Серьезное отставание в производстве самолетов, уже давно заказанных авиагигантами Боинг и Аэробус наряду с постоянно увеличивающимся списком мелких региональных авиакомпаний, заставляет производителей этой отрасли выжимать из своих мощностей всё до капли, учитывая то, что им приходится работать с новейшими, труднообрабатываемыми материалами.

По заявлениям производителей, узлы современных моделей реактивных двигателей (на 20% более экономичных, чем раньше), должны вращаться быстрее, выдерживать всё большие температуры и полнее сжигать топливо. Разрабатываются облегченные модели двигателей и других деталей; все вместе они предъявляют всё большие требования к производственным процессам из-за новейших материалов, используемых в производстве. При этом спрос на коммерческие самолеты и не думает снижаться в обозримой перспективе. Два миллиарда авиапассажиров в год, насчитываемых статистикой на сегодняшний день, обещает разрастись к 2025 году до шести миллиардов, при этом тоннаж грузопотока также вырастет не меньше, если не больше.

Гонка технологий прецизионной металлообработки

С целью удовлетворения возрастающего спроса производители оснастки вводят в действие новые ресурсы, технологии и стратегии обработки

Для того, чтобы угнаться за таким спросом, производители просто вынуждены оптимизировать свой станочный парк и технологические процессы, шагая в ногу с требованиями покупателей и обрабатывая терабайты данных, чтобы угодить клиентам при производстве всех элементов самолета, начиная от деталей двигателя, планера и фюзеляжа и заканчивая элементами шасси и оперения, изготовленными из новейших ультрасовременных материалов.

Интерконтинентальный обмен технологиями

Один из производителей оборудования ЧПУ – корпорация Ocuma America – применила формализованный и глобализованный подход к технологиям изготовления деталей для авиакосмической отрасли, тем самым зарекомендовав себя как производитель, превосходно справляющийся с нескончаемым потоком материалов и технологий, возникшим в последнее время в условиях серьезного запаздывания производящего сектора авиакосмической отрасли. Как заявил главный инженер компании Боб Болдизи, было создано обособленное подразделение, в команду которого вошли представители, отслеживающие события на трех крупнейших мировых рынках – США, Европы и Японии, которые занимаются сбором и анализом технологической информации, осуществляют обмен данными по возникающим проблемам и способам их решения, с целью создания для компании режима максимального благоприятствования. По его словам, главная цель компании – максимальная адаптация оборудования для решения задач клиента, исходя из накопленного опыта решения технологических задач по производству вращающихся деталей реактивных двигателей, а также турбинных лопастных колес, дисков и ступиц.

Гонка технологий прецизионной металлообработки в авиакосмической отрасли

«Когда дело касается диска или ступицы, работающей в горячей части реактивного двигателя, причем в периферической части этого диска необходимы фрезерованные пазы, абсолютно необходимо, чтобы станочное оборудование работало с безупречной точностью», — говорит Болдизи. «Поскольку мы сами контролируем технологический процесс, мы без каких-либо проблем получаем сведения о динамике происходящих технологических процессов. Часто наши клиенты просят нас поставить на оборудование различные сенсоры, такие как датчики потока охлаждающей жидкости, всевозможные датчики температуры и вибрации. Мы ставим эти сенсоры, собираем все в одно целое, добавляем возможность компьютеризированного отслеживания детали по штрих коду и серийному номеру, включая информацию ОТК, что обеспечивает полную прозрачность прохождения деталью стадий технологического процесса».

Номенклатура специализированных моделей оборудования, выпускаемого компанией Okuma, включает в себя такие станции для изготовления деталей авиакосмического направления, как Multus B750 многофункциональный обрабатывающий центр с ходом по осям до 6 метров, позволяющий выполнять как операции точения, так и сверления и фрезерования. Для фрезерования лопаток двигателей была произведена модификация одной из обрабатывающих платформ Multus, в результате которой на свет появился 5-осевой центр со специализацией на профилировании турбинных лопаток для реактивных двигателей. Горизонтальные обрабатывающие центры данной компании могут поставляться с опциональным вариантом функционала Turn-Cut, позволяющим выполнять конусные отверстия стандартными фрезами цилиндрической формы. «Самолетчики просто без ума от способности нашего оборудования сверлить множество различных отверстий в блоках гидропривода без смены инструмента», — говорит Болдизи.

Лазерное сверление тончайших отверстий в турбинных лопатках

В битве за место в технологических цепочках производства деталей для авиакосмоса участвуют не только супернавороченные пятиосные и многозадачные обрабатывающие центры, но и представители других технологических процессов металлообработки, с учетом недавних достижений металлообрабатывающей отрасли:  лазерная металлообработка, электроэрозионная обработка и высокоточная электрохимическая обработка, в том числе применяющаяся для выполнения крошечных отверстий в турбинных лопатках.

На новом заводе в г. Оберн, штат Алабама, принадлежащем компании GE Aviation, мощнейшие лазеры  используются для прожигания сверхтонких отверстий воздушного охлаждения в лопатках из жаропрочных суперсплавов, работающих в турбинах высокого давления. «Это один из наиболее ответственных и сложных компонентов реактивного двигателя», –  говорит Дэвид Джойс, генеральный директор GE Aviation. «С охлаждающими отверстиями, выполненными лазером, лопатки, работающие в условиях критических температур, имеют идеальную аэродинамическую форму. Мы их считаем настоящим произведением искусства».

General Electric инвестировала 75 миллионов долларов в этот новый завод, на котором лазерное оборудование может не только сверлить, но и сваривать, и даже печатать. В лаборатории GRC установлены одни из наиболее мощных лазеров в Северной Америке, мощностью 20 кВт. Исследователи установили один из лазеров на робота и используют его для плавления металла и разработки новых методов сварки, более эффективных по сравнению с традиционными. Высокая энергетическая плотность лазерного луча используется для быстрого и глубокого проникновения в металл.

Гонка технологий прецизионной металлообработки в авиакосмической отрасли

Лопаточные колеса: прецизионная электрохимическая обработка

Электрохимическая обработка наиболее широко ассоциируется с технологической операцией снятия заусенцев и облоя при изготовлении литьевых форм. Специализированные устройства, выполняющие такую обработку, используются для локального воздействия на металл, удаляя материал в жестко ограниченной зоне заготовки, снимая заусенцы, возникающие при создании радиусов, кольцевых канавок, пазов и выемок с разной геометрией. Компания EMAG (г. Фармингтон Хиллс) недавно разработала новый процесс высокоточной электрохимической обработки, позволяющий  изготавливать как одиночные турбинные лопатки, так и целые турбинные колеса, где лопатки составляют одно целое с диском ротора (т. н. «блиски») с точностью, удовлетворяющей требованиям для реактивных двигателей.

Операция выполняется в два этапа – черновая и чистовая обработка. Этап черновой обработки заключается в операции предварительного оконтуривания с припуском приблизительно 0.2 мм и скоростью подачи 2-4 мм/мин. Операция может быть выполнена несколькими способами с использованием различных инструментов в зависимости от геометрии изделия. В то время как одиночная лопатка может изготавливаться синхронно двумя обрабатывающими модулями одновременно с двух сторон, блиски же лучше вырезать вдоль оси лопаток. Процесс высокоточной электрохимической обработки хорош тем, что геометрия обрабатывающего инструмента и мощность оборудования позволяют изготавливать одиночные лопатки и блиски больших размеров за то же самое время и с теми же параметрами резания, как и маленькие. Технология основывается на напряжениях порядка 20000 Ампер постоянного тока с периодической пульсацией до 30000 А. Обрабатывающий центр PO 900 BF может работать с заготовками максимального диаметра 900 мм или одиночными лопатками длиной до 250 мм. Также центр может быть оснащен системой гидравлического зажима и центровки, генераторами колебаний изменяемой частоты и системами автоматической смены инструмента.

Фрезерование и шлифование в одном флаконе

Шлифовальные станки серии G производства компании Makino прекрасно справляются с обработкой лопаток, лопастей, а также других внутренних элементов реактивного двигателя, в том числе располагающихся в горячей части двигателя, т. е. сделанных из жаропрочных суперсплавов. «В своих новых станках мы сделали упор на технологии шлифования Viper для обработки новейших материалов, таких как алюминиды титана», – говорит Билли Глобс, специалист по технологиям авиакосмической отрасли компании Makino (г .Мейсон штат Огайо).
«Конкретно эти машины могут производить фрезерование, шлифование и вообще выполнять любую операцию, что и другие обрабатывающие центры. Станок стал той платформой, с помощью которой можно полностью изготовить лопатку или лопасть, сделав всего одну смену инструмента, предотвращая возникновение кучи заготовок, копящихся в очереди на обработку – их приходится таскать от станка к станку».

Гонка технологий прецизионной металлообработки в авиакосмической отраслиНа выставке IMTS компания Makino Inc продемонстрировала свой обрабатывающий центр EDBV3 Fast Hole Drill EDM, который позволяет легко и быстро выполнять мелкие отверстия воздушного охлаждения в лопатках путем электроэрозионной обработки, а также делать в них диффузные отверстия. Вся обработка на центре EDBV3 выполняется под водой с целью достижения повышенного качества деталей, а также обеспечения скорости обработки в 10 раз больше по сравнению с традиционной. Высокая производительность центра связана также с применяемой в нем одноэлектродной технологией, что дополнительно удешевляет изготовление в связи с отсутствием необходимости использования дорогих зажимов для дополнительных электродов.

Легкость прожигания отверстий переменного диаметра обеспечивают встроенные системы автоматической смены инструмента и автоматической смены направляющей. Запатентованный комплект электродов, в котором держатель электрода объединен с направлющей матрицы в одну сборку, обеспечивает повышенную скорость и надежность работы за счет быстрой автоматической смены одной такой сборки на другую. В итоге, в результате применения этих двух новшеств, смена инструмента и направляющей происходит всего за 30 секунд.

Как делается «скачок» в реактивном двигателестроении

По словам президента компании Mitsui Seiki Скотта Уокера, две новые модели реактивных двигателей  LEAP (англ. «Скачок») от General Electric и Gear Fan от Pratt & Whitney обладают на 20% большей эффективностью сжигания топлива. Идея, лежащая в основе изделия Pratt & Whitney – применение планетарной передачи для привода ротора лопаточного колеса. За счет этого увеличивается скорость вращения и выделяемая теплота, выделяется больше энергии. Единственный недостаток двигателя – это материалы, из которых он изготовлен: они почти не поддаются обработке. Лопатки, работающие в горячей секции двигателя, содержат 20-30% никеля. По словам Уокера, такое содержание никеля делает их сверхтвердыми, поэтому их можно обрабатывать только абразивами.

Станки Mitsui Seiki

Обработка турбинных лопаток и блисков на пятикоординатном обрабатывающем центре Mitsui Seiki 

Компания Mitsui Seiki изготавливает станки для производства интегрированных роторов (блисков) и одиночных лопаток, а также разрабатывает технологии фрезеровальной и шлифовальной обработки деталей, изготовленных из сверхтвердых материалов, включая титан-алюминиды. В линейку станков входят модели как горизонтального, так и вертикального закрепления деталей для обработки отдельных лопастей, интегрированных роторов, а также тонкостенных корпусов и кожухов двигателей, изготавливаемых из инконеля и пронизанных множеством отверстий, что требует применения пятиосной обработки.

В конструкции двигателя LEAP также используется несколько новейших материалов, например, алюминид титана. Материал представляет собой интерметаллический компаунд (гамма-сплав титана), обладающий сверхпрочными межатомными связями, из-за чего по строению и свойствам он напоминает керамику. Материал в чистом виде сравнительно хрупок, что преодолевается путем введения присадок хрома и ниобия. При этом материал имеет вдвое меньшую плотность, чем никелевые сплавы, обычно использующиеся в таком производстве, но также выдерживает температуры до 800°С.

«Стратегии внедрения таких материалов все еще до конца не устоялись и нуждаются в совершенствовании, особенно требуется разработка технологий, позволяющих использовать эти материалы в промышленных количествах,» – заявил Скотт Уокер.

«Одна из возможных стратегий – изготавливать реактивные авиадвигатели как двигатели для автомашин, используя полностью автоматизированные линии. Таким образом можно изготавливать унифицированные, надежные двигатели с контролируемой месячной производительностью. В результате произойдет переход от одиночных универсальных станков к роботизированным линиям по типу автомобильных, поэтому станки должны поддерживать возможность применения роботов и портальных кранов для выполнения всей работы, в том числе перемещения, измерения, погрузки/разгрузки и прочего, с максимальной минимизацией ручного труда», – добавляет Уокер.

Термостабилизация и увеличение точности обработки

Компания Parpas America, располагающаяся в американском городе Блумфил Хилс, разработала и внедрила функцию контроля термической стабильности в свой портальный пятиосный фрезерный центр модели XS и горизонтально-фрезерный станок OMV/Formula с целью увеличения точности обработки. В результате нововведения все компоненты станка, подверженные температурным изменениям, влияющим на точность обработки, отделены от окружающего пространства и внутри кожухов организована циркуляция кондиционированного воздуха и охлаждающей жидкости. Портальный фрезерный центр XS имеет ход по оси X до 22 метров и предназначен для изготовления матриц для формовки сверхкрупных секций композитной обшивки самолетов, таких как Аэробус А350 или Боинг 787.

Еще один станок, использующий метод термического кондиционирования, это Parpas OMV/Formula. Два таких станка используются компанией Lockheed Martin и заняты полным циклом фрезерования центральной секции фюзеляжа реактивных истребителей-бомбардировщиков пятого поколения F-35 Лайтнинг. Температурная стабилизация затронула не только внутренние компоненты станка как на XS, но и непосредственно зону резания, где организована автоматизированная передвижная камера-ячейка с контролем температуры и фильтрацией воздуха.

«Станок XS – это обрабатывающий центр с подвижным порталом, по типу козлового крана, оснащенный функцией принудительного внутреннего охлаждения большинства узлов, включая боковые опоры портала, поперечную балку, каретку шпинделя, кроме ее вертикальных направляющих. Направляющие продольного движения скользящего типа выполнены из стали с последующей шлифовкой и закалкой, в них пушечным сверлом выполнены продольные сквозные отверстия, по которым подается охлаждающая жидкость, нормализующая температурный режим станка», – заявил Том Хеги, управляющий по технологическим операциям. «Балансировка инструмента обеспечивает превосходное качество обработки поверхности и  предотвращает возможность повреждения шпинделя».

Как сказал Хеги, группа компаний AIP Aerospace Tooling Groupзаказала четыре станка такой модели: один для отделения компании в штате Мичиган, остальные три для калифорнийского отделения этой компании «Coast Composites Irvine». Станки будут использоваться для изготовления форм для композитных деталей обшивки Боинга 787 и Аэробуса А350. По словам Хеги, один из станков оснащен сразу двумя подвижными порталами, имеющими ход 18×4.5 м.

Правильно выбранный инструмент – залог предсказуемости работы

По словам инженера группы техподдержки компании Horn Эда Малви, с использованием дисковых и червячных фрез Horn для многозадачной параллельной обработки на последних моделях многозадачных станков возможно изготовление шестерен со шпоночным пазом  на посадочном радиусе без смены инструмента. По его словам, выгода пользователя от их применения заключается в том, что качество детали оказывается неизменно высоким, поскольку ручное вмешательство в процесс работы минимизировано. «Наши инструменты прекрасно справляются со всеми задачами фрезерования пазов и желобов в твердых материалах, что очень часто встречается в технологиях авиакосмической отрасли. Размерный ряд выпускаемых инструментов  соответствует типовым размерам, используемым в авиакосмической промышленности», – дополнил Малви.

«Секрет успеха в металлообработке заключается в подборе правильной комбинации сплава, геометрии инструмента и покрытия, особенно при работе с труднообрабатываемыми материалами, такими как инконель, титан, некоторые марки нержавейки, в том числе термически состаренной, кобальтовые сплавы и стеллит. Мы уже не считаем, что титан такой уж труднообрабатываемый материал, как раньше, конечно за исключением некоторых сортов упрочненного титана», – сказал Малви.

Инструменты HORNПоскольку все вышеперечисленные материалы обладают пониженной обрабатываемостью, мы стремимся к тому, чтобы изготавливаемый нами инструмент обладал легко предсказуемый износом при работе с такими материалами. Мы предлагаем качественный инструмент, при этом пользователь всегда знает, когда ему следует сменить фрезу или проиндексировать (повернуть) режущую пластину. Это особенно важно в настоящее время, поскольку многие станки обладают функцией извещения оператора о необходимости сменить инструмент для того, чтобы драгоценное время работы станка не терялось в простоях», – сказал Малви.

«Свежий пример – один из наших клиентов, занимающийся изготовлением деталей для авиакосмической отрасли из азотированной стали. Мы порекомендовали специалистам этой фирмы использование одного из наших покрытий, приведшего к феноменальным результатам. Ранее в их производстве использовались инструменты из кубического нитрида бора (CBN), из-за хрупкости материала процесс приходилось периодически останавливать для остывания инструмента. Наше же покрытие, в сочетании с универсальной геометрией инструмента, позволило добиться безостановочности процесса. В совокупности это привело к уменьшению процента брака и увеличению общего качества деталей».

Качество продукции и решения в технологии зажимных патронов

Компания Haimer (Вилла-Парк, Иллинойс), предлагает три новинки в технологии зажима, заточенные под наивысшее качество обработки, особенно это актуально при высокоскоростной обработке. Первая – это предустановочная балансировка рабочей сборки, включающей в себя сам инструмент, режущие пластины, патрон, а также разные аксессуары, включаемые в сборку – штифты, гайки, цанги, устройства антивыпадения и т. п. Балансировка всего этого в сборе позволяет безопасно использовать очень высокие скорости резания, особенно при обработке алюминия, при этом не возникает вибрации в области режущих кромок. «Балансировка продлевает срок службы инструмента, обеспечивает превосходное качество поверхности, а также исключает возможность поломки шпинделя», – заявил глава компании Брент Холден.

Вторая технология называется «Cool Flash», она интегрирована в их патронах «Power Shrink» с технологией «Cool Jet». Технология Cool Flash не позволяет рабочей жидкости разбрызгиваться под воздействием центробежной силы в стороны от рабочей зоны при высокоскоростной обработке. Особенно эффективно технология может применяться при черновой обработке алюминия, при которой образуется огромное количество стружки, в том числе в глубоких полостях, откуда удалить ее бывает очень трудно. Технология заключается в том, что охлаждающая жидкость подается под высоким давлением вдоль хвостовика инструмента таким образом, что окружает хвостовик сплошным слоем и так подается в зону резания. При этом используется обычный режущий инструмент, и его установка производится стандартным для термозажимных патронов способом.

Технология оптимального охлаждения Cool Flash от Haimer

 

Третья технология носит название Safe Lock (англ. «безопасный замок») и предназначена для предотвращения вытягивания режущего инструмента, главным образом стандартных концевых фрез большой длины из патрона при высокоскоростной обработке. Данная новинка также имеет высокий потенциал применения при черновой обработке алюминия и титана в авиакосмической отрасли.

 

Источник материала: перевод статьи
The Aerospace Precision-Machining Race,
Hornusa.com



Понравилась статья? Поделитесь: