CC BY
117
УДК 621.452.3
В. А. Панасенко, А. Я. Качан, Г. В. Карась, С. В. Мозговой
ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ С ЧПУ
Рассмотрены особенности обработки корпусных деталей ГТД из алюминиевых и магниевых сплавов на обрабатывающих центрах с числовым программным управлением с применением современной инструментальной оснастки.
Постановка проблемы и её связь с практическими задачами
Для обработки крупногабаритных корпусных деталей ГТД применяется различное оборудование. Применение фрезерно-сверлильных обрабатывающих центров обусловлено наличием большого количества технологических переходов. Применение горизонтально-расточных станков позволяет вести обработку наклонных плоскостей за счёт поворота оси детали на заданный угол относительно оси шпинделя с помощью глобусного стола. Использование радиально-сверлильных станков обусловлено необходимостью сверления большого количества отверстий. Во многих случаях современное производство ставит перед технологами задачи по сокращению сроков изготовления и снижению себестоимости обработки деталей. Выполнить их возможно за счёт применения современного высокоскоростного оборудования с использованием быстропереналаживаемой инструментальной оснастки и современного твердосплавного инструмента. Значительным резервом снижения себестоимости и повышения эффективности производства является обоснованное применение новых технологий и высокоскоростного оборудования с расширенными технологическими возможностями [1, 2, 3, 4].
Цель работы
Проанализировать накопленный опыт применения новых технологий и современного высокоскоростного оборудования на примере обработки корпусных деталей ГТД.
Содержание и результаты исследования
Технологический процесс изготовления корпусных деталей (рис. 1) представляет собой последовательность операций обработки периферийной и внутренней части корпусов. Детали этого класса характеризуются большим разнообразием видов механической обработки. Корпуса ГТД, как правило, выполнены из алюминиевых и магниевых сплавов АК-4, МЛ-5, МЛ-10 и др. Заготовки корпусов изготавливают методом литья в песчаные формы с припуском до 8-12 мм по обрабатываемым поверхностям.
Рис. 1. Корпусные детали ГТД
Для обработки корпусных деталей в ОАО " Мотор Сич" на чистовых операциях, наряду с универсальным оборудованием, применяют современный высокоскоростной пятикоординатный фрезерный центр французской фирмы "HURON" ^-200 с ЧПУ Sinumerik 840D (рис. 2).
Ранее процесс изготовления корпусов отличался большой трудоёмкостью и наличием большого количества операций, выполняемых на различных станках. Так, существовавший технологический процесс обработки "Корпуса промежуточного" включал более 60-ти механических операций.
Рис. 2. Общий вид высокоскоростного фрезерного центра ^-200
© В. А. Панасенко, А. Я. Качан, Г. В. Карась, С. В. Мозговой, 2007
- 9Ц-
Операции выполнялись с применением быстрорежущего инструмента. Транспортировка и установка деталей на каждой операции требовала больших затрат вспомогательного времени. Кроме того, требовалось большое количество специальной технологической оснастки. При переустановках детали для выполнения различных операций возникали погрешности базирования и закрепления, что отражалось на точности выполнения операционных размеров. С применением нового 5-ти координатного фрезерного центра со стойкой программного управления Б1питепк-8400 были решены многие задачи. В результате значительно повысилась точность размеров и качество получаемых поверхностей при существенном снижении трудоёмкости за счёт сокращения машинного и вспомогательного времени. Новый станок дал возможность выполнить высокую концентрацию операций.
Сокращение длительности производственного цикла обработки деталей позволило получить экономию от сокращения размера оборотных средств на незавершённое производство, что равноценно экономии капитальных затрат. Если раньше технологический процесс чистовой обработки периферийной и внутренней части " Корпуса промежуточного" состоял из четырёх операций, суммарное машинное время которых составляло 485 мин, то с применением станка КХ-200 машинное время после концентрации операций составило 130 мин. На другом крупногабаритном корпусе увеличение производительности составило более чем 1,4 раза. Центр тяжести стратегии подготовки производства сместился в сторону высококвалифицированного труда технологов-программистов и тщательном подборе инструментальной оснастки.
Конструктивной особенностью станка КХ-200 является использование электрошпинделя, установленного на поворотной головке (рис. 3).
Головка соединена с салазками суппорта через вращающуюся вилку таким образом, что она может вращаться по осям "В" и "С". Такая конструкция существенно расширила технические возможности станка. Скорость вращения шпинделя п = 11 *18000 об/мин, мощность двигателя 20 кВт. Оси "В" и " С" моторизованы и содержат механизмы для зажима качания посредством гидравлического
Таблица 1 - Характеристика поворотных осей "В" и "С"
дискового тормоза при черновой обработке. Двигатели головки могут развивать крутящий момент в 500 Нм по оси "В" и 700 Н м по оси "С" (см. табл. 1).
Рис. 3. Электрошпиндель поворотной головки станка КХ-200
Электрошпиндель станка снабжён датчиком контроля вибраций. Контроль вибраций осуществляется через измеритель ускорений и преобразуется в величину амплитуды и скорости колебаний. Предельное значение сигнала тревоги - 7 мм/с. Предельное значение остановки станка - 9 мм/с.
Для установки режущего инструмента шпиндель оснащён конусом для крепления инструментальных базовых блоков по нормали НБК-63Л. Размер рабочего стола станка 2500x1250 мм (рис. 4).
Точность станка по линейным осям X, У, Т составляет 0,001 мм и по круговым осям 0,001°. На рабочем столе станка дополнительно установлен круглый поворотный стол диаметром 1000 мм, управляемый как 6-я ось управления (рис. 5). Поворотный стол позволил обрабатывать периферийную часть крупногабаритных корпусов с поворотом оси шпинделя по оси "В" на 90°.
За одну установку детали стало возможным обрабатывать большее количество поверхностей, наклонных каналов и отверстий, ранее обрабатываемых на разных станках. Это повысило стабильность получаемых размеров. Возможность кинематической схемы поворотной головки станка позволила в некоторых случаях не вращать круговой стол с деталью для обработки угловых бобышек и наклонных отверстий (рис. 6).
В-ось С-ось
Область поворота Ось: ± 95 ° ± 190 °
Скорость вращения:
Крутящий момент: 30 об/мин 30 об/мин
Максимальный Крутящий момент при Обдирке (зажатые оси) 500 Н-м 700 Н-м
7000 Н-м
Рис. 4. Рабочая зона станка ^-200
Рис. 5. Поворотный стол диаметром 1000 мм
Рис. 6. Ориентация головки станка ^-200
Так, при обработке боковых бобышек "Корпуса коробки приводов", расположенных под различными углами на периферии корпуса, была принята схема обработки с ориентацией оси шпинделя относительно неподвижного корпуса, установленного на круговом столе (рис. 7) при помощи блока пятиосе-
Рис. 7. Вид сверху при обработке боковых бобышек поворотной головкой
вого преобразования TRAORI. Поворотная шпиндельная головка позволила отказаться от вращения поворотного стола, а точность углового позиционирования головки полностью обеспечила конструкторские и технологические требования операционной карты.
В предложенной стойке ЧПУ основные задачи постпроцессора реализованы в пакете пятиосевой трансформации (рис. 8). Привязка пакета к конкретной кинематике станка производится при помощи машинных данных (Мй). При этом происходит автоматический пересчёт геометрии детали на базовую точку державки с учётом длины инструмента. Преимущество программирования с применением пакета внутренней трансформации состоит в возможности подготовки управляющих программ в системе координат детали, которые не зависят от кинематики станка. Во внутренних трансформациях принимают участие 3 линейных и 2 круговые оси станка.
Рис. 8. Пятиосевая трансформация через функцию ТКЛОК!
Активация внутренних трансформаций для 5-ти осевой обработки осуществляется заданием команды ТКАСК!. Отключение модуля трансформации осуществляется командой ТКАРССР. Модуль пя-тикоординатного преобразования ТКАСК позволил выполнить ранее несовместимые операционные переходы на одном станке.
В условиях серийного производства при большой номенклатуре выпускаемых деталей инструментальное оснащение принимает особое важное значение. Наличие конструкторских размеров с жёсткими допусками на корпусных деталях обусловили применение современной инструментальной оснастки. Применение современного твердосплавного инструмента позволило применить прогрессивные режимы обработки. Часть твердосплавного инструмента была спроектирована и изготовлена на ОАО "Мотор Сич" на специальных шлифовальных станках ииЫОЫЕК (Швеция).
Фрезы и свёрла изготавливались из мелкозернистого твердого сплава Н10Р, НВ30Р БАМОУ!К. Хвостовики изготавливались двух типов: цилиндрические и хвостовики под крепление WELDON. Высокие точностные требования, предъявляемые к конструкции корпусов, обусловливают также высокие требования к фрезам для высокоскоростно-
го фрезерования (рис. 9):
- максимальное отклонение
формы радиуса...............................0,01 мм;
- торцевое и радиальное биения.....0,01 мм;
- радиальное биение инструмента,
установленного на оправку и в шпиндель, на длине 250 мм .................................0,02
мм;
Рис. 9. Твердосплавный инструмент
Высокие требования предъявлялись и к свёрлам. Свёрла изготавливались с допустимым биением по режущей части - 0,05 мм, по хвостовику -0,04 мм.
Допуск на номинальный размер сверла -0,02мм. Зажатый инструмент должен быть динамически отбалансирован.
При обработке корпусных деталей на высокоскоростном станке применялись режимы резания, превышающие ранее используемые в несколько раз. Режимы резания были определены таким образом, чтобы обеспечить высокопроизводительное удаление металла, оптимальную стойкость режущего инструмента и высокую точность получаемых размеров:
- фреза диаметром 20 мм - Урез = 380 м/мин, Г = 800-1000 мм/мин;
- фреза диаметром 12 мм - Урез = 450 м/мин, Г = 600-800 мм/мин;
- фреза диаметром 80 мм - Урез = 380 м/мин, Г = 1000 мм/мин;
- сверло диаметром 15 мм - п = 2000 об/мин, Г = 500 мм/мин;
- сверло диаметром 6,7 мм - п = 3000 об/мин, Г = 250 мм/мин;
- сверло диаметром 8,32 мм - п = 2500 об/мин, Г = 300 мм/мин.
Для обеспечения надёжного крепления инструментов на получистовых и чистовых операциях применялась инструментальная оснастка фирм SANDVIK, иКМЛ, КЕОС-Р1Х, KELCH/HOLEX, SCHUNK (рис. 10).
Рис. 10. Инструментальная оснастка HSK-63А
Инструментальная оснастка крепилась в базовые блоки станка Конструкция державок позволила крепить режущий инструмент непосредственно в державке (рис. 11).
Для обработки торцевых поверхностей и уступов широко использовались "катушечные" фрезы (рис. 12).
Рис. 11. Инструментальная оснастка HSK-63А
Для крепления простого и комбинированного осевого инструмента с конусом Морзе использовались держатели с внутренним конусом Морзе № 1, 2, 3 и 4. Обработка отверстий от 2 мм осуществлялась как осевым инструментом, так и резцовыми расточными блоками с точностью 0,01-0,04 мм. Для крепления свёрл применялись цанговые патроны с хвостовиками HSK-63A (рис. 13). Набор цанг в комплекте с унифицированным корпусом обеспечил надёжное крепление свёрл диаметром от 1 до 24 мм.
Рис. 13. Цанговые патроны HSK-63А для крепления свёрл
Для увеличения вылета инструмента Т" применялись цанговые патроны-удлинители (рис. 14), которые, в свою очередь, крепились в цангу базового патрона. Такая конструкция обеспечивала необходимый рабочий вылет режущего инструмента.
Рис. 12. "Катушечные" фрезы для обработки алюминия и магниевых сплавов
Рис. 14. Цанговый патрон-удлинитель
Для крепления твердосплавных фрез использовались гидрооправки и цилиндрические держатели фирмы SANDVIK. Гидрооправки (рис. 15) обеспечили гарантированный зажим фрезы по цилиндрическому хвостовику. Для больших диаметров применялась модульная система расточных борт-штанг фирмы BETA (рис. 16). Высокая точность инструментальной оснастки обеспечила получение
стабильных показателей качества обрабатываемых отверстий. Расточные оправки снабжались твердосплавными пластинами для обработки алюминиевых и магниевых сплавов фирм ЫКМЛ и БЛЫОУ!К: СССТ 060204-РР11ММ-10, йСОХ 070204-ЛL Н10. Пластины применялись без покрытия. Обработка осуществлялась на режимах п = 2000-2500 об/мин, Г = 100 мм/мин.
U №
: I 1Ä
1 ■ п гп
Рис. 15. Гидрооправка для крепления фрез
Пользуясь одной стандартной модульной инструментальной системой и запасами инструмента, специально подобранного для ежедневных производственных нужд, удалось сократить время на замену инструмента.
Для размерной настройки инструмента вне станка применялся микроскоп TOOL MASTER 250 (рис. 17). Изображение режущей кромки инструмента формировалось оптически с помощью телевизионной камеры и передавалось на монитор, а оцифровка осуществлялась лазерным длиномером относительно геометрической оси вращения инструмента с точностью до 0,001 мм.
Т
Рис. 17. Микроскоп TOOL MASTER 250 для настройки инструмента
Для работы на современных фрезерных станках с высокооборотными шпинделями необходима динамическая балансировка инструментов и держателей. Центробежные силы несбалансированных держателей увеличивают нагрузку на подшипниковый узел шпинделя и снижают качество обработки деталей - точность операционных размеров и шероховатость обрабатываемой поверхности. Для получения наилучших результатов после установки инструмента в инструментальный блок проводили его балансировку на балансировочном станке фирмы БНУЫК (рис. 18).
Рис. 18. Балансировочный станок фирмы БНиЫК
В процессе балансировки компенсировалось несимметричное распределение массы ротора. Компенсация дисбаланса выполнялась при помощи спаренных балансировочных колец или установочных грузиков (рис. 19) в строго определённом месте оправки. Для балансировки инструментальных державок и инструмента был приобретён комплект балансировочных колец под различные диаметры цилиндрических оправок.
Два груза с известным дисбалансом поворачивались в определённую угловую позицию и закреплялись винтами. Точность балансировки задавалась критерием "О". Дисбаланс не превышал 2,5 х мм/кг (2,5О). Если результат балансировки требовалось улучшить, то функции цикла балансировки снова активизировались до получения приемлемого результата.
Рис. 19. Установка балансировочных колец
Выводы
Приобретённый опыт успешной эксплуатации высокоскоростного оборудования с применением современной инструментальной оснастки при производстве корпусных и подобных деталей ГТД может служить примером эффективного использования полученных наработок в области высокоскоростного фрезерования и создания оптимальных управляющих программ для станков с ЧПУ с максимальным использованием технических возможностей оборудования. Наиболее перспективным здесь является подход, предусматривающий использование метода выверенных технологических решений, что даёт возможность распространить накопленный опыт на широкий круг деталей ГТД.
Перечень ссылок
1. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П. Д.
и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора, часть1. Монография. - г. Запорожье, изд. ОАО " Мотор-Сич", 2003. - 396 с.
2. Современные решения задач обработки геометрически сложных деталей.// Мир техники и технологии. - 2006. - №4(53). - С. 54-55.
3. Мигранов М.Ш., Фукс-Рабинович Г.С. Износостойкие покрытия для высокоскоростной обработки резанием.// 1нструментальний свгг. -2005. - №2(26). - С. 10-14.
4. Эстерзон М.А., Нахова Т.М. Технология обработки на станках с ЧПУ.// Стружка. Журнал по металлообработке. - 2004. - №3(6). - С. 24-27.
Поступила в редакцию 24.01.2007
Розглянуто особливост1 обробки корпусе ГТД з алюм1н1евих та магн1евих сплав1в на оброблювальних центрах з числовим програмним керуванням ¡з застосуванням сучасного ¡нструментального обладнання.
Shown are the peculiarities of machining the body parts of GTE manufactured from aluminium and magnesium alloy using modern tooling.
