Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологический процесс фрезерной обработки в производстве современной аэродинамической модели 14
1.1. Процесс создания аэродинамической модели 14
1.2. Финишное фрезерование в трудоёмкости изготовления аэродинамической модели 18
1.3. Возможности оборудования с ЧПУ нового поколения для сокращения сроков и трудоёмкости изготовления аэродинамической модели 22
Выводы к главе 1 27
Глава 2. Введение технологического демпфирования для повышения производительности и качества финишного фрезерования деталей малой жесткости в производстве аэродинамических моделей 29
2.1 Оценка усилий резания при фрезеровании .30
2.2 Анализ условий возникновения интенсивных вибраций при чистовом фрезеровании деталей малой жесткости 37
2.3 Анализ средств демпфирования для обеспечения финишного фрезерования деталей малой жесткости .48
2.4 Рациональные конструкции демпферов для применения в технологическом производственном процессе фрезерной обработки .52
2.4.1 Инерционный демпфер с настройкой на частоту вращения фрезы 53
2.4.2 Демпфер в виде пенала с дробью 64
2.4.3 Демпфер со свободным грузом в вязкой среде 65
Выводы к главе 2 78
Глава 3. Внедрение технологического демпфирования при изготовлении деталей аэродинамических моделей 80
3.1 Разработка программно-технического комплекса измерения параметров вибраций и настройки демпферов .80
3.2 Экспериментальное исследование эффективности демпфирования 93
3.3 Применение демпфирования при изготовлении деталей малой жесткости
3.3.1 Средства крепления демпферов на детали 105
3.3.2 Изготовление модели лопасти несущего винта 107
3.3.3 Изготовление рефлектора параболической антенны 108
3.3.4 Изготовление крыльчатки 109
3.3.5 Изготовление тонких донышек ячеек силовых панелей 109
3.3.6 Расточка глубоких отверстий 110
3.3.7 Изготовление серии лопаток модели перспективного компрессора .112
3.3.8 Изготовление лопаток турбины топливного насоса 113
3.4 Анализ эффективности внедрения технологического демпфирования при изготовлении аэродинамических моделей в опытном производстве ЦАГИ 114
Выводы к главе 3 .116
Заключение 118
Список литературы 121
Список иллюстративного материала
- Возможности оборудования с ЧПУ нового поколения для сокращения сроков и трудоёмкости изготовления аэродинамической модели
- Анализ условий возникновения интенсивных вибраций при чистовом фрезеровании деталей малой жесткости
- Рациональные конструкции демпферов для применения в технологическом производственном процессе фрезерной обработки
- Изготовление рефлектора параболической антенны
Возможности оборудования с ЧПУ нового поколения для сокращения сроков и трудоёмкости изготовления аэродинамической модели
Важной составляющей производства аэродинамических моделей является автоматизация всех составляющих проектно-технологического процесса на основе современных информационных технологий. Полное электронное определение аэродинамической модели представляет собой интегрированную совокупность всех данных об изделии в электронном виде. Данные формируются на каждом этапе и по мере необходимости могут быть доступны для всех исполнителей проекта (аэродинамиков, проектировщиков, конструкторов, прочнистов, технологов, инженеров по качеству, экспериментаторов) на протяжении всего жизненного цикла.
Высокая трудоёмкость проектирования и изготовления аэродинамических моделей приводит к длительным срокам их создания, составляющим период до одного года. В условиях высокой конкуренции такие сроки создания неприемлемы, поэтому сокращение сроков и трудоёмкости разработки и изготовления аэродинамических моделей становится при ограниченных временных и финансовых ресурсах существенным фактором.
Внедрение интегрированной автоматизации позволило существенно сократить время разработки конструкций за счёт внедрения CAD и PDM систем, а также создания специализированной базы знаний - корпоративного архива конструкторских решений и типовых конструкций аэродинамических моделей разного назначения. Обеспечиваемое автоматизацией параллельное выполнение конструирования и технологической подготовки производства [6] дало дополнительное существенное сокращение длительности цикла создания модели. На сокращение трудоёмкости производственного процесса направлены работы по повышению производительности и качества фрезерной обработки. В частности С.А. Болсуновским решена комплексная задача повышения производительности чернового фрезерования, обеспечивающего удаление основного объёма материала заготовки. Финишная обработка деталей и агрегатов аэродинамических моделей, прежде всего имеющих аэродинамическую профилировку, остаётся длительной и технологически особенно сложной операцией, поскольку именно при её выполнении обеспечиваются требования к физическому моделированию обводообразующих поверхностей, определяющих аэродинамические характеристики и качество проектируемого самолёта. Общая трудоёмкость создания аэродинамической модели дана на рисунке 1.4. Видно, что финишная обработка поверхностей с аэродинамической профилировкой составляет до 40% трудоёмкости производства и её сокращение при повышении качества обработки становится существенно важной для совершенствования всего процесса создания аэродинамической модели. Повышение качества финишной обработки на оборудовании с ЧПУ приведёт к сокращению заключительной ручной слесарной обработки.
Важнейшим этапом, определяющим точность и качество изготавливаемых обводообразующих поверхностей аэродинамических моделей является финишная обработка. Именно при её проведении обеспечивается необходимые точность воспроизведения моделируемой аэродинамической профилировки и качество внешней поверхности.
Лучшие результаты достигаются при обработке на оборудовании с ЧПУ без ручной слесарной доработки, для которой характерно внесение искажений в форму поверхности. Использование ручной слесарной обработки связано прежде всего с опиловкой «гребешков» - неровностей, остающихся между последовательными проходами фрезы (см. рисунок 1.5, для наглядности смещение между проходами фрезы непропорционально увеличено). Высота гребешков, исключающая ручную опиловку, составляет около 0.7 мкм. Она может быть обеспечена современным твердосплавным инструментом с высокой остротой заточки при малом смещении проходов траектории обработки. При этом существенно возрастает длина траектории и в традиционном фрезеровании - время обработки. Именно его сокращение обеспечивается применением ручной слесарной обработки поверхности. Выполним оценку трудоёмкости финишного фрезерования поверхности крыла в зависимости от скорости резания.
На рисунке 1.7 для номинальных рекомендуемых значений скорости резания и подачи на зуб при обработке стали 30ХГСА [17] построена зависимость времени обработки 1 м2 от обеспечиваемой шероховатости после фрезерования. Видно, что с уменьшением шероховатости время обработки резко возрастает. На том же графике построена зависимость времени ручной слесарной обработки от величины шероховатости. В результате получаем диапазон рациональной чистоты обработки поверхности на станке с ЧПУ. Для сравнения пунктирной линией построена зависимость времени обработки при меньшей скорости резания. Её снижение в 2 раза увеличивает время обработки на 65%, а в 3 раза - на 120%. Обеспечение необходимой точности и чистоты поверхностей с аэродинамической профилировкой обуславливает их относительно высокую трудоёмкость по сравнению с другими операциями механической обработки (таблицы 1.4-1.6). В общем объёме механической обработки на станке с ЧПУ она составляет 40-45%. Снижение трудоёмкости данной операции за счёт повышения производительности фрезерования должно позволить перейти к обработке с более высоким качеством по шероховатости обработанной поверхности и снижения суммарного времени с учётом ручной слесарной обработки (см. рисунок 1.7).
Анализ условий возникновения интенсивных вибраций при чистовом фрезеровании деталей малой жесткости
На рисунке 2.40 сравниваются рабочие характеристики традиционного инерционного демпфера с малой (5%) относительной массой, аналогичного демпфера с массой груза, равной массе основной конструкции (относительная масса 100%), и демпфера со свободным грузом в вязкой среде (относительная масса 100%). Видно, что традиционный инерционный демпфер с фиксированной настройкой эффективен для деталей, собственная частота колебаний которых лежит в узком диапазоне значений вблизи собственной частоты колебаний демпфера. Повышение массы демпфера до 100% массы основной конструкции, допустимое при подавлении вибраций фрезеруемой детали, позволяет существенно повысить не только эффективность демпфера, но и расширить его рабочий диапазон частот. Причём исключение упругой подвески груза не только упрощает конструкцию, но и позволяет получить дополнительное расширение рабочего диапазона.
Несмотря на то, что рассматриваемый демпфер со свободным грузом в вязкой среде не требует точной настройки под конкретную деталь, параметры его конструкции, в первую очередь зазор между грузом и стенками корпуса, должны быть выбраны таким образом, чтобы результирующие характеристики демпфера, его коэффициент вязкого трения, обеспечивали высокую эффективность снижения вибраций. На рисунке 2.41 показано изменение расчётной частотной характеристики детали с демпфером при изменении коэффициента вязкого трения. Видно, что при малом коэффициенте вязкого трения демпфера (b 100 Н с/м для рассмотренного типоразмера, масса груза демпфера 1 кг) эффективного рассеивания энергии колебаний детали не происходит. АЧХ детали меняется слабо и имеет высокий резонансный пик. Изменение фактически соответствует закреплению на детали груза с массой, равной массе корпуса демпфера. При чрезмерно высоком значении коэффициента вязкого трения демпфера (b 1000 Н с/м) значительного снижения вибраций также не происходит. АЧХ детали имеет высокий резонансный пик, снижение собственной частоты колебаний детали соответствует закреплению на ней груза с массой, равной суммарной массе корпуса и груза демпфера. В данном случае вследствие больших сил вязкого сопротивления груз демпфера перестаёт выполнять роль неподвижной опоры и начинает колебаться вместе с корпусом и деталью как единое целое, с минимальными перемещениями относительно них, что приводит к потере эффективности снижения вибраций. Имеется рациональный диапазон значений коэффициента вязкого трения демпфера (в пределах которого и силы вязкого трения, и амплитуда перемещения груза демпфера относительно корпуса велики), для которого достигается наибольшая эффективность снижения вибраций. АЧХ детали с демпфером не имеет высоких пиков, коэффициент демпфирования собственных форм колебаний детали с демпфером составляет 15-30%. При этом высокая эффективность демпфера сохраняется при вариации характеристик детали в широком диапазоне без изменения характеристик демпфера.
На рисунке 2.42 иллюстрируется эффективность снижения вибраций демпфером (массой 1 кг) при различной жесткости и массе фрезеруемой детали, а также коэффициенте вязкого трения демпфера. Видно, что демпфер с малым коэффициентом вязкого трения при любых характеристиках деталей не эффективен. Демпфер с рациональным коэффициентом вязкого трения обеспечивает эффективное снижение вибраций в пределах всего рассмотренного диапазона варьирования характеристик деталей. демпфер с большим коэффициентом вязкого трения обеспечивает незначительное снижение амплитуд вибраций деталей с высокой жесткостью при значительном падении эффективности для деталей с малой жесткостью, для которых собственно и требуется снижение вибраций.
На рисунке 2.43 построен график максимальной массы детали, для которой автоколебания при обработке не возникнут благодаря демпферу (с фиксированной массой груза 30 г), в зависимости от коэффициента вязкого трения демпфера b для различных значений жесткости детали k. При проведении расчёта считалось, что автоколебания детали возникают при снижении динамической жесткости детали ниже критического значения, полученного экспериментально для определённых условий обработки (см. рисунок 2.21, материал заготовки алюминиевый сплав АД31Т1, припуск на обработку 0.5мм, смещение между проходами 0.1 мм, подача на зуб 0.1 мм, диаметр фрезы 10 мм). Из графика видно, что эффективное значение коэффициента вязкого трения демпфера, обеспечивающего наибольшую допустимую массу детали, оказывается близким для различных значений жесткости детали k. Это позволяет сделать важный вывод: демпфер рассмотренной конструкции универсален, при оптимальной настройке обеспечивает эффективное снижение вибраций в широком диапазоне характеристик деталей. Кроме того, график позволяет определить значение коэффициента вязкого трения, соответствующее оптимальной настройке демпфера.
На рисунке 2.44 построена диаграмма, показывающая эффективность демпфера со свободным грузом (массой 30 г) в вязкой среде при фиксированных параметрах демпфера и различных параметрах детали. По оси абсцисс варьируется жесткость детали, по оси ординат - масса. Линия на диаграмме, соответствующая определённым параметрам демпфера, показывает границу зоны (зона располагается под границей), для которых при использовании демпфер автоколебания возникать не будут. На график нанесено семейство таких линий для различных значений коэффициента вязкого трения демпфера b. На диаграмме можно проследить расширение зоны отсутствия автоколебаний при повышении b от 6 Н с/м до 50 Н с/м, и её сокращение при дальнейшем повышении b. Соответственно, оптимальное значение коэффициента вязкого трения для рассмотренного типоразмера демпфера составляет около 50 Н с/м (что соответствует предыдущему графику на рисунке 2.43). График на рисунке 2.44 позволяет предсказать наличие или отсутствие автоколебаний при использовании определённого демпфера для известных характеристик детали, а также ещё раз демонстрирует универсальность данного типа демпфера - оптимальное значение коэффициента вязкого трения демпфера обеспечивает его высокую эффективность в широком диапазоне характеристик детали по жесткости и массе.
На рисунке 2.45 построен график, аналогичный графику на рисунке 2.43, но для увеличенной массы демпфера (100 г вместо 30 г). Видно, что при увеличении массы демпфера приблизительно пропорционально увеличивается возможная масса детали. При этом оптимальное значение коэффициента вязкого трения также возрастает (в данном случае в 1.5 раза, с 40 Н с/м до 60 Н с/м при увеличении массы гасителя в 3.3 раза).Также из рисунков 2.43 и 2.45 видно, что обеспечение успешной обработки детали с очень малой жесткостью, 10 кг/мм при принятых условиях обработки, возможно, но масса демпфера должна быть сопоставима с массой детали. В этой связи при выборе конструктивных параметров демпфера со свободным грузом в вязкой среде целесообразно назначать массу груза демпфера равной массе обрабатываемой детали (её маложесткого элемента).
Рациональные конструкции демпферов для применения в технологическом производственном процессе фрезерной обработки
Эффективность рассмотренных средств технологического демпфирования во многом определяется рациональным выбором их конструктивных параметров и настройкой согласно характеристикам обрабатываемых деталей (масса, жесткость, частотные характеристики). Разработанные конструкции демпферов ориентированы на проведение их настройки в широком диапазоне характеристик деталей. Однако практическая отработка технологического демпфирования требует оперативного определения параметров детали и инструментального сопровождения настройки демпферов в цеховых условиях, что потребовало разработки комплекса специализированных инструментальных программно-технических средств. В порядке их апробации было проведено экспериментальное подтверждение эффективности демпфирования на тестовых деталях.
В завершение рассмотрены примеры применения технологического демпфирования для ряда деталей малой жесткости.
Экспериментальная оценка характеристик фрезеруемых деталей, а также настройка разрабатываемых демпферов потребовали разработки специального инструментального комплекса программно-технических средств.
В комплексе для измерения виброускорений точек поверхности детали при проведении модального анализа или в процессе обработки используются маловесные пьезокерамические акселерометры со встроенным усилителем (технология IEPE), модель 8778A500, производства ф. Kistler, Швейцария. Технические характеристики указаны в таблице
Малая масса акселерометра (0.4 г) обеспечивает минимальное искажение собственных частотных характеристик детали при его закреплении.
Оценим влияние добавочной массы акселерометра на собственную частоту колебаний первого тона детали. Исходная собственная частота колебаний детали f при малом коэффициенте затухания определяется следующим соотношением её жесткости и массы: где k - жесткость первой моды в её пучности, которая приблизительно равна статической жесткости детали, M - приведенная масса детали в пучности первой моды колебаний. При этом для детали в виде балки, защемлённой с обоих концов, приведенная масса детали в центре составляет около одной трети общей массы детали, а для детали в виде балки, защемлённой с одного и свободной с другого конца, приведенная масса детали на свободном конце составляет около одной четверти общей массы детали. После закреплении акселерометра массой mа в пучности первой моды колебаний, частота первого тона колебаний детали снижается: к 2nM + ma fwa (3-2) Рассчитаем относительное изменение собственной частоты колебаний первого тона, используя (3.1) и (3.2):
Формула (3.4) позволяет оценить погрешность, вносимую добавочной массой акселерометра в измерение собственной частоты колебаний детали, и, при необходимости, провести соответствующую коррекцию полученных в процессе измерений данных.
Указанные маловесные акселерометры имеют низкую чувствительность, что не позволяет выполнять с их помощью точные измерения колебаний низкой (менее 200 Гц) частоты. Для измерения низкочастотных вибраций и проведения модального анализа крупногабаритных деталей используем аналогичный акселерометр большего размера, модель 8776A50, технические характеристики даны в таблице 3.2. Фотографии акселерометров приведены на рисунке 3.1а.
Для оцифровки показаний акселерометров и других датчиков используем 4-х канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), поддерживающий технологию IEPE (питание встроенного усилителя акселерометра производится через тот же канал, через который выполняется считывание показаний), модели NI 9234 производства ф. National Instruments, США, технические характеристики приведены в таблице 3.3, фотография - на рисунке 3.1б.
Измерение свободных затухающий колебаний детали после единичного удара не всегда позволяет получить полные и достоверные данные о её характеристиках, в особенности, если на детали закреплён демпфер с нелинейными характеристиками, например, пенал с дробью. Кроме того, с помощью удара молоточком не всегда возможно обеспечить одиночный удар требуемого спектрального состава. Так, если масса детали значительно меньше массы молоточка, при ударе молоточком с жесткой насадкой происходит двойной или многократный удар, что искажает результаты измерений. Использование мягкой насадки позволяет добиться одиночного удара, однако спектр ударного воздействия при этом оказывается низкочастотным и не возбуждает высокочастотные колебаний детали. Поэтому при измерении частотных характеристик детали в ряде случаев целесообразно осуществлять возбуждение вынужденных колебаний детали с вариацией частоты воздействия. В условиях производства в качестве вибровозбудителя, закрепляемого на детали, можно использовать небольшой акустический динамик. В лабораторных условиях для оказания интенсивного воздействия на деталь также можно применять модальный вибростенд. Как и для акселерометра, добавочная масса закрепляемого вибровозбудителя или подвижного элемента вибростенда приводит к повышению эффективной приведённой массы конструкции и снижению её собственной частоты колебаний. Для снижения искажений целесообразно использовать вибровозбудитель с малой массой. В созданном комплексе используется вибростенд модели 2060Е производства ф. The Modal Shop, США, технические характеристики которого даны в таблице 3.5. При последовательном варьировании частоты воздействия, управляющий сигнал для вибровозбудителя целесообразно генерировать с помощью ЦАП, в качестве которой можно использовать звуковую карту персонального компьютера, с последующим усилением сигнала усилителем. Для управления вибростендом в ручном режиме целесообразно использовать аналоговый генератор сигналов.
Изготовление рефлектора параболической антенны
Применение описанной системы демпферов с вакуумный закреплением позволило существенно усовершенствовать технологический процесс изготовление лопаток моделей компрессоров в опытном производстве ЦАГИ. При применении демпферов не требуется выполнение расчётов частотных характеристик детали для каждой новой серии лопаток (имеющих форму, отличную от формы лопаток предыдущей серии) с целью подбора оптимального режима обработки или изготовление специальных технологических подкладок. Обработка с демпферами позволила обеспечить высокую чистоту обработанной поверхности и точность обработки (фотография поверхности детали, обработанной с демпферами, приведена на рисунке 3.43), что, помимо повышения качества изготовления, позволило существенно сократить трудоёмкость ручной слесарной доработки лопаток. Демпферы не требуют подготовки и настройки. После изготовления первой серии лопаток система демпферов была без каких-либо изменений применена для следующей серии лопаток другой формы, при этом качество и точность обработки не ухудшились. Зарядку аккумулятора вакуумной станции, используемой для закрепления демпферов, достаточно осуществлять один раз в месяц. Акт о внедрении разработанной системы демпферов приведён в конце диссертации.
Использование разработанных демпферов позволяет не только устранять возникающие вибрации нежестких деталей, но и принципиально изменять технологию их изготовления. Так, при изготовлении лопаток демпферы могут позволить перейти от двухстороннего закрепления лопаток к одностороннему, при этом снижение жесткости детали (приблизительно в 30 раз) может быть скомпенсировано за счёт демпфера, закреплённого на свободном конце лопатки. Обработка лопаток с демпфером, закреплённым на свободном конце, рассмотрена выше при описании изготовления крыльчатки в разделе 3.3.4. Одностороннее закрепление лопаток позволит упростить крепёжное приспособление, открыть зону обработки и выполнять обработку обеих сторон лопатки в одном установе на универсальных 5-ти координатных станках. При двухстороннем закреплении лопатки обработка обеих сторон одновременно возможна лишь на токарно-фрезерных станках. Рассмотренную технологию изготовления лопаток планируется применить при изготовлении турбины топливного насоса (показана на рисунке 3.44а). Схема закрепления лопаток с демпферами при обработке показана на рисунке 3.44б.
Проведём оценку экономической эффективности внедрения разработанных технологических демпферов в процесс изготовления аэродинамических моделей в опытном производстве ЦАГИ.
Основной объём работ в годовом производстве аэродинамических моделей приходится на изготовление около 12 моделей самолётов для аэродинамических труб Т-106 и Т-128, включая изготовление около 120 деталей типа консоль крыла с общей площадью поверхности около 0.7 м2 на каждую, и 3 полумодели для аэродинамической трубы Т-128 включая изготовление 25 деталей типа консоль крыла площадью 1.5 м2 каждая. Таким образом, общая площадь профилированных аэродинамических поверхностей, подлежащих чистовой обработке, составляет около 120 м2 /год.
На рисунке 3.45 приведён график (аналогичный построенному ранее в разделе 1.3 на рисунке 1.7), на котором построена производительность чистовой обработки в зависимости от скорости резания. Поскольку интенсивные вибрации детали возникают при превышении частотой ударов зубьев фрезы резонансной частоты детали (как показано в разделе 2.2), на график нанесено ограничение, обусловленное вибрациями обрабатываемой детали. Видно, что вибрации детали не позволяет увеличивать скорость резания выше 110 -160 м/мин. Демпфирование вибраций детали позволяет успешно выполнять обработку при любой частоте ударов зубьев фрезы, соответственно, повышение скорости резания ограничено лишь температуростойкостью инструмента, что позволяется увеличить скорость резания при чистовом фрезеровании стали до 350 м/мин (как показано на графике) и создаёт условия для заметного (в 2 и более) повышения производительности чистового фрезерования детали малой жесткости.
На рисунке 3.46 построен график (аналогичный приведённому ранее в разделе 1.3, рисунок 1.6), показывающий длительность чистовой фрезерной обработки и ручной слесарной доработки в зависимости от шероховатости поверхности детали после механической обработки для скорости резания 160 м/мин, допустимой при отсутствии демпферов вибраций деталей, и скорости 350 м/мин, допустимой при использовании демпферов. Видно, что при использовании демпферов и переходе к скорости резания 350 м/мин общая трудоёмкость обработки 1 м2 профилированной поверхности уменьшается с 85 час/м2 до 50 час/м2. При этом если при скорости 160 м/мин на механическую обработку рационально расходовать около 62 час/м2, а на слесарную 23 час/м2, то при скорости 350 м/мин рационально на механическую обработку рационально расходовать 38 час/м2, а на слесарную 12 час/м2. Таким образом, использование демпферов позволяет приблизительно на 40% сократить общую трудоёмкость чистовой обработки профилированных аэродинамических поверхностей, а трудоёмкость ручной слесарной доработки на 50%. Сокращение трудоёмкости для годового объёма работ составит 120 м2 /год (85-50) час/ м2 4200 трудочасов. При стоимости нормочаса 1300 руб годовая экономия составит 5.5 млн. руб. На рисунке 3.47 проиллюстрировано сокращение трудоёмкости и получаемый экономический эффект.
На рисунке 3.48 показано снижение трудоёмкости различных этапов изготовления деталей аэродинамических моделей, достигнутое после внедрения высокоскоростной обработки, и обеспечиваемое внедрением высокоскоростного чистового фрезерования с демпфированием. Видно, что внедрение демпферов способствует дополнительному сокращению доли ручного труда и дальнейшему совершенствованию технологических процессов. После внедрения высокоскоростной обработки общая трудоёмкость механической и слесарной обработки сократилась до 40% от исходной, технологическое демпфирование способно обеспечить дальнейшее снижение трудоёмкости до 27% трудоёмкости традиционного технологического процесса.