Разработка методов повышения эффективности технологии механической обработки деталей оболочкового типа из титановых сплавов и мартенситностареющих сталей

Актуальность работы. Возрастающий объем выпуска и жесткие сроки на изготовление ракетно-космической техники (РКТ), составной частью которой являются баллоны высокого давления и другие детали оболочкового типа, требуют использования эффективных организационно-технических решений при механической обработке.

Эффективность механической обработки деталей оболочкового типа из титановых сплавов и мартенситностареющих сталей в настоящее время недостаточна из-за высокой трудоемкости и существенной зависимости от квалификации исполнителя. Закономерности обработки деталей из таких материалов мало исследованы как теоретически, так и экспериментально.

Необходимость данной работы, таким образом, определяется тем, что возможности существующих организационно-технических решений по механической обработке не обеспечивают возрастающие объемы производства деталей оболочкового типа из титановых сплавов и мартенситностареющих сталей. Кроме того возможности современного оборудования и инструментальных материалов не достаточно эффективно используются из-за отсутствия практических рекомендаций. В то же время применение современного ' оборудования, позволяющего реализовать комплексный подход к повышению эффективности, требует совершенствования применения отечественных САПР механообработки при конструкторско-технологической подготовке производства. ¦ Поэтому работа, направленная на повышение эффективности механической обработки деталей оболочкового типа из труднообрабатываемых материалов, является актуальной.

Методы исследования.

Работа включает в себя теоретические и экспериментальные исследования и моделирование на ЭВМ. Использованы основные положения технологии машиностроения, включая теорию технологического наследования, теории резания, методы математического моделирования, математического программирования, теории оптимальных процессов и математической статистики. Исследование возможностей предложенной модели оптимизации при ограничениях на параметры процесса резания и на показатели качества обработки проводились на ЭВМ с • использованием полученных экспериментальных данных. Экспериментальные исследования процесса резания и влияние его параметров на показатели качества обработанных поверхностей выполнялись как на экспериментальных установках так и в реальных производственных условиях при обработке деталей оболочкового типа для баллонов высокого давления.

Научная новизна:

1. Разработана методика модернизации производства сложного технического объекта — оболочки* для' баллона высокого давления, включающая выбор оборудования и системы инструментального обеспечения, организацию параллельной конструкторско-технологической подготовки производства, получения недостающих данных об объекте обработки, оптимизацию построения технологического процесса и режимов резания.

2. Показана целесообразность использования, штрафной функции, содержащей себестоимость обработки как целевуюфункцию, и ограничения, на шероховатость поверхности, стойкость инструмента, силу резания, параметры, оборудования — как индикаторную функцию для решения задачи оптимизации параметров режима резания при механической обработки деталей оболочкового типа из мартенситностареющих сталей и титановых сплавов.

3. Получены новые зависимости в области резания труднообрабатываемых материалов: параметров шероховатости поверхности от режимоврезания при точении, силы резания и стойкости инструмента от режимов резания и угла в плане <рвлияния СОЖ на коэффициент трения, шероховатость поверхности и силу резания. 1 4. Доказана возможность. и эффективность использования предметноориентированных САПР в параллельной, схеме решения задач конструкторско-технологической подготовки производства.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

•* разработана методика определения параметров режима резания на основе предложенного критерия оптимальности;

• разработана методика использования в предметноориентированных САПР механообработки исходных данных, созданных в САПР конструктора;

• разработан и внедрен на основе результатов структурно-параметрической оптимизации технологический процесс изготовления деталей для баллонов высокого, давления, позволивший>сократить затраты, трудоемкость и цикл изготовления.

Реализация результатов работы. Результаты, работы реализованы в разработанных и внедренных в производство комплектах документов * на технологический процесс механическойобработки нескольких видов баллонов высокого давления из титановых сплавов и мартенситностареющих сталей на' Заводе экспериментального машиностроения Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С. П. Королева. Методика модернизации механической обработки деталей, используется на ЗАО НПО «Авангард» и ЗАО ЗЭМ' РКК «Энергия». Полученные в работе рекомендации по применению современных инструментальных материалов и режимов резания использованы в выпущенной и внедренной в производство технологической инструкции.

FJIABA 1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ОБОЛОЧКОВОГО ТИПА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ.

СТАЛЕЙ.

1″. 1'. Состояние технологий механической обработки при производстве изделий ракетно-космической техники.

Мировой рынок космических изделий характеризуется устойчивой конкуренцией между основными производителями ракетно-космической" техники (РКТ). В связи с этим в ближайшей перспективе конкурентоспособность отечественной ракетно-космической промышленности в значительной степени будет определяться ее способностью модернизировать > технологическую базу, а также методы и средства планирования и управления производством.

В решении задач модернизации большое значение* имеет совершенствование технологий и организации работ по механической обработке^ деталей и сборочных единиц. Удельный вес трудоемкости механической обработки на заводе экспериментального машиностроения ракетно-космической корпорации «Энергия» составляет более 20%, а с учетом слесарной обработки до 40% трудоемкости производства основных видов изделийРКТ, что в значительной мере определяет длительность производственного, цикла, и, соответственно, сроки поставок на рынок новых изделий.

Структура трудоемкости изготовления одного из основных изделий РКТ на предприятии приведена на диаграмме (рис. 1.1.).

Сварочные 2,2%.

1,1% Термические.

Прочие I 10.8%.

1,9% Нанесение покрытий.

5,3%.

Теплоизоляционные.

Листоияамповочные 0,2%.

Литейные 0,2%.

Обработка пластмасс.

15,7%.

Слесарные.

5,4% 1 Сборочные.

Механическая «&bdquo-обработка.

Обр-ка на станках с.

ПУ ь.0%.

Токарная обработка.

132% ЭлШр0* - монтажные.

Сборочно клепальные.

Кузнечно.

Фрезерная обоаботка.

Рис, 1.1. Трудоемкость изготовления изделия по видам работ (в %).

При обработке деталей, составляющих изделия РКТ, используются практически все известные на сегодня методы механической обработки, для реализации которых создан соответствующий парк металлорежущего оборудования, представленный на структурной схеме (рис. 1.2.). Он включает в себя 8 из 10 основных групп станков по классификации ЭНИМС. При обработке деталей оболочкового типа, исследуемых в работе, используются станки токарной и фрезерной групп.

Рис. 1.2. Структура парка металлорежущего оборудования, используемого для, производства изделий РКТ t.

Однако физическое состояние парка технологического оборудования, используемого при механической обработке, в силу длительного срока эксплуатации, определяет не соответствие ряда базовых технологий мировому уровню, а также характеру задач по освоению производства новых изделий, повышению производительности труда, снижению циклов изготовления изделия, необходимых для поддержания конкурентоспособности предприятия на мировом рынке космических услуг.

По сравнению с 1987 годом удельный вес оборудования со сроком службы до 10 лет снизился, а удельный вес оборудования со сроком службы более 25 лет увеличился, что представлено в табл. 1.

Таблица 1.

Удельный вес металлорежущего оборудования в зависимости от срока эксплуатации в различные годы.

Год Удельный вес, %, при сроке эксплуатации.

До 10 лет 10−20 лет Свыше 20 лет.

1987 56,1 30,2 13,7.

2007 6,9 27,0 66,1.

Особое положение складывается со станками с программным управлением, на которых изготовляются командные, определяющие детали основных изделий. Системы числового программного управления полностью устарели. Производство элементной базы для систем управления и запасных частей к многим типам станков" в основном прекращено. За 10 лет в мире произошла смена нескольких поколений электронно-вычислительной техники, поэтому эксплуатируемые на предприятиях устаревшие системы ЧПУ трудно поддерживать всовременном производстве, как с точки зрения их эксплуатации, так и подготовки управляющих программ.

В частности авторы [39], отмечая, что «разработка программ.

— сложная и трудоемкая задача", указывают на необходимость «ускорения подготовки управляющих программ». В работе [39] также подчеркивается, что «немаловажным принципом, все более доминирующим на рынке металлообработки, является интерес к готовым для реализации техническим решениям, а не просто к набору оборудования и инструментов».

В связи с тем, что около 65% имеющегося металлорежущего оборудования имеет сроки службы, превышающие нормативные, на него не начисляется амортизация — основной источник собственных средств предприятия, предназначенных на приобретение нового оборудования. К настоящему времени около 50% металлорежущего оборудования (в основном универсального) практически не используется или используется эпизодически, что приводит к необоснованно высокому уровню цеховых расходов. Так, на предприятии имеется большое количество шлифовального оборудования, а также строгальные, долбежные и протяжные станки, за которыми не закреплены рабочие и которые включаются только несколько раз в год.

Технологии механической обработки при изготовлении изделий РКТ реализуется в специализированных механических цехах, механических участках агрегатно-механических цехов и в цехах подготовки производства. Специализация механических цехов — технологическая, агрегатно-механических цехов — предметно-замкнутая и технологическая. Подетально — групповая специализация не получила распространение в механических цехах.

В целом механообработка при изготовлении изделий РКТ является единичным производством с изготовлением от нескольких сотен до нескольких тысяч номенклатур деталей в каждом механическом цехе. Характерной особенностью можно считать также высокую оснащенность технологий механической обработки специальным режущим и мерительным инструментами и технологическими приспособлениями.

Таким образом, на основании анализа состояния технологий механической обработки деталей РКТ, сформулированы отдельные, частные проблемы:

1. Высокая чувствительность качества деталей к квалификации станочников, при использовании универсального оборудования.

2. Использование низко-производительного оборудования (приблизительно 95% станков).

3. Отсутствие апробированных рекомендаций по применению современных инструментальных материалов и режимов резания.

4. Недостаточная эффективность использования САПР при конструкторско-технологической подготовке производства.

5. Обеспечение требований конструкторской документации на детали РКТ за счет широкого применения в технологических процессах механической обработки специальных средств технологического оснащения .

6. Большая номенклатура (свыше 26 000 номенклатур деталей и сборочных единиц в одном изделии) и малая партионность (12^-36 деталейсреднегодовая партия для одной номенклатуры) деталей РКТ.

Эти проблемы еще более углубляются в связи с установленной тенденцией снижения производственных мощностей по действующей технологии механической обработки на базовом предприятии (см. рис. 1.3.) и планируемым ростом загрузки производственных мощностей в связи с существующим на среднесрочную перспективу ростом спроса на космическую технику (см. рис. 1.4.).

Рис. 1.3. Изменение производственной мощности предприятия.

Рис. 1.4. Планируемый рост загрузки производственных мощностей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1 .Разработанная и внедренная при производстве полусферы баллона высокого давления методика, включающая оптимизацию структуры технологического процесса, режимов резания и организацию параллельной конструкторско-технологической подготовки производства, позволяет проводить модернизацию механической обработки сложного технологического объекта.

2. Доказана целесообразность использования в качестве критерия оптимизации при обработке деталей оболочкового типа из титановых сплавов и мартенситностареющих сталей штрафной функции, где как целевая функция принята себестоимость обработки, а как индикаторная функция взяты ограничения по: шероховатости обработанной поверхностистойкости инструментазначению силы резаниямощности станкапредельным значениям параметров режима резания. Предложен метод поиска минимума штрафной функции.

3. Экспериментальными исследованиями показано, что использование нестационарных режимов резания при обработке сложной криволинейной поверхности позволяет повысить эффективность процесса резания за счет улучшения условий работы режущего инструмента.

4. Проведенные экспериментальные и аналитические исследования позволили получить и использовать в расчетах и рекомендациях новые зависимости в области резания труднообрабатываемых материалов: параметров шероховатости поверхности от режимов резания при точениисилы резания и стойкости инструмента от режима резанияугла в плане^- влияния различных СОЖ на коэффициент трения, шероховатость и силу резания.

5. Проведенные исследования показали, что критерием оптимальности модернизации структуры производства может являться сумма минимумов частных критериев оптимальности элементов структуры.

6. Разработанная методика параллельной конструкторско-технологической подготовки производства, позволила использовать предметноориентированные САПР, оптимальные для конструктора и технолога соответственно. Практическая реализация методики сократила на 20% время на подготовку производства и обеспечила использование в автоматизированном виде данных технологического процесса в системе управления жизненным циклом изделия.

7. Реализация результатов исследований по сформулированной научной задаче позволила повысить эффективность механической обработки деталей оболочкового типа для баллонов высокого давления с уменьшением на 25% числа установов, заменой 80% специального инструмента на нормализованный сборный, снижением на 30% себестоимости обработки и на 32% трудоемкости.

8. Результаты диссертационной работы обеспечили возможность разработки технологических процессов и управляющих программ для обработки деталей баллонов высокого давления на новом станке с ЧПУ, прошедших апробацию при изготовлении промышленной партии на ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия». Эти же результаты^ создали основу для разработки технологической инструкции и методики, внедренных на ЗАО ЗЭМ и принятых к применению на ЗАО НПО «Авангард».