CC BY
489
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Проектирование и производство летательных аппаратов
УДК 621.74.01
А.С. Лунев, Д.В. Бушуев, Ю.Ю. Горб, Н.А. Батина
ЛУНЕВ АНАТОЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ - заместитель главного металлурга, e-mail: [email protected]; БУШУЕВ ДМИТРИЙ ВАДИМОВИЧ, ГОРБ ЮРИЙ ЮРЬЕВИЧ, БАТИНА НАДЕЖДА АНДРЕЕВНА - инженеры-технологи Арсеньевская авиационная компания «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина Площадь Ленина, 5, Арсеньев, Приморский край, 692335
Внедрение аддитивных технологий в литейном производстве авиационной компании «Прогресс»
Аннотация: Дается анализ разработки и внедрения аддитивных технологий в Арсеньевской авиационной компании «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина. Описан способ изготовления оснастки при помощи установок быстрого прототипирования (3D-принтеров), а также способ создания песчано-полимерных форм и стержней методом селективного послойного склеивания. Проводится сравнительный анализ традиционных методов изготовления оснастки, песчаных форм и методов с применением аддитивных технологий.
Ключевые слова: аддитивные технологии, песчано-полимерные формы и стержни, S-MAX, FDM Fortus 400 mc, FDM Fortus 900 mc.
Введение
Еще до недавнего времени в Арсеньевской авиационной компании «Прогресс» им. Н.И. Са-зыкина в литейном производстве для изготовления оснастки использовалась авиационная фанера, а для отливок применялся опочный метод литья на основе песчано-глинистых и жидкостекольных смесей. АО «Вертолеты России» (авиапредприятие входит в его структуру) обязало ААК «Прогресс» обеспечивать отливками весь холдинг. Эта задача повлекла за собой возрастание загрузки технических служб, и без применения потенциала аддитивных технологий выполнить ее было бы просто невозможно [2, 3]. Поэтому службой главного металлурга после анализа работы родственных зарубежных предприятий и изучения применяемого оборудования было решено использовать Fortus 400 mc (рис. 1), FDM Fortus 900 mc (рис. 2) для изготовления оснастки, а также производственно-технологический комплекс S-MAX (рис. 3) для производства песчано-полимерных форм и стержней. Вследствие применения подобных технологий удалось добиться высокого качества литья и большей точности геометрии при изготовлении крупногабаритных корпусных отливок. Поэтому начался рост объемов литья для сторонних организаций и появилась потребность быстрого освоения новой номенклатуры.
Цель настоящей статьи - представить результаты внедрения аддитивных технологий в литейном производстве ААК «Прогресс».
© Лунев А.С., Бушуев Д.В., Горб Ю.Ю., Батина Н.А., 2016
Научные руководители: Ю.П. Денисенко, управляющий директор (ААК «Прогресс», г. Арсеньев), О.Ш. Бердиев, заместитель директора филиала Дальневосточного федерального университета в г. Арсеньеве по НИР и развитию.
Решение задачи
Внедрение нового оборудования потребовало коренной реконструкции литейного цеха и частичной реорганизации службы главного металлурга. В цехе в сжатые сроки пришлось освободить территорию под установку нового оборудования, а при монтаже и пусконаладочных работах, переобучении персонала и оформлении технической документации задействовать высокопрофессиональный персонал службы. Теперь применяемые технологии дают возможность изготавливать оснастку, песчано-полимерные формы и стержни по CAD-моделям, минуя стадии написания управляющих программ и изготовления оснастки на станках с ЧПУ, а также стадию формовки для литейных форм. На предприятии разработаны мероприятия по импортозамещению, которые направлены на отказ от расходных материалов иностранных поставщиков. Проведены работы по замене очистителя «Cleaner» в установке S-MAX на более дешевый аналог отечественного производства - пропиленгликоль. Продолжаются работы по поиску альтернативных российских производителей пластика для 3D-принтеров, а также песка для производственно-технологического комплекса S-MAX. Остается надеяться, что отечественная промышленность освоит производство дорогостоящих импортных материалов.
На сегодняшний день ведется переподготовка персонала на курсах повышения квалификации специалистов, работающих на новом оборудовании.
Компоненты модельной системы FDM 400 mc:
Материал для моделирования: ABS-M30/PC-10 Материал поддержки: SR-30 и PS-S Размер рабочей зоны: 406x355x406 мм
Рис. 1. FDM Fortus 400 mc.
Компоненты модельной системы FDM 900 mc:
Материал для моделирования: ABS-M30/PC-10 Материал поддержки: SR-30 и SR-100 Размер рабочей зоны: 910x670x910 мм
Рис. 2. FDM Fortus 900 mc.
3D-принтеры Fortus 400 mc и Fortus 900 mc относятся к высокопроизводительным и скоростным системам, позволяющим изготавливать комплекты модельной оснастки, отъемные части по CAD-моделям с использованием широкого спектра специально разработанных производителем
термопластиков, таких как РС, ABS-M30, SR-30, SR-100. При использовании данных систем можно изготовить детали с максимальной точностью до 0,01 мм геометрии любой сложности [4].
Внедрение установок быстрого изготовления моделей-прототипов дало возможность сократить сроки изготовления оснастки с 25-30 до 10-12 дней (в зависимости от сложности оснастки), за счет сокращения времени на конструкторские работы, исключения работы по написанию управляющих программ, следовательно, сократить себестоимость заготовок и повысить качество выпускаемой продукции (табл. 1). Использование данных систем позволяет оперативно вносить необходимые изменения в литниково-питающую систему, дорабатывать оснастку (время на эту операцию сократилось с 10 дней до 8 часов) еще до запуска отливок в серийное производство.
Таблица 1
Сравнение затрат рабочего времени на изготовление оснастки по традиционной технологии и при использовании 3D-принтера на примере детали «Кронштейн»
Операции Традиционная технология, ч Технология с использованием 3D-принтера, ч
Проектирование модели отливки и оснастки 4
Проектирование литниковой системы 4
Проверка технологичности отливки на САЕ, система Magma 1
Изготовление модели детали 56 3
Сборка оснастки - 16
Итого (время на изготовление оснастки) 65 28
В связи с созданием центра специализации магниевого литья и переводом литейной номенклатуры предприятий холдинга АО «Вертолеты России» на ААК «Прогресс» возникла потребность в быстром освоении новых отливок. С целью удовлетворения данных потребностей предприятием была приобретена установка S-MAX [2]. Задачи по разработке и внедрению нового технологического процесса изготовления литейных форм и стержней из песка были выполнены специалистами отдела главного металлурга и литейного цеха.
Технические характеристики:
Размер построения: 1800х1000х700 мм Скорость построения: 50-85 дм3/ч Толщина слоя: 0,28-0,5 мм Питающая головка: 1280 сопел Разрешение печати Х/Г - 0,1/0,1 мм
Материал форм: кварцевый песок, корунд, смесь корунда с кварцевым песком
Рис. 3. Установка Б-МАХ.
Производственно-технологический комплекс S-MAX предназначен для прямого цифрового изготовления песчано-полимерных форм (рис. 4) и стержней сложной геометрии. Данные формы и стержни используются для изготовления литых заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов, сталей и чугунов [5].
В технологическом процессе прямого цифрового изготовления песчано-полимерных форм и стержней выделяют следующие этапы (рис. 5):
• проектирование трехмерных математических моделей песчано-полимерных форм и стержней (CAD-модели);
• изготовление песчано-полимерных форм и стержней на производственно-технологическом комплексе S-MAX;
• сборка песчано-полимерных форм и их заливка.
Рис. 4. Песчано-полимерная форма.
Принцип изготовления песчаных форм и стержней заключается в послойном нанесении песка, предварительно смешанного с отвердителем, и в селективном нанесении, в необходимых местах, с помощью многоструйной печатающей головки - смолы [5].
Рис. 5. Этапы изготовления песчано-полимерных форм и стержней.
При разработанном технологическом процессе значительно возросла гибкость производства, так как при любом изменении конструкции отливки или литниково-питающей системы требуется лишь внести изменения в САВ-модель литейной формы, а затем изготовить новый комплект форм и стержней. Данный комплекс позволяет отрабатывать технологию литья с применением формовочных песков и смол, отработки литниково-питающей системы отливок без изготовления дорогостоящей оснастки, а также оперативно изготавливать и осваивать вновь вводимую номенклатуру литья любой сложности. Благодаря установке S-MAX удалось добиться сокращения сроков технологической подготовки производства литых заготовок более чем в 3 раза, сократить срок запуска в серийное производство до 2 месяцев, повысить точность геометрии литья сложно-контурных фасонных отливок, а также сократить трудоемкость механической обработки литых заготовок на 10-20% за счет уменьшения припуска, как следствие - уменьшить массу отливок на 20-40%.
Таблица 2
Сравнительный анализ изготовления форм для отливки «Корпус»_
Изготовление формы для отливки «Корпус» на установке S-Max Изготовление формы для отливки «Корпус» по традиционной технологии
1. Проектирование: модель форм и стержней - 7 дней Итого: 7 дней 1 конструктор 56ч х 234 руб =13 104 руб. 1. Проектирование: модель оснастки - 10 недель Итого: 70 дней 1 конструктор 560 ч х 234 руб. = 131 040 руб.
2. Стоимость материалов на форму и стержни Песок 159,1 кг (5415 руб.) Связующее вещество 1,52 л (5330 руб.) Очиститель 0,46 л (1543 руб.) Активатор. 0,35 л (1235 руб.) Итого: 13 523 руб. 2. Стоимость материалов на форму Песок 500 кг х 1,17 = 585 руб. Смола 6 кг х 239 = 1434 руб. Отвердитель 4,2 кг х 120 = 504 руб. Разделительный состав 0,2 кг х 533 = 107 руб. Итого: 2 630 руб.
3. Изготовление оснастки: не требуется 3. Изготовление оснастки: 5 457 384 руб.
4. Трудоемкость изготовления одной формы при 1,6 н/ч и стоимости н/ч 25,5: (з/п 40,8+д.з/п 7,3+ОСВ 17,17+ОПР 191,44+ОХР 161,57+приб.+НДС = 395 руб. 4. Трудоемкость изготовления одной формы при 100 н/ч и стоимости н/ч 25,5: (з/п 2550+д.з/п 459+ОСВ 1074,21+0ПР 10149+0ХР 10098+приб.+НДС = 63 003 руб.
5. Сроки изготовления 60 комплектов форм (годовая программа): 1,6 недели 5. Сроки изготовления 60 комплектов форм (годовая программа): 1. оснастка - 14 недель; 2. формы - 2 недели. итого: 16 недель
6. Себестоимость изготовления одной формы составляет. - стоимость материалов; - трудоемкость 13 523+395 = 13 918 руб. 6. Себестоимость изготовления одной формы составляет. - стоимость материалов; - трудоемкость 2 630+63 003 = 65 633 руб.
7. На программу необходимо изготовление 60 форм: 5 457 384/60 = 90 957 руб. 65 633 руб. + 90 957 руб. = 156 590 руб.
Разница в стоимости изготовления форм и стержней: 156 590 - 13 918 = 142 672 руб. Экономия средств, при годовой программе - 60 шт.: 142 672 руб. х 60 = 8 560 320 руб.
Проведенные исследования в условиях реального производства и выполненные экономические расчеты, представленные в табл. 2, показывают, что при малых годовых объемах производства (до 100 шт.) и широком разнообразии номенклатуры разногабаритных отливок экономически выгодно использование аддитивных технологий.
Предприятиям, решившим приобрести данное оборудование, следует учитывать, что его применение целесообразно только при условии полной загрузки комплексов. Период окупаемости производственно-технологического комплекса S-MAX и 3-D принтеров (Fortus 400 mc, Fortus 900 mc) в условия серийного и крупносерийного производств составляет менее четырех лет.
Выводы
Внедрение новых материалов и технологий для изготовления комплектов модельной оснастки, литейных форм и стержней позволило значительно повысить качество отливок и их точность. Переход на цифровое описание изделий - CAD и появившиеся вслед за CAD аддитивные технологии произвели настоящую революцию в литейном деле, что особенно заметно проявилось на нашем предприятии. Именно здесь уход от традиционных технологий и использование новых методов получения литейных форм и моделей с применением технологий послойного син-
теза дали возможность радикально сократить время запуска литых заготовок в серийное производство, уменьшить себестоимость получаемых заготовок за счет повышения точности геометрии литья и уменьшения припуска на механическую обработку, а главное - улучшить качество выпускаемой продукции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аддитивная технология изготовления стержня корпусной отливки / Н.А. Батина, Ю.Ю. Горб, Ю.П. Денисенко, О.Ш. Бердиев // Молодежь XXI века: III и IV науч.-практ. конф., г. Арсеньев, 17 апреля 2015: сб. тр. / под общ. ред. Ю.П. Денисенко, О.Ш. Бердиева, Ю.Ф. Огнева. Владивосток: Дальне-вост. федерал. ун-т, 2015. С. 230-233.
2. Зленско М.А., Ногайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Lambert Academic Publishing, 2015. 224 c.
3. Смирнов В.В., Барзали В.В., Ладнов П.В. Перспективы развития аддитивного производства в российской промышленности. Опыт ФГБОУ УГАТУ // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2 (14). С. 23-27.
4. Сыров С. Развитие индустрии 3D-печати. Проекты и инвестиции. URL: http://22century.ru/allsorts/3496 (дата обращения: 20.03.2016).
5. Шишковский И.В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. СПб.: Питер, 2015. 400 с.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Aircraft Designing and Manufacturing
Lunev A., Bushuev D., Gorb Yu., Batina N.
ANATOLIY LUNEV, Deputy Chief Metallurgist, e-mail: [email protected]; DMITRIY BUSHUEV, Engineer-Technologist, e-mail: [email protected]; YURIY GORB, Engineer-Technologist, e-mail: [email protected];
NADEZHDA BATINA, Engineer-Technologist, e-mail: [email protected] PJSC AAC Progress
5, Lenina Square, Arsenev, Primorsky Krai, Russia, 692335
The introduction of additive technology for foundry production in the Aviation Company Progress
Abstract: The article presents the review of the development and introduction of additive technologies in the Arsenev Aviation Company Progress named after N.I. Sazykin. It is concerned with the method of manufacturing patterns with the aid of the rapid prototyping equipment (3D-printers) as well as that of manufacturing sand polymer molds and rods by gluing selective layers. It contains the comparative study of the conventional methods of manufacturing patterns, sand molds and those in which the additive technologies are used.
Key words: additive technologies, sand polymer moulds and cores, S-MAX machine, FDM Fortus 400 mc, FDM Fortus 900 mc.
REFERENCES
1. The additive technology of manufacturing of casting core. N.A. Batina, Y.Y. Gorb, Y.P. Denisenko, O.Sh. Ber-diev. XXI century Youth: III and IV research and application conference, Arsenev, 17 April 2015: articles, editors Y.P. Denisenko, O.Sh. Berdiev, Y.F. Ognev. Vladivostok, FEFU, 2015, p. 230-233. (in Russ.) [Additivnaja tehnologija izgotovlenija sterzhnja korpusnoj otlivki / N.A. Batina, Ju.Ju. Gorb, Ju.P. Denisenko, O.Sh. Berdiev // Molodjozh' XXI veka: III i IV nauch.-prakt. konf., g. Arsen'ev, 17 aprelja 2015: sb. tr. / pod obshh. red. Ju.P. Denisenko, O.Sh. Berdieva, Ju.F. Ogneva. Vladivostok: Dal'nevost. federal. un-t, 2015. S. 230-233].
2. Zlensko M.A., Nogaytsev M.V., Dovbysh V.M. The additive technology for machine manufacturing. Lambert Academic Publishing, 2015, 224 p. (in Russ.) [Zlensko M.A., Nogajcev M.V., Dovbysh V.M. Additivnye tehnologii v mashinostroenii. Lambert Academic Publishing, 2015. 224 c.].
3. Smirnov V.V., Barzali V.V., Ladnov P.V. The prospects for additive development of industry of Russia. Experimented by FSBEI USATU. New developments in materials science. Science and technology. 2015;2:23-27. (in Russ.) [Smirnov V.V., Barzali V.V., Ladnov P.V. Perspektivy razvitija additivnogo proizvodstva v rossijskoj promyshlennosti. Opyt FGBOU UGATU // Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. 2015. № 2 (14). S. 23-27].
4. Syrov S. Industrial development of 3D-printing. Projects and investments.
URL: http://22century.ru/allsorts/3496. - 20.03.2016. (in Russ.) [Syrov S. Razvitie industrii 3D-pechati. Proekty i investicii. URL: http://22century.ru/allsorts/3496 (data obrashhenija: 20.03.2016)].
5. Shishkovskiy I.V. Basical high-class additive technologies. SPb., Peter, 2015, 400 p. (in Russ.) [Shishkov-skij I.V. Osnovy additivnyh tehnologij vysokogo razreshenija. SPb.: Piter, 2015. 400 s.].
