CC BY
102
УДК 621.9.047
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА НАУКОЕМКИХ ИЗДЕЛИЙ В.П. Смоленцев, И.Т. Коптев, А.С. Белякин
В статье показаны новые средства технологического оснащения для нетрадиционных методов обработки изделий авиационно-космической отрасли, отражающих современные тенденции развития технологии при запуске и освоении наукоемкой техники. В работе освещен опыт Воронежского механического завода по реконструкции производства для выпуска конкурентоспособной продукции, востребованной в стране и за рубежом
Ключевые слова: технологическое оснащение, авиакосмическая отрасль, опыт предприятия, электрические методы обработки
Для поддержания требуемого качества и обеспечения лучших технико-экономических показателей технологического процесса требуется оснащение, отвечающее современному уровню производства. Это особенно необходимо при выпуске сложных наукоемких изделий авиакосмической отрасли машиностроения, где наша страна до настоящего времени сохраняет лидирующее положение.
Главную трудность при модернизации производства представляет практически полное отсутствие отечественной базы для оснащения предприятий современным оборудованием и средствами его эксплуатации, включая кадры специалистов, владеющих такой техникой.
На Воронежском механическом заводе, специализирующемся на изготовлении наукоемких изделий авиационнокосмической техники и продукции для нефтегазовой отрасли, принят комплексный план реконструкции производства, включающий оснащение завода современным технологическим оборудованием, оснасткой, комплектацией техники специалистами,
подготовленными на базовых кафедрах технических учебных заведений и адаптированных к работе с перспективной техникой, в основном, ведущих фирм мира.
В соответствии с планом происходит переоснащение производства, охватывающее все стадии производства изделий на предприятии. [1].
Завод имеет модернизированный стан (рис. 1) для раскатки цельных заготовок камер сгорания и реактивных сопел из материалов типа ВНС 16 с Ов =140 МПа, диаметром до 1500 мм и длиной до
1700 мм при толщине стенки 3,5±0,2 мм. В процессе изготовления заготовок изделий в форме обечаек сложно обеспечить равномерность стенок с допуском не более 0,5 мм. Поэтому может потребоваться местное удаление завышенного
Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 234-81-45
Коптев Иван Тихонович - «ВМЗ» - ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», канд. техн. наук, доцент, генеральный директор, тел. (473) 234-81-17
Белякин Александр Сергеевич - «ВМЗ» - ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 234-82-40
припуска, что представляет большие трудности из-за низкой жесткости таких деталей и плохой обрабатываемости лезвийным и абразивным
Рис. 1. Стан ХТРВ-2500 для раскатки крупногабаритных обечаек
Кроме того, возникает потребность в замене сплошной стенки обечайки на «вафельную», что позволяет снизить массу изделия без потери геометрических размеров и прочностных характеристик. Для этого на заводе имеется технологический комплекс (рис. 2), позволяющий в режиме реального времени оценивать исходную толщину стенок путем автоматизированного ультразвукового контроля соседних участков, составления карты толщин стенок.
После чего на место датчиков устанавливают электроды-инструменты и электрохимической размерной обработкой удаляют припуск, который для каждого участка имеет индивидуальную величину. Это обеспечивает высокое качество сопряжения обрабатываемых и исходных поверхностей, точность профиля и толщину стенок. Электрохимическая размерная обработка может повторяться (как правило, выборочно), если часть участков не достигла на первом этапе требуемой толщины. Управление работой комплекса выполняют с помощью ЭВМ.
Описанное уникальное оборудование создано отечественными специалистами. К сожалению оно создано в единичных количествах и в настоящее время не выпускается. Поэтому приходится тратить крупные средства для приобретения станков за
рубежом, финансируя развитие зарубежного станкостроения.
Рис. 2. Установка для разделения листовых материалов лучом лазера
Поскольку процесс модернизации производства однозначно требует современного оборудования, то закупка его в других странах становится неизбежной, хотя и пагубной для отечественного станкостроения.
При изготовлении заготовок широко используются лучевые методы. Имеется Болгарская установка (рис. 2) для лазерного вырезания плоских изделий с толщиной листа до 14 мм из любых токопроводящих материалов. При этом до толщины листа 7 мм точность профиля и качество поверхностного слоя в месте разреза соответствует 8-9 квалитету точности и Я.а =0,63-2,5 мкм по
шероховатости. Следовательно, контур разделения не требует последующей обработки в детали. Ширина паза в зоне обработки составляет до 0,7 мм, что дает значительную экономию материала, в том числе жаропрочных сплавов.
Приобретена в Чехии плазменная установка ЯиЯ3500, позволяющая выполнять разделение листовых материалов и прошивку отверстий [2]. Толщина листа до 70 мм, при этом в случае толщины до 35 мм можно обеспечить качество деталей, не требующих последующей обработки по контуру. Фирма-изготовитель предлагает номенклатуру рассматриваемого оборудования для прошивки отверстий и вырезки заготовок толщиной до 380 мм. Процесс происходит с использованием рабочего тока до 220 А и напряжения до 180 В в среде кислорода с использованием в качестве плазмообразующего вещества аргоноводородных или воздушных сред. Нагрев осуществляют путем применения горючих газов (пропан, ацетилен и др.).
При разделении легированных сталей расход пропана достигает 1 л/мин, кислорода от 2 (для листов толщиной до 5 мм) до 25 м3/час (толщина 380 мм), аргоноводородной смеси - до 46 л/мин.
Скорость разделения материалов с толщиной до 35 мм достигает 350 мм/мин, а далее снижается до 100-110 мм/мин. Ширина паза в месте разделения
при чистовой обработке не более 2 мм, что снижает потери специальных сталей до 5-8 раз.
К недостаткам лучевых методов относится тепловое излучение, ионизация воздуха и повышенный уровень шума (до 80-90 ДБ), что требует защиты обслуживающего персонала при наладке оборудования, но практически не проявляется во время автоматизированной обработки на установках рассматриваемой серии.
На стадии механической обработки заготовок авиационно-космической техники используют автоматизированные современные зарубежные станки, которые устанавливают в виде предметных участков или цехов и подключают к централизованным средствам автоматизированного управления через заводскую стекловолоконную сеть. Часть цеха со станками токарного и фрезерного типа приведена на рис. 3.
Рис. 3. Цех автоматизированного металлорежущего оборудования
Оборудование приобретено в Германии, Гонконге, Испании, Китае и в других странах. Централизованное размещение станков упрощает прокладку линий связи, обеспечение цеха операторами, наладчиками, их более полную загрузку, обучение и переучивание (в основном на базе завода и базовой кафедры). Созданный цех автоматизированной механической обработки насчитывает 68 единиц новейшего оборудования, пополняется другими средствами технологического оснащения и выполняет все более сложные задачи, возникающие, в частности, при запуске в производство современных наукоемких изделий авиационной, космической и нефтегазовой отрасли.
Следующим этапом выпуска изделий является сборка, где, наряду с традиционными методами, используется импульсная обработка для обжатия покрывной оболочки, устанавливаемой на обечайку с фрезерованными пазами для охлаждения. Соединение таких деталей выполняется высокотемпературной пайкой, при которой зазор между элементами должен обеспечиваться с погрешностью не более 0,05 мм. Этот метод весьма трудоемок, т. к. размещение слоя припоя на выступах (ребрах) обечайки толщиной до 1,4 мм представляет сложную инженерную задачу, требующую ручного труда и высокой трудоемкости.
Даже при выполнении операции с соблюдением точностных требований к геометрии оболочки и обечайки часто возникал брак дорогостоящих деталей из-за затекания разогретого припоя в пазы между ребрами, что вызывало нарушение интенсивности охлаждения реактивного сопла и камеры сгорания и приводило к сбоям в работе двигателей. Применение энергии взрыва, действующего снаружи на оболочку, позволило получить плотное соединение с обечайкой без использования припоя и облегчить сборку изделий за счет расширения полей допусков на контактные поверхности. На рис. 4 показаны фрагменты сборочных элементов изделий после пайки (рис. 4, а) и после штамповки взрывом (рис. 4, б).
Рис. 4. Сборка сопла при использовании высокотемпературной пайки (а) и после применения энергии взрыва (б):
1 - обечайка; 2 - оболочка; 3 - слой припоя
Давление в гидравлических магистралях изделий и внутри труб в скважинах может достигать 120-130 МПа. При этом разрыв (и даже разгерметизация) магистралей представляют большую опасность, т.к. протекающая в них жидкая рабочая среда (например водород, кислород) может вызвать взрывы, а в бурильных трубах могут возникнуть потери нефтепродуктов, пожары, что приводит к большим экономическим потерям на промыслах.
На заводе создана уникальная [3;4] установка для испытания и отбраковки труб (рис. 5),
работающих под давлением до 70 МПа.
Рис. 5. Установка для испытания и отбраковки высоконапорных магистралей
Разработан проект установки для давления до 125 МПа. Это оборудование может применяться в условиях Крайнего севера, т.к. успешно работает в широком диапазоне температур. В процессе создания установок пришлось решить ряд сложных технических проблем, в частности предложить надежное уплотнение мест стыка [4], сохранить прочность и герметичность узлов, в которых длинные (до 12500мм) трубы под действием внутреннего давления могут укорачиваться до 10 мм. Процессы испытаний автоматизированы с применением управляющих машин. Цикл
испытаний при предельном давлении не превышает 3 минут, что на порядок эффективнее, чем у ранее созданных установок. В процессе испытаний по величине укорачивания трубы можно принять
квалифицированное решение о предельном
давлении и селективно отбирать трубы для монтажа участков магистралей, работающих при допустимом давлении.
Для изготовления уникальных деталей ракетных двигателей (роторов и статоров турбонасосных агрегатов, форсунок, охлаждающих элементов и др.) созданы новые участки
электроэрозионной и электрохимической обработки с комплектацией их современными станками фирм Японии, Испании, Швейцарии. На рис. 6 показан участок обработки непрофилированным
электродом-инструментом.
Рис. 6. Участок электроэрозионной обработки деталей космических двигателей
На участке установлены станки, в основном, отечественного производства раннего выпуска, которые, к сожалению, в настоящее время не выпускаются, хотя многолетний (более 20 лет) опыт эксплуатации такого оборудования показал, что надежность и хорошие возможности близки к характеристикам современных зарубежных станков (кроме средств контроля и управления, которые у отечественного оборудования требуют
модернизации).
Материалы статьи позволяют сделать следующие выводы:
1. Предприятия авиационной и космической отрасли имеют существенный технологический потенциал для обеспечения ускоренного освоения и выпуска наукоемких изделий. К сожалению, многие научные разработки последних лет не были воплощены в виде оборудования и остались на уровне идей (патентов), а предприятия вынуждены приобретать станки у зарубежных фирм, развивая этими средствами их станкостроительную отрасль.
2. Имеющееся оборудование требует нового
подхода к его эксплуатации (использование автоматизированных систем подготовки
производства, быстродействующих приспособлений и др.), к подготовке кадров (инженерно-технических и операторов станков), что стало возможным после создания на базе завода университетских комплексов, включающих учебные центры предприятия, лицей, базовую кафедру и университеты. Проведенные исследования показали, что такие комплексы обеспечивают научнообоснованную переподготовку специалистов, сохраняющих требуемый уровень остаточных знаний при переходе на изготовление различной продукции.
3. На предприятии идет планомерная замена устаревшего оборудования с учетом требований современного гибкоструктурного производства и предметного размещения его на
специализированных участках и в цехах с модернизацией производства на всех технологических стадиях изготовления наукоемких изделий авиационной и космической отрасли, продукция которой пока конкурентоспособно на внутреннем и мировом рынке.
Литература
1. Бондарь А.В. Новые технологии изготовления изделий авиакосмической техники / А.В. Бондарь, В.П. Смоленцев // Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении: Сб. тр., Ростов н/Д: изд. ЮНЦ РАН, 2009. -324 с.
2. Сухоруков Н.В. Технология плазменной обработки при разделении материалов / Н.В. Сухоруков, Е.В. Смоленцев // Вестник ВГТУ, №12, 2009. - С. 235-238.
3. Патент 2182700 (РФ) Устройство для испытания труб на герметичность / Авт.: А.В. Бондарь и др. // Бюл. изобр., 2002, №14
4. Патент 2183825 (РФ) Уплотнительная головка / Авт.: А.В. Бондарь, и др. // Бюл. изобр., 2003, №34
Воронежский государственный технический университет
«Воронежский механический завод» - филиал Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный космический научно-производственный центр
им. М.В. Хруничева»
TECHNOLOGY OF THE SCIENCE INTENSIVE PRODUCTIONS
V.P. Smolentsev, I.T. Koptev, A.S. Beliakin
The article covers new jigs, fixtures and tools for unconventional processing methods of aerospace products that reflect modem technological trends at start and development of science intensive equipment. The article covers experience of Voronezh Mechanical Plant on production modernization to manufacture competitive products that are marketable in Russia and abroad
Key words: jigs, fixtures and tools, aerospace industry, company experience, electrical processing methods
