Совершенствование технологии изготовления узлов аэрокосмического производства Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791

Вестник СибГАУ 2014. № 3(55). С. 114-119

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

С. И. Пономарев, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]

Предлагается описание совершенствования технологии изготовления деталей и узлов аэрокосмического производства с использованием компьютерного проектирования и управления технологическими процессами. Теоретические основы и алгоритмы построения технологического процесса изготовления деталей и узлов аэрокосмической отрасли с применением различных способов соединения жаропрочных материалов, например диффузионной сваркой, проектируются на основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований, предлагаемых авторами запатентованного способа соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния и технологической оснастки «Установка для получения металлокерамических изделий», а также получивших регистрацию в реестре баз данных Российской Федерации атрибутивной базы данных для создания технологических процессов получения деталей аэрокосмического производства диффузионной сваркой и атрибутивной базы данных технологического оборудования, инструмента и приспособлений для механической обработки деталей аэрокосмического производства. Во время выполнения работ были решены следующие задачи: разработан алгоритм адаптивного управления технологическим процессом изготовления деталей и узлов аэрокосмической отрасли с применением диффузионной сварки в реальном масштабе времени, создана база данных материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов аэрокосмического производства, база данных оборудования, оснастки и режимов механической обработки деталей различных типоразмеров и конфигурации и база данных оборудования, оснастки и режимов получения неразъёмных соединений из разнородных материалов диффузионной сваркой. На основании проведённых исследований и созданных баз данных приведены рекомендации для изготовления неразъёмных металлокерамических узлов, используемых в аэрокосмическом производстве. В качестве примера разработанной методики приводится проектирование технологии изготовления металлокерамического узла - ротора турбины турбонасос-ного агрегата. Предлагаемый способ компьютерного проектирования и управления технологическими процессами изготовления деталей и узлов значительно упрощает организационные работы и сокращает время подготовки производства при изготовлении высококачественных деталей и узлов аэрокосмического производства.

Ключевые слова: компьютерное проектирование и управление технологическими процессами, алгоритм построения технологического процесса, базы данных материалов деталей и узлов аэрокосмического производства, оборудования и технологических режимов механической обработки данных материалов, оборудования и режимов получения неразъёмных соединений из данных материалов диффузионной сваркой.

Vestnik SibGAU 2014, No. 3(55), P. 114-119

IMPROVED TECHNOLOGY MANUFACTURING UNITS AEROSPACE INDUSTRY

S. I. Ponomarev, S. P. Eresko, T. T. Eresko

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]

This paper presents a description of the improvement of the technology of manufacturing parts and assemblies of aerospace production using computer-aided design and process control. Theoretical framework and algorithms for constructing process of manufacturing parts and assemblies to the aerospace industry using different connection methods of heat-resistant materials, such as diffusion bonding, designed on the basis of conducted theoretical and experimental studies, the authors proposed a patented process connection "Connection method superalloy cobalt-based ceramic based on silicon nitride" and tooling "Installation for metal products", as well as obtaining registration in the

database of the Russian Federation "Attributive database to create processes for production of aerospace components manufacturing diffusion bonding" and "Attributive database processing equipment, tools and equipment for machining aerospace parts production ". During the execution of the works were solved the following problems: the algorithm of the adaptive management process of manufacturing parts and assemblies to the aerospace industry using diffusion welding in real time created: the database of materials used for the manufacture of parts and assemblies of aerospace manufacturing, the database of equipment, accessories and modes of machining parts different sizes and configurations, and the database of equipment, accessories and modes of obtaining permanent link of dissimilar materials by diffusion bonding. Based on the results, and created databases, provides guidance for the manufacture of one-piece ceramic-metal assemblies used in the aerospace industry. As an example, the developed method provides design technology of metal-ceramic assembly - the turbine rotor of the turbopump assembly. The proposed method for computer-aided design and manufacturing process control components and assemblies greatly simplifies the organization of work and reduces the pre-production in the manufacture of high quality components and assemblies of aerospace manufacturing.

Keywords: computer-aided design and process control, an algorithm for constructing process, material database of parts and assemblies of aerospace manufacturing, equipment and technological modes of mechanical processing of materials, equipment and modes of obtaining permanent link of these materials by diffusion bonding.

В Сибирском государственном аэрокосмическом университете проводятся работы по автоматизации производственных процессов, включающие в том числе создание унифицированных баз данных для совершенствования технологии изготовления узлов аэрокосмического производства.

Теоретические основы и алгоритмы построения технологического процесса изготовления деталей и узлов аэрокосмической отрасли с применением различных способов соединения жаропрочных материалов, например диффузионной сваркой, проектируются на основании предлагаемого авторами запатентованного способа соединения «Способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния» [1] и технологической оснастки «Установка для получения металлокерами-ческих изделий» [2].

В патентах реализован способ получения соединения на примере определённого узла - ротора турбины турбонасосного агрегата, состоящего из определённых материалов - жаропрочного сплава на кобальтовой основе и керамики на основе нитрида кремния, содержащий определённые режимы получения метал-локерамического узла диффузионной сваркой.

Выбор режимов и материалов в условиях производства затруднен, ввиду наличия обилия различных материалов и значительного разнообразия способов их соединения.

Задачей исследования является создание алгоритмов выбора режимов и материалов из созданной заранее базы данных как основы создания автоматизированной системы построения оптимальных технологических процессов соединения жаропрочных материалов, включающей как подбор совместимых материалов, так и выбор последовательности операций и режимов их осуществления.

Рассмотрим процесс адаптивного управления технологическим процессом в реальном масштабе времени.

На рис. 1 представлена блок-схема алгоритма адаптивного управления автоматизированным обору-

дованием, составленным на основании условий генерации управляющей программы непосредственно в процессе обработки по результатам текущих данных в момент осуществления технологического процесса сварки.

В процессе функционирования создаётся база данных, содержащая характеристики оборудования, регулирующие параметры процесса диффузионной сварки. В блоке 1 вводится база данных области возможных вариаций исходных данных, определяющих структуру технологического процесса.

В процессе обработки отслеживаются построчным выделением текущие параметры процесса Т, Р, рВ, т (блок 2). Их обработка выявляет четыре параметра, определяющих процесс диффузионной сварки (блок 3): рВ - вакуум; Т - температура сварки; Р - давление при сварке; т - время выдержки.

Дальнейшее преобразование безразмерных критериев выявляет массив данных (блок 4), который является основой для постоянного сравнения текущего значения критерия с учетом определенных для заданного процесса и свариваемых материалов значений по зависимостям разработанной технологии.

При соответствии производится выбор основных параметров из базы данных области возможных вариантов (вакуума, температуры сварки, давления при сварке, времени выдержки), удовлетворяющих условиям ввода (блок 7), при несоответствии производится проверка условий соответствия массива данным ввода (блок 5).

При несоблюдении условий производится операторская корректировка массива данных ввода (блок 6).

После выбора основных параметров производится проверка условий последней строки массива (блок 8).

При несоответствии производится сравнение значений основных параметров с данными из области возможных вариаций (блок 9), при соответствии проводится проверка условий соответствия массива данным ввода (блок 10). При несоблюдении этого условия производится оперативная корректировка массива данных ввода (блок 6).

Рис. 1. Алгоритм адаптивного управления технологическим процессом диффузионной сварки

Таким образом, предусмотрено трехступенчатое управление технологическим оборудованием (блоки 5, 6, 10).

Оптимальные значения параметров технологического режима диффузионной сварки достигаются измерением рВ, Т, Р, т последовательно, к изменению следующего параметра переходят лишь при полном исчерпании возможности рационализации процесса предыдущим параметром, выбор параметров адаптивного управления технологическим процессом диффузионной сварки моделируется как численная (аналитическая) модель оперативной задачи [1; 2].

Примером компьютерного проектирования и управления технологическими процессами изготовления деталей является создание технологии изготовления ротора турбины турбонасосного агрегата (рис. 2) [2-5].

Используя созданную базу данных материалов (рис. 3), применяемых в производстве узлов аэрокосмического производства [6], и учитывая тенденции применения новых конструкционных материалов, определяем материал диска ротора - керамика, вала -жаропрочный сплав на никелевой основе.

Керамический диск ротора спекаем на специализированном оборудовании.

Вал изготавливаем механической обработкой (рис. 4), используя базу данных металлорежущего оборудования [7]. По данной базе, в зависимости от размеров вала, выбираем металлорежущее оборудование, приспособление, режущий и измерительный инструмент,

13 Детали АКП ■

к - Материал • Деталь АКП Категория

Ш 1 А1 низкотемпературный (до 500 С) реактор Алюминий ЮЖМАШ-режим д

Ш А1 оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) Алюминий ЮЖМАШ-режим д

Ш 3 А1 электромагнитный двигатель (ЭМД) Алюминий ЮЖМАШ-режим д

Ш 4 А1203 электромагнитный двигатель (ЭМД) Алюминия оксид ЮЖМАШ-режим д

Ш 5 А1203 электростатический двигатель (ЭСД) Алюминия оксид ЮЖМАШ-режим д

Ш 6 полисульфон высокотемпературные солнечные энергетические установки (В< Аморфный полимер ЮЖМАШ-режим д

Ш 7 Бе оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) Берилий ЮЖМАШ-режим д

Ш 3 Ве отражатель Берилий ЮЖМАШ-режим д

Ш ^ ВеО отражатель Бериллия оксид ЮЖМАШ-режим д

Ш 10 вм аккумуляторы Бора нитрид АБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 11 вм линейный Холловский двигатель Бора нитрид АБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 12 вм стационарный плазменный двигатель (СПД) Бора нитрид АБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 13 вм электронагревный двигатель (ЭНД) Бора нитрид АБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 14 вм электростатический двигатель (ЭСД) Бора нитрид АБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 15 вм электростатический двигатель (ЭСД) Бора нитрид БГП ЮЖМАШ-режим д

Ш 16 вм аккумуляторы Бора нитрид СБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 17 вм линейный Холловский двигатель Бора нитрид СБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 13 вм плазменно-ионный двигатель (ПИД) Бора нитрид СБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 19 вм стационарный плазменный двигатель (СПД) Бора нитрид СБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 20 вм электродуговой двигатель (ЭДЦ) Бора нитрид СБН ЮЖМАШ-режим д

Ш 21 V оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЗЛ) Ванадий ЮЖМАШ-режим д

Ш 22 w высокотемпературные солнечные энергетические установки (В< Вольфрам ЮЖМАШ-режим д

Ш 23 оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) Вольфрам ЮЖМАШ-режим д

Ш 24 электродуговой двигатель (ЭДЦ) Вольфрам ЮЖМАШ-режим д

Ш 25 электромагнитный двигатель (ЭМД) Вольфрам ЮЖМАШ-режим д

ш 26 электронагревный двигатель (ЭНД) Вольфрам ЮЖМАШ-режим д

ш 27 В Ж172 корпуса деталей ГТД Высокопрочный свариваемый сплав ЮЖМАШ-режим д

ш 28 СаАБ фотоэлектрические преобразователи (солнечный элемент) (ФЭ Галлия арсенйд ЮЖМАШ-режим д

Рис. 3. База данных материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов аэрокосмического производства

с помощью которых изготавливаем вал из жаропрочного сплава на никелевой основе.

После изготовления диска и вала проводим исследование базы данных получения неразъёмных соединений из заданных материалов диффузионной сваркой (рис. 5), с помощью которой выбираем сварочное оборудование и технологические режимы (текущие параметры рВ, Т, Р, т) для получения неразъёмного металлокерамического соединения - ротора турбины турбонасосного агрегата, приведенного на рис. 2.

У \

\ Иг щ

Рис. 2. Турбина турбонасосного агрегата: 1 - диск ротора, 2 - вал

Все таблицы

© «

Поиск..

Оборудование Ä

Оборудование: таблица

Режущий инструмент *

При способл ен и е *

Измерительный инструмент *

Switchboard Items А

ЕЕ] Switchboard Items: таблица Щ\ Кнопочная форма

S Оборудование

■

Технологии • Название станка Модель - Наибольшая длина обр - Наибольший диаметр i - Макси

Точить Станок токарный патронно-це 16А20 900 320

Опе ~ Назван! - тип вид обработки гост - Об 031-

+ 010 Резец токарный проходной упорный оснащенный для обтачивания нежестких в 18879 - 73 2101-С

- 015 Резец токарный проходной упорный оснащенный для обтачивания нежестких в 18879 - 73 2101-С

L Название - ГОСТ - Вид - Щелкните -

* Штангенциркуль ШЦ-1 166-39 : Word 97-2003

+ 025 Резец токарный проходной отогнутый с пластинка для обтачивания, подрезание 1SS77 - 73 2102-С

+ 030 Резец токарный проходной отогнутый с пластинка для обтачивания, подрезание 1SS77 - 73 2102-С

- 040 Резец токарный проходной упорный оснащенный для обтачивания нежёстких в 18879-73 2101-С

L Название - ГОСТ - Вид - Щелкните -

* Штангенциркуль ШЦ-1 166-S9 : Word 97-2003

+ 045 Резец токарный проходной упорный оснащенный для обтачивания нежёстких в 18879-73 2101-С

+ 060 Резец токарный проходной упорный оснащенный Для обтачивания нежёстких е 18879-73 2101-С

*

Рис. 4. База данных металлорежущего оборудования, режущего и измерительного инструмента, применяемого для изготовления деталей аэрокосмического производства

Режимы сварки

Категория И 91 Иттрий-годолиниевый феррит И 92 Карбид бора

И 93 Карбид вольфрама и кобальта твердый И 94 Карбид вольфрама и кобальта твердый И 95 Карбид вольфрама и кобальта твердый И 96 Карбид вольфрама и кобальта твердый И 97 Карбид вольфрама и кобальта твердый И 93 Карбид вольфрама и кобальта твердый И 99 Карбид вольфрама и кобальта твердый И Ш Карбид вольфрама и кобальта твердый И Ш Карбид вольфрама и кобальта твердый И Ш Карбид вольфрама и кобальта твердый И Ш Карбид вольфрама и кобальта твердый И Ш Керамика алюмооксидная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Ш Керамика вакуумплотная И Керамика карбид кремния

сплав сплав сплав сплав сплав сплав сплав сплав сплав сплав сплав

• Материал 40СГ-4 В4С

вк вк

ВК15

ВК20

ВК20

ВК20

ВК20

ВК20

ВК20М

BKS

BKS

гм

В К100-2

В К100-2

В К100-2

ВК100-2

В К102

ВК94-1

ВК94-1

ВК94-1

ВК94-1

ВК94-1

ВК94-1

ВК94-1

22ХС

22ХС

SÍC

- Материал2 - Прою - Толи -

40СГ-4 В4С

У45

ys

ВК15

1SX2H4BA

1SX2H4BA

5ХГСВ

ВК20

Ст45

5ХНМ

BKS

BKS

Ti

Pa

BK100-2 Нихром

СтЗ

X1SH10T

BK94-1

BK94-1

BK94-1

BK94-1

BK94-1

Ковар

xismoT

Си

Ti

Mo

Cu

ПЖ2 ПЖ2

Ni

пермил 50Н

Cu

5ХНМ

Ni

Ni

Al

Си

M-l

АД1

AMrS

29HK

Темпе -950 2150 1150 1150 1200 950 1050 1130 1200 1050 115Q 1150 1150 1200 1300 640 1300 1300 1200 1030 950 620 590 1050 1200 1200 1000 ÍOOO 800

Bpen -20| 45 5 5 20| 10 10 12 20| 10 20 20 20 5 20 40 20 20 20 120 40 30 20 20 20 20 15 10 loi

Свар - Ваку 20 С

10 10

15,7 9,8 9,8 5

12,7 9,8 9

17.6

15.7

13,7

IS 15 IS IS IS 20 10 10 10 10 IS IS

19.6

11.7

39,2

С С

с с

о, о, с с с

Тип установки - Способ нагрева

МДС ОАО "ДЗНВА", г. Дивно индукционный

Усилие сжатия, кН • 13

Размеры рабочей - Щелкните -100x10x10

Рис. 5. База данных режимов технологических процессов и оборудования изготовления неразъёмных соединений диффузионной сваркой

Предлагаемый способ компьютерного проектирования и управления технологическими процессами изготовления деталей значительно упрощает организационные работы и сокращает время подготовки производства при изготовлении деталей и узлов аэрокосмического производства.

Библиографические ссылки

1. Пат. № 2433026 Российская Федерация, МПК В23В20/00. Способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния / Пономарев С. И., Прокопьев С. В., Ереско С. П.,

Ереско Т. Т.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Зарегистрирован 10.11.2011.

2. Пат. № 93722 Российская Федерация, МПК В23К20/26. Установка для получения металлокерами-ческих изделий / Пономарев С. И., Ереско С. П., Ереско Т. Т.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Зарегистрирован 10.05.2010.

3. Пономарев С. И., Ереско С. П. Получение газовых турбин диффузионной сваркой // XXXVII Академические чтения по космонавтике : материалы Российской академии наук. Секция 19 «Производство ракетно-космической техники». М. : РАН, 2013. С. 2930.

4. Пономарев С. И., Ереско С. П., Ереско Т. Т. Методология экспериментальных исследований получения неразъемных металлокерамических узлов диффузионной сваркой // Механики XXI века : материалы XII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием : сб. докладов. Братск : ГОУ ВПО «БрГУ», 2013. С. 153-154.

5. Пономарев С. И., Ереско С. П. Построение модели технологического процесса диффузионной сварки // Решетневские чтения : материалы XV Междунар. науч. конф. СибГАУ. Красноярск, 2011. Ч. 1 С. 247.

6. Атрибутивная база данных для создания технологических процессов получения деталей аэрокосмического производства диффузионной сваркой : свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2013621572 Российской Федерации / С. И. Пономарёв, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско; заявитель и правообладатель Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. № 2013621404 ; заявл. 31.10.13 ; дата гос. регистрации в Реестре баз данных 19.12.13.

7. Атрибутивная база данных технологического оборудования, инструмента и приспособлений для механической обработки деталей аэрокосмического производства : свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014620691 Российской Федерации / С. И. Пономарёв, Л. В. Ручкин, Н. Л. Руч-кина; правообладатель Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т (RU). № 2014620376. Дата поступления 31.03.14 ; дата гос. регистрации в Реестре баз данных 15.05.14.

References

1. Ponomarev S. I., Prokop'ev S. V., Eresko S. P., Eresko T. T. Sposob soedinenija zharoprochnogo splava

na kobal'tovoj osnove s keramikoj na osnove nitrida kremnija [Connection method superalloy cobalt based ceramics based on silicon nitride]. Patent RF, no. 2433026, 2011.

2. Ponomarev S. I., Eresko S. P., Eresko T. T. Ustanovka dlja poluchenija metallokeramicheskih izdelij [Aapparatus for manufacturing metal products]. Patent RF, no. 93722, 2010.

3. Ponomarev S. I., Eresko S. P. [Preparation of gas turbines by diffusion welding]. Poluchenie gazovyh turbin diffuzionnoj svarkoj [Proceedings of the Russian Academy of Sciences "XXXVII Academic Readings on space". Section 19 Production of rocket and space technology]. Moscow, 2013, p. 29-30. (In Russ).

4. Ponomarev S. I., Eresko S. P., Eresko T. T. [Experimental research methodology of obtaining permanent sintered nodes diffusion bonding technique]. Metodologija jeksperimental'nyh issledovanij poluchenija nerazemnyh metallokeramicheskih uzlov diffuzionnoj svarkoj. [Proceedings of the XII All-Russian scientific conference with international participation "Mechanics XXI Century"]. Bratsk, 2013, p. 153-154. (In Russ).

5. Ponomarev S. I., Eresko S. P. [Model building process of diffusion welding]. Postroenie modeli tehnologicheskogo processa diffuzionnoj svarki. ["Reshetnev reading materials" XV International Scientific Conference]. Krasnoyarsk. 2011. pp. 247. (In Russ).

6. Ponomarev S. I., Eresko S. P., Eresko T. T. Atribu-tivnaja baza dannyh dlja sozdanija tehnologicheskih processov poluchenija detalej ajerokosmicheskogo proiz-vodstva diffuzionnoj svarkoj [Attributive database to create the technological processes of production of aerospace components by diffusion welding], Certificate RF, no. 2013621572, 2013.

7. Ponomarev S. I., Ruchkin L. V, Ruchkina N. L. Atributivnaja baza dannyh tehnologicheskogo oborudo-vanija, instrumenta i prisposoblenij dlja mehanicheskoj obrabotki detalej ajerokosmicheskogo proizvodstva. [Aattributive database processing equipment, tools and equipment for machining aerospace parts production]. Certificate RF, no. 2014620691, 2014.

© Пономарёв С. И., Ереско С. П., Ереско Т. Т., 2014