастки для литья сложных заготовок по выплавляемым моделям, в котором не подразумевается использование систем автоматизированного проектирования (САПР) и который отличается наличием в основном ручного труда;

• современный традиционный процесс фрезерования металлической или металлополимерной оснастки, который характеризуется применением САПР при проведении автоматизированных механической обработки и контроля.

На рис. 1 в общем виде представлены пять вариантов описанных выше процессов технологической подготовки производства. К ним относятся:

1) традиционный процесс без применения САПР;

2) традиционный процесс с применением САПР;

3) литье по выплавляемым моделям (макеты Thermojet);

4) литье по выплавляемым моделям (макеты SLA 7GGG, стратегия Exact);

5) литье по выжигаемым моделям (макеты SLA 7GGG, стратегия Quickcast).

Для осуществления функционально-стоимостного анализа множество вариантов представлены в виде обобщающего графа. На рис. 2 изображен граф, описывающий пять путей, соответствующих вышеперечисленным методам получения литых заготовок сложнофасонных деталей. Вершины графа соответствуют операциям и обозначены Tk , где j - порядковый

номер процесса; к - индекс, обозначающий переход объекта из начального состояния в конечное. Напри-

'Т'Ъ

мер, Tі_2 соответствует операции из третьего процесса, начальным состоянием которой является 3D CAD-модель (операция 1), а конечным - твердотельная мо-

Рис. 1. Конкурирующие методы получения литых заготовок сложнофасонных деталей

дель в формате STL (операция 2). Дуги графа определяют время, необходимое для выполнения операции, т. е. перехода объекта подготовки производства из текущего состояния в следующее.

Модель объекта проектирования (процесса технологической подготовки производства), выраженную в виде графа, можно формально представить в виде множества [2]

S(T) = {T, FT, NT, RT }, (1)

где T - элемент модели объекта проектирования (вариант процесса технологической подготовки производства); FT - множество свойств элемента T (трудоемкость и т.п.); NT - множество параметров свойств FT (единица измерения - нормо-час); RT -множество отношений между элементами T, свойствами FT и параметрами NT.

В рассматриваемом случае предложенные процессы можно формально выразить следующей математической структурой:

T = ft,...,tj}, (2)

где j - номер каждого из пяти конкурирующих путей графа (j =1, ..., 5); i - номер каждой операции из ше-

Рис. 2. Варианты технологических процессов, представленные в виде графа

стнадцати представленных в обобщенном графе (/ = 1, ..., 16).

В условиях конкуренции, когда сроки ТПП играют существенную роль в возможности получения заказа, важным параметром процесса является уже не столько себестоимость, сколько трудоемкость. В табл. 1 и 2 представлены сравнительные данные по величине трудоемкостей каждой из описанных графом операций. При этом в табл. 1 зафиксированы величины трудоемкостей операций для производства деталей типа лопатка турбины, а в табл. 2 - для сложных корпусных деталей.

Данные сравнительных табл. 1 и 2 можно представить в виде диаграммы (рис. 3), описывающей относительную величину трудоемкостей

Таблица 1. Трудоемкость подготовки производства литых заготовок деталей типа «лопатка турбины», нормо-ч

Этапы получения заготовки Традиционный процесс без применения САПР й САПР ый м он енн ЇМ сЗо& лас HGo Установка Thermojet 0 0 0 7 Act La а кя ви ог £ £ S 3 Ус Установка SLA 7000 стратегия Quickcast

Создание конструкторской документации + + + + +

Получение 2D и 3D CAD-моделей - 20 20 20 20

Преобразование модели в формат STL - - 0,5 0,5 0,5

Подготовка технологической документации для изготовления оснастки 160 120 - - -

Обработка STL-файла (верификация, построение подпорок) - - 9 12 16

Послойное построение модели SLA 7000 Exact - - - 14 -

Послойное построение модели SLA 7000 Quickcast - - - - 8

Послойное построение модели Thermojet - - 11 - -

Изготовление модельной оснастки на станках с ЧПУ (фрезерование) - 60 - - -

Изготовление модельной оснастки вручную (контроль геометрии по шаблонам) 160 - - - -

Доработка модели (сушка, шкурение) - - 14 з2 з2

Контроль доведенной мастер-модели с помощью бесконтактной измерительной системы ATOS - - - 0,6 0,6

Контроль фрезерованной оснастки на контактной КИМ (LK) - 4 - - -

Изготовление партии литых восковых моделей (на 1 отливку) 6 6 - 4 -

Коррекция геометрических параметров восковок (на 1 отливку) з з з з -

Литье по выплавляемым моделям (п - число отливок в форме) 72n 72n 72n 72n -

Литье по выжигаемым моделям - - - - 72

Суммарная трудоемкость 401 285 129,5 158,1 149,1

Примечание: знак «+» означает ненормированные затраты времени; знак «-» означает отсутствие операций.

Таблица 2. Трудоемкость подготовки производства литых заготовок деталей типа «корпус», нормо-ч

Этапы получения заготовки Традиционный процесс без применения САПР ПР САП йм ые 1 ё І з 1 Ія! jet oj а к в о та с Ус 0 0 0 7 LA xact “w кя ви і g Ус Установка SLA 7000 стратегия Quickcast

Создание конструкторской документации + + + + +

Получение 2D и 3D CAD-моделей - 16 16 16 16

Преобразование модели в формат STL - - 0,5 0,5 0,5

Подготовка технологической документации для изготовления оснастки 160 100 - - -

Обработка STL-файла (верификация, построение подпорок) - - 6 8 10

Послойное построение модели SLA 7000 Exact - - - 12 -

Послойное построение модели SLA 7000 Quickcast - - - - 7

Послойное построение модели Thermojet - - 9 - -

Изготовление модельной оснастки на станках с ЧПУ (фрезерование) - 55 - - -

Изготовление модельной оснастки вручную (контроль геометрии по шаблонам) 140 - - - -

Доработка модели (сушка, шкурение) - - 12 24 24

Контроль доведенной мастер-модели с помощью бесконтактной измерительной системы ATOS - - - 0,6 0,6

Контроль фрезерованной оснастки на контактной КИМ (LK) - 3 - - -

Изготовление партии литых восковых моделей (на 1 отливку) 6 6 - 4 -

Коррекция геометрических параметров восковок (на 1 отливку) - - - - -

Литье по выплавляемым моделям (n - число отливок в форме) 72n 72n 72n 72n -

Литье по выжигаемым моделям - - - - 72

Суммарная трудоемкость 378 252 115,5 137,1 130,1

Примечание: знак «+» означает ненормированные затраты времени; знак «-» означает отсутствие операций.

Рис. 3. Сравнительная диаграмма трудоемкостей

процессов подготовки производства литых заготовок сложнофасонных деталей. Из диаграммы видно, что по величине трудоемкости методы, использующие RP-технологии, сопоставимы. Снижение трудоемкости главным образом заметно на фоне традиционных процессов (в два раза по сравнению со вторым вариантом ТПП с применением САПР и почти в три раза по сравнению с первым вариантом процесса, не использующим САПР).

Проведенный функционально-стоимостной анализ показал, что для производства литых заготовок сложнофасонных деталей наиболее предпочтительными (с точки зрения трудоемкости при близких показателях качества) можно назвать современные методы подготовки производства, основанные на автоматизированном изготовлении сложных технологических моделей. В свою очередь, каждый из этих методов обладает своими особенностями, определяющими его функциональность.

1. Производство моделей на установке SLA 7000 по стратегии Exact дает высокую точность и прочность, поэтому данный метод желательно применять при создания мастер-моделей и модельных форм для производства значительных партий (до 90 шт.) наиболее ответственных и точных деталей (охлаждаемые лопатки турбины).

2. Метод Quickcast установки SLA 7000 по точностным параметрам уступает стратегии Exact, но позволяет экономить дорогостоящий фотополимер и сократить время на выращивание макета. Данную стратегию можно рекомендовать для производства крупных единичных деталей средней точности (литье заготовок турбинных моноколес диаметром до 700 мм и крупных корпусных деталей).

3. RP-установка Thermojet отличается от SLA 7000 главным образом своим назначением. Основное ее назначение - производство готовых восковых выплавляемых моделей для литья по выплавляемым моделям. По точности она немного уступает SLA 7000, но важным ее преимуществом является отсутствие усадки восковой модели. Обеспечивает минимальные затраты времени на подготовку производства сложнофасонных деталей. Наиболее целесообразно использовать в мелкосерийном и опытном производствах для получения отливок деталей средней и низкой точности (неох-лаждаемые лопатки турбины, кронштейны, сложные корпусные детали).

Таким образом, при подготовке производства основная доля материальных и трудовых ресурсов затрачивается на технологическую подготовку производства, включающую в себя отработку технологичности деталей, проектирование и отладку технологических процессов, проектирование и изготовление технологической оснастки с применением метода функционально-стоимостного анализа. С учетом повторяемости проектных решений повышение эффективности технологического проектирования может быть обеспечено автоматизацией процессов поиска и применения отработанных в производстве конструктивно-технологических решений для новых и модернизируемых изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Силуянова М.В. Функционально-стоимостной анализ агрегатов и узлов авиационных двигателей на производственных стадиях жизненного цикла. М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского. 2002.

2. Силуянова М. В. Применение функционально-стоимостного анализа для обеспечения принципа комплексности при проектировании сложных машиностроительных объектов // Технология машиностроения. 2007. № 6. С. 75 - 79.

Поступила 10.03.2011 г.