Индивидуальный подход к обработке
Очень часто обработка блисков для авиационных двигателей продолжается сотни часов. Этот важный компонент ротора состоит из диска и лопаток и нуждается в высокопроизводительной технологии фрезерования. Для разработки такой технологии компания «Штарраг» делает ставку не на стандартные решения, а на разработку специальных высокотехнологичных станков.
При изготовлении авиационных турбин производительность напрямую зависит от используемых технологических процессов. Производители авиакосмической промышленности давно высказывают недовольство тем способом изготовления, который существует на предприятиях сейчас. Современные станки с числовым программным управлением позволяют выполнить фрезерование лопаток из штампованного диска. Получающиеся при этом блиски или роторы с интегрированными лопатками (IBR) все больше заменяют существующие до настоящего времени дорогостоящие собранные составные части турбины.
Индивидуальный поход к обработке: для обработки блисков был разработан станок нового модельного ряда NB с наклоняемой осью В, на которой инструмент практически поворачивается вокруг своей точки контакта.
Эта технология позволяет существенно экономить материал по сравнению с традиционным способом изготовления, при котором из одного диска и из макс 120 лопаток после нескольких этапов обработки (поковка, обработка резанием и сборка) получается ротор.
Деталь блиск для разработчиков станочного оборудования не является совсем обычным делом, это довольно сложная задача! «Речь идет об очень труднообрабатываемых материалах, таких как титан или сплавы на основе никеля», — говорит д-р Бернхард Брингманн, руководитель технического отдела компании «Штарраг АГ», г. Роршахерберг (Швейцария). «Кроме того, лопатки имеют очень сложную форму поверхности с низкой жесткостью и плохими виброгасящими свойствами. Фрезерование иногда длится несколько сотен часов». И самое удивительное состоит в том, что для выполнения этой сложной задачи используются стандартные станки.
В качестве альтернативы речь идет о специальных станках, разработку которых компания «Штарраг» начала с анализа геометрии деталей и производительности используемых инструментов, а также с описания оптимального процесса обработки резанием. Если требования по выполнению черновой и чистовой обработки определены как важнейшие параметры станка (например, частота вращения шпинделя и крутящий момент), то производитель оборудования при разработке концепции обработки блиска трансформирует эти требования в технические характеристики, как, например, частота собственных колебаний, стабильность процесса или тепловые явления. Только теперь собственно и начинается проектирование станка. «Здесь речь идет о принципе, ориентированном на прагматичное решение задачи», — поясняет руководитель техотдела. «При этом постоянно возникает вопрос: как определяются динамические свойства и стабильность процесса на предыдущем этапе проектирования?» Для решения этих вопросов компания «Штарраг» разработала ноу-хау для основных этапов проектирования, таких, например, как моделирование, что оправдало себя, так как эти работы были выполнены значительно быстрее по сравнению с привлечением сторонних партнеров.
Реальные величины: механические предельные значения проектируемого станка разработчики компании Штарраг определяют с помощью анализа по методу FEM.
Для определения точного времени тактов компания «Штарраг» использует виртуальную модель Virtual NC Kernel. С помощью этой программы и электронной обработки данных моделируется работа настоящей системы управления, чтобы впоследствии определить режим работы самого станка. «Если у вас уже имеется программа фрезерования блисков, то вы можете ее протестировать», — поясняет д-р Брингманн. «После этого теста программа сообщает нам, что, например, обработка выполняется за 24 часа и 12 минут. Таким образом, мы получаем очень точные сведения». Для получения реальных значений разработчики вводят в виртуальную систему управления также механические предельные значения проектируемого станка, которые они определили с помощью анализа по методу конечных элементов (FEM). «Это хороший метод, чтобы увидеть, куда приведет дальнейшее проектирование станка», — отмечает руководитель технического отдела.
Благодаря анализу по методу конечных элементов, например, выявляются критические собственные частоты (колебания с большой амплитудой) или максимальные значения ускорений в зависимости от требуемой точности, что позволяет оптимизировать систему управления путем изменения параметров. Но оптимальные результаты анализа по методу FEM получают только в том случае, если задают реалистичные исходные значения. Д-р Брингманн добавляет: «Реалистичные параметры по жесткости и виброгашению требуют практических экспериментов и тестов». Анализ по методу FEM применяется также для стабилизации процесса при черновой обработке. Для улучшения механических свойств рекомендуется применять в качестве ограничительного фактора собственную частоту самого малого реального компонента.
В результате такого скрупулезного подхода был разработан станок модели NB 251 с наклоняемой осью B, на которой инструмент поворачивается вокруг своей точки контакта. Компактное исполнение станка отличается высочайшей точностью обработки (незначительная компенсация при движении шпинделя по оси В), высокой производительностью резания и высокой динамикой (небольшие перемещаемые массы). Этот станок доказывает, чего можно достигнуть при другом подходе к проектированию. Д-р Брингманн поясняет: «Оправдал себя исследовательский подход к процессу обработки при проектировании и оптимизации нового станка. Для этого существуют новые методы точного прогнозирования реального поведения станка при стабильной черновой обработке и динамичной чистовой обработке».
Николаус Фехт (Германия)
ООО «Штарраг РУ»
Россия, 129164, Москва, Зубарев пер., 15/1, офис 342
Т. +7 495 745 80 41/42
Ф. +7 495 745 80 43
www.starrag.com
e-mail: info-russia@starrag.ru
Статья подготовлена по материалам доклада на конгрессе „Новые технологические решения в аэрокосмической промышленности“ Института по разработке технологии и металлорежущих станков (IFW) в Ганновере и Объединения по инновациям в области обработки резанием, EMO, Ганновер, 2013.
"