авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ,

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ

И ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОЛЕТОВ

Материалы

семинара

Открытие семинара. Слева направо: генеральный директор Иркутского авиационного

завода – филиала ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут», Вице-президент

Вепрев Александр Алексеевич, ректор Национального исследовательского Иркутского

государственного технического университета Головных Иван Михайлович, первый за меститель генерального директора ОАО «Межведомственный аналитический центр»

Даниленко Андрей Леонидович 10 ноября 2011 г.

УДК 629.7 Высокоэффективные технологии проектирования, конструкторско технологической подготовки и изготовления самолетов: материалы Всерос сийского с международным участием научно-практического семинара (Ир кутск, 9-11 ноября 2011 г.) / Под общ. ред. А.Е.Пашкова. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 150 с.

Приведены результаты, полученные в 2010–2011 гг. в ходе реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Раз работка и внедрение комплекса высокоэффективных технологий проектирова ния, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолета МС-21», шифр 2010-218-02-312, выполняемого с участием российского высше го учебного заведения на основании Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного про изводства».

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА «РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ КОМПЛЕКСА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЕКТИ РОВАНИЯ, КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОЛЕТА МС-21»

А.А.Вепрев ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут»

Комплексный проект «Разработка и внедрение комплекса высокоэффек тивных технологий проектирования, конструкторско-технологической подго товки и изготовления самолета МС-21» реализуется Открытым акционерным обществом «Научно-производственная корпорация «Иркут» совместно с На циональным исследовательским Иркутским государственным техническим университетом.

Проект выполняется в рамках Мероприятия по государственной под держке развития кооперации российских высших учебных заведений и органи заций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, осуществляемого в соответствии с Постановлением Правитель ства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218. Целью данного Меро приятия является расширение практики вовлечения российских вузов в дея тельность, осуществляемую организациями реального сектора экономики в сфере НИОКТР, развитие потенциала российских высших учебных заведений как исследовательских (конструкторских, инжиниринговых организаций) и по вышение на этой основе:

- качества подготовки специалистов в российских вузах;

- уровня развития исследовательской и технологической базы российских вузов;

- инновационной активности организаций реального сектора экономики и российских вузов.

Общий объем финансирования проекта составляет 499 миллионов руб лей. Объем субсидии из федерального бюджета – 228,5 миллиона рублей;

соб ственные средства Корпорации – 270,5 миллиона рублей.

Тематика проекта, направленная на преодоление ряда «узких мест» в процессах конструкторско-технологической подготовки и производства само лета МС-21, была сформирована на основе многолетнего опыта сотрудничества Корпорации и Университета. Проект включает 16 самостоятельных блоков, связанных с развитием ранее выполнявшихся работ и с реализацией перспек тивных направлений.

Задача повышения эффективности процесса подготовки производства ре шается путем создания систем автоматизированного проектирования авиацион ных конструкций и средств технологического оснащения. Разрабатываются мето дики, базы данных и программное обеспечение для оценки технологичности изде лий;

для накопления и дальнейшего использования знаний конструкторов и тех нологов. Другим направлением решения данной задачи является разработка мето дик инженерного анализа ряда технологических процессов. Реализация планируе мых разработок должна обеспечить сокращение цикла конструкторско технологической подготовки производства на 10-40%.

Основная часть проекта направлена на совершенствование существую щих и создание новых технологий.

Большой объем исследований планируется выполнить при разработке тех нологии высокоскоростной и высокопроизводительной механической обработки деталей на базе современных обрабатывающих центров, внедрение которых тре бует проведения большого объема опытных работ, особенно при запуске новых изделий. Разрабатываемые технологические рекомендации направлены на по вышение производительности механической обработки деталей до 50%.

Одна из существенных статей затрат на обработку деталей каркаса – это расходы на режущий инструмент. Для их снижения в 1,5-5 раз в рамках проекта выполняется разработка конструкции и технологии изготовления концевых бы строрежущих и тврдосплавных фрез для черновой и чистовой обработки. Про изводство данного инструмента организовано на базе созданного на Иркутском авиационном заводе участка, оснащенного высокоэффективным оборудованием с ЧПУ.

Опытные работы по отработке технологии механической обработки дета лей и испытаниям разработанного инструмента производятся в лаборатории, созданной на базе Университета, для которой Корпорацией приобретен фрезер ный обрабатывающий центр DMC635V.

Объем собственных средств Корпорации, направленных в рамках проекта на оснащение производства самолета МС-21 современным металлорежущим оборудованием и инструментом, составляет более 100 миллионов рублей.

Для решения проблемы устранения коробления маложестких деталей, возникающего при фрезеровании, выполняется работа по разработке техноло гии формообразования и правки методами местного пластического деформиро вания, которые более эффективны, чем традиционные прессовые методы.

Добиться улучшения качества механически обработанных деталей при выполнении отделочных операций одновременно с повышением производи тельности труда в 2…3 раза позволит внедрение механизированных операций удаления заусенцев и скругления острых кромок. В рамках проекта разрабаты вается нормативная технологическая документация по применению высокоэф фективных технологических средств иностранного производства при виброаб разивной обработке деталей отечественных самолетов.

В связи с широким использованием в конструкции самолета МС-21 по лимерных композиционных материалов решается задача разработки новой тех нологии обработки классных отверстий в смешанных пакетах из этих материа лов и титановых сплавов.

Значительная часть проекта связана с процессами формообразования де талей авиационных конструкций.

К числу традиционных направлений сотрудничества Университета и Корпорации относится разработка технологии дробеударного формообразова ния крупногабаритных панелей летательных аппаратов. В рамках проекта раз работана и изготавливается опытно-промышленная установка для дробеударно го формообразования и зачистки УДФ-4, представляющая собой станок с ЧПУ, в конструкции которого использованы современные комплектующие изделия таких фирм как Siemens и Bosch Rexroth. Разрабатываемая комплексная техно логия и оборудование для формообразования и последующего упрочнения крупногабаритных панелей имеют существенные преимущества перед зару бежными аналогами и могут быть тиражированы на все заводы, выпускающие гражданскую авиационную технику.

Перспективным направлением проекта является разработка и внедрение технологии формообразования в режиме сверхпластичности. Применение дан ной технологии наряду с повышением показателей прочности, надежности и весовой эффективности изделий в 1,5-2 раза позволяет создавать перспектив ные элементы авиационных конструкций.

В связи с особенностями конструкции самолета МС-21 актуальными за дачами являются совершенствование технологических процессов обтяжки и формовки эластичной средой. На решение данных задач направлены работы, включающие разработку методик моделирования процессов формообразования и проектирования технологической оснастки на базе CAD/САМ/CAE систем.

В ходе выполнения проекта разрабатывается ряд инновационных техно логий контроля деталей. Будут созданы новые методы неразрушающего кон троля технологических остаточных напряжений, позволяющие прогнозировать возможное коробление маложестких деталей, изготавливаемых из термически упрочненных заготовок, а также оценивать результаты упрочнения галтелей и канавок силовых стыковочных болтов.

Повышение производительности сборочно-монтажных работ на 25-30% планируется обеспечить за счет разработки сборочных приспособлений с функ циональными элементами автоматизированного позиционирования и базирова ния.

Помимо создаваемых технологий и внедряемых в производство оборудо вания, оснастки и инструмента важнейшими задачами проекта являются созда ние современной исследовательской инфраструктуры и развитие научно технического потенциала. На решение этих задач направлено создание Центра коллективного пользования Корпорации и Университета, оснащенного уни кальным технологическим и исследовательским оборудованием и укомплекто ванного высококвалифицированными научными и инженерными кадрами.

Таким образом, реализация проекта обеспечит существенный вклад в соз дание и развитие новых компетенций Корпорации «Иркут» и отрасли в целом на большинстве стадий жизненного цикла производимой авиационной техники.

НОВЫЕ ГРАНИ СОТРУДНИЧЕСТВА ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА С ОАО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОРПОРАЦИЯ «ИРКУТ»

И.М.Головных Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет Сотрудничество Иркутского государственного технического университе та с ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» имеет многолетнюю историю. По наиболее востребованным специальностям, таким как «Техноло гия машиностроения», ИрГТУ готовит инженеров с 1949 г., а по специальности «Самолето- и вертолтостроение» – с 1953 г. За эти годы подготовлено более тысяч специалистов для авиастроительной и других машиностроительных от раслей страны. Большинство работников Иркутского авиационного завода, за нимающих руководящие должности, являются выпускниками ИрГТУ. В разное время университет закончили директора завода: Максимовский Виктор Афа насьевич, Федоров Алексей Иннокентьевич, Ковальков Владимир Васильевич, Вепрев Александр Алексеевич.

Более 20 лет университет совместно с корпоративными профильными классами средних школ города, Иркутским авиационным техникумом и маши ностроительным колледжем реализует непрерывную подготовку кадров для Иркутского авиационного завода. В настоящее время подготовка специалистов ведется по 7 основным специальностям: самолето- и вертолтостроение;

техно логия машиностроения;

металлообрабатывающие станки и комплексы;

автома тизация технологических процессов и производств;

роботы и робототехниче ские системы;

оборудование и технология сварочного производства;

информа ционные системы и технологии.

С 2006 года по целевому заказу университету ежегодно выделяется до 100 бюджетных мест. Все они предназначены для Иркутского авиационного за вода – филиала Научно-производственной корпорации «Иркут». Кроме того, по направлению завода в университете обучаются более 200 студентов по очной форме обучения.

Большая часть выпускников Института авиамашиностроения и транспор та ИрГТУ уже многие годы трудоустраивается в цехах и отделах ИАЗ, ежегод но по 20 – 25 студентов 3-4 курсов университета работают на заводе на услови ях частичной занятости на рабочих и технических должностях, успешно со вмещая учебу с работой. Ряд сотрудников университета, в том числе молодых преподавателей и ведущих профессоров, совмещают преподавательскую дея тельность с работой на заводе, занимаясь продвижением современных техноло гий в производство. НИ ИрГТУ одним из первых вузов в стране начал подго товку специалистов по современным CAD/CAE/CAM технологиям. Совместно с ИАЗ и на основе сотрудничества с ведущими зарубежными и отечественными IT-компаниями (Autodesk, Microsoft, Delcam, ANSYS, Siemens) созданы 5 учеб ных центров, являющихся ключевым звеном сотрудничества ИрГТУ и ИАЗ в подготовке и переподготовке специалистов, выполнении научно исследовательских и опытно-конструкторских работ. За последние 5 лет в учебных центрах в рамках основного учебного процесса прошли подготовку более 750 студентов, по дополнительным программам – свыше 150 студентов и более 100 специалистов завода.

Наиболее существенно сотрудничество ИАЗ-ИрГТУ проявляется в про ведении совместных научных исследований. С 2006по 2010 гг. Иркутский го сударственный технический университет по заказу Иркутского авиационного завода выполнил НИОКР на сумму 12 млн рублей. В 2010 г. «Научно производственная корпорация «Иркут» и ИрГТУ стали победителями конкурса, проведенного Министерством образования и науки на основании Постановле ния Правительства РФ от 9 апреля 2010г. №218, представив совместный проект «Разработка и внедрение комплекса высокоэффективных технологий проекти рования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолета МС-21».

Проект предусматривает решение целого ряда задач, связанных с оптими зацией режимов работы металлорежущих станков с целью значительного по вышения производительности в механообработке;

развитием методов формо образования деталей (метод сверхпластичности, дробеударный метод, метод раскатки);

совершенствованием монтажа оснастки с помощью лазерной техни ки и оптических систем.

Решение этих задач позволит значительно повысить производительность труда как на стадии конструкторско-технологической подготовки изделия к выпуску, так и в основном производстве самолета МС-21.

Успешному сотрудничеству в области научных исследований способст вует создание экспериментальной площадки на основе материальной базы уни верситета, совершенствуемой в настоящее время в рамках выполнения проекта и программы развития ИрГТУ, как национального исследовательского универ ситета. С этой целью в университете заканчивается формирование пяти научно исследовательских лабораторий, оснащаемых самым современным высокотех нологичным оборудованием и измерительной аппаратурой:

1. НИЛ «Технология высокопроизводительной механообработки, формо образования и упрочнения деталей машин».

Лаборатория оснащена современным металлорежущим оборудованием, в составе которого фрезерный обрабатывающий центр DMC635V, приобретен ный на средства ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут», высо коточные приборы для исследования технологических параметров обработки и свойств обрабатываемых деталей. В 2012 г. в лаборатории должны начать рабо тать два самых современных станка фирмы Deckel Macho (Германия) – токар ный обрабатывающий центр 5-го поколения и фрезерный 5-ти координатный обрабатывающий центр с современным промышленным роботом.

Рис. 1. Оснащение лаборатории «Технология высокопроизводительной механообработки, формообразования и упрочнения деталей машин».

2. НИЛ «Исследование технологических остаточных напряжений и де формаций», оборудована цифровым анализатором шумов, установкой для элек трохимического полирования, прибором для измерения электропроводности специальных сплавов, самым современным рентгеновским дифрактометром финской фирмы Stresstech.

3. НИЛ проектирования и инженерного анализа с современными про граммными продуктами.

4. НИЛ «Высокоточная сборка и монтаж конструкций и сооружений», ос нащена лазерной координатно-измерительной системой «API Tracker3 40m».

5. НИЛ «Исследовательская лаборатория по прогрессивным методам формообразования в заготовительно-штамповочном производстве» с лабора торным комплексом сверхпластичного формования фирмы АСВ Loire FSP.

На оборудование этих лабораторий предусмотрено выделить более 250, млн рублей по программе развития НИУ и из субсидии на реализацию совмест ного проекта по комплексу высокоэффективных технологий проектирования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолета МС-21, выполняемого в рамках Постановления Правительства РФ.

Организуемая в НИ ИрГТУ научно-исследовательская инфраструктура ориентирована на создание передовых технологий и внедрение инноваций на авиастроительных предприятиях и предприятиях смежных отраслей, должна выполнять функции отраслевых НИИ и в значительной степени заменить их.

Уже сегодня к выполнению проектов привлечены как отечественные ведущие организации, так и известные зарубежные фирмы из Канады, Швеции, Финлян дии, Франции и Германии.

Не менее важной задачей, решаемой в рамках проекта, является повыше ние научно-технического потенциала Университета и Корпорации. Для выпол нения проекта организован творческий коллектив из числа сотрудников НИ ИрГТУ, ОАО «Корпорация «Иркут» и ОАО «НИАТ», в который вошли 5 док торов, 19 кандидатов наук, а также более 20 молодых учных, студентов и ас пирантов. Всего к выполнению 16 тем проекта привлечено 88 сотрудников, в том числе – семь лучших выпускников института авиамашиностроения и транспорта 2011 года, обучающихся в настоящее время в аспирантуре.

Такая совместная деятельность в области подготовки кадров на основе проводимых исследований способствует успешному развитию, как высшего учебного заведения, так и ведущего предприятия реального сектора экономики, является результатом плодотворной работы и высоких достижений на благо ре гиона и страны.

УДК 65.051.13;

004. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЯ АТ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗАДАННЫХ КРИТЕРИЕВ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ Р.Х.Ахатов, А.С.Говорков Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет Рассматривается математическое представление объектов производственной среды и взаи модействия отдельных конструктивных элементов в конструкции изделий при анализе тех нологичности.

Ил. 4. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: изделие;

модель;

технологичность;

конструктивный элемент.

Отработка конструкции изделий на технологичность [1] является одной из важнейших функций технологической подготовки производства и входит в общее понятие подготовки производства. Процесс подготовки производства представляет собой особый вид деятельности, совмещающий выработку науч но-технической информации с превращением е в материальный объект – но вую продукцию [2].

Проблеме создания системы и механизмов управления технологичностью конструкции изделия (ТКИ) сегодня уделяется недостаточно внимания, хотя она является весьма актуальной и требует серьезной методической и теоретиче ской проработки, так как в случае успешного решения позволяет повысить кон курентоспособность производимых изделий. Комплексный характер этой про блемы предопределяет необходимость разработки структуры и содержания эф фективной системы управления процессами отработки изделий на технологич ность.

На Иркутском авиационном заводе – филиале ОАО «Корпорация «Ир кут» в качестве основного элемента конструкции изделия, определяющего его конструктивные и технологические свойства, используется конструктивный элемент (КЭ). КЭ – это параметризуемый элемент формы конструкции изделия с некоторым родовым именем в составе принятого классификатора, формируе мого с учетом состава признаков, существенных для проектировщика. Приме рами КЭ могут служить отверстия, пазы, отбортовки, рифты, борты и т.п. Соб ственно «борт» это и есть классификационный объект для проектировщика, а его параметрами служат положение, высота, толщина, наличие или отсутствие подсечек, свойства поверхности. С точки зрения обеспечения производствен ной технологичности существенными будут параметры конструктивного эле мента, влияющие на выбор технологического процесса для его изготовления (борт прямолинейный или по теоретической поверхности, переменной высоты или постоянный, имеется подсечка или нет и т.д.).

Общая концепция проектирования изделий АТ с обеспечением заданных критериев технологичности представлена на рис. 1. Предполагается разработка системы анализа ТКИ, состоящей из нескольких независимых модулей, при этом выходные данные каждого модуля являются исходными данными для сле дующего.

Рис. 1. Концепция проектирования изделий АТ с обеспечением технологичности изделия Представление модели изделия на основе КЭ выполнялось и ранее [2].

Деталь рассматривается как структура, состоящая из множества элементов.

Различаются элементы основной формы детали и элементы, находящиеся в от ношении наложения к элементам основной формы. Элементы основной формы детали – поверхности: цилиндрические, конические, криволинейные поверхно сти вращения, торцы. Поверхности могут быть внутренними и наружными.

Элементы наложения составляют фаски, лыски, резьбы, дополнительные отвер стия, карманы, выступы, покрытия и термическая обработка детали.

В условиях сопровождения КЭ в информационной среде системы геомет рического моделирования появляется возможность автоматического выявления параметров КЭ и описания условий взаимосвязи между ними.

Алгоритм формирования списка КЭ на основе конструктивного элек тронного макета (КЭМ) представлен на рис. 2. Рассматриваемый алгоритм ил люстрируется на примере моделей, созданных в системе NX 7.5 (Siemens PLM Software), хотя может быть применим для других систем геометрического мо делирования.

Рассмотрим подробнее схему формирования списка КЭ с параметрами.

Исходный объект – эскизное представление изделия. Согласно схеме существу ет три пути получения списка КЭ, из которых состоит деталь:

На основе КЭМ изделия, полученного с помощью библиотеки КЭ 1) UDF (User Define Feature – элемент, задаваемый пользователем), при этом спи сок КЭ с формализованными параметрами явно отражается в навигаторе детали в системе NX.

На основе КЭМ изделия, полученного с помощью построения 2) обычными примитивами и операциями в системах трехмерного моделирования, при этом точно описывающими требуемое геометрическое представление изде лия. Для получения списка КЭ с формализованными параметрами необходимо назначить дискретные точки этих элементов с заданными параметрами. Сфор мированные данные представляют собой промежуточные файлы типа *.xls или *.exp.

На основе базы данных (БД) КЭ, при этом список КЭ формирует 3) конструктор без предварительного построения КЭМ изделия, а только на осно ве эскизного описания проектируемого изделия.

Рис. 2. Схема формирования списка КЭ с параметрами на основе КЭМ изделия или его семантического описания Технологические элементы изделия, такие как шероховатость поверхно сти, покрытие, припуски и другие, могут быть добавлены в обычное геометри ческое представление. Важной особенностью такого представления является то, что собственное геометрическое описание конструктивного элемента задается во внешней среде по отношению к модели изделия и может изменяться из этой внешней среды, модифицируя, таким образом, модель изделия. Достоинством такого представления является императивное использование в конструкции элементов, технологичных с точки зрения изготовления на производстве, по возможностям которого генерировалась библиотека элементов.

Формирование данных для оценки технологичности изделий осуществля лось на основе полученных от производственных подразделений списков фор мализованных критериев оценки технологичности для листовых, профильных и монолитных изделий.

В основе формализации процедур оценки ТКИ при проектировании изде лий авиационной техники целесообразно опираться на следующие принципы:

конструктивные компоненты деталей и сборочных единиц классифи цируются, и для каждого конструктивного элемента классификатора формиру ются параметризованные электронные макеты;

каждый конструктивный элемент анализируется на предмет выявления всех объектов технологической системы, оказывающих влияние на показатели ТКИ (технологические процессы, средства технологического оснащения, обо рудование, инструмент и др.);

для каждого конструктивного элемента выявляется основной критерий технологичности для решения задачи оптимизации выбора конструктивных па раметров проектируемого изделия;

все параметры изделия ранжируются по степени влияния на критерий ТКИ, принятый в качестве целевого;

формализация процедур выявления степени соответствия рекомендуе мых значений параметров проектируемой конструкции фактически произво дится на основе автоматического считывания действительных значений пара метров конструкции из разрабатываемого КЭМ изделия. Знак и величина рас хождения фактических и рекомендуемых значений параметров определяют численное значение ТКИ. Полученные оценочные значения для всех парамет ров конструкции анализируются с учетом значимости каждого параметра.

На первом этапе необходимо определить варианты изготовления каждого КЭ в изделии по имеющимся технологиям на предприятии. Общий алгоритм формирования конструктивных решений изготовления изделия представлен на рис. 3.

Последовательность действий следующая:

для каждого КЭ в изделии определяется в БД технологическая опе 1) рация его изготовления;

на первом этапе – несколько вариантов, а потом воз можно уменьшение вариантов до одного;

на основе двух факторов – КЭ и ТО в БД СТО определяются взаим 2) но соответствующие средства технологического оснащения, имеющиеся на производстве;

на основе трех составляющих – КЭ, ТО и СТО в БД оборудования 3) определяется имеющееся на предприятии технологическое оборудование для изготовления данного КЭ.

Рис. 3. Дерево конструктивных решений изготовления изделия При этом для каждого найденного элемента фиксируются (запоминаются в рабочей памяти) конкретные значения показателей технологичности. В итоге формируются вариативные информационные области КР для анализируемого изделия.

Программная оболочка экспертной системы представляет собой про грамму для управления совокупностью файлов реляционных баз данных и име ет многооконный режим (рис.4).

Модуль Модуль Модуль Модуль Модуль «Конструктивный «Конструктивные «База «База «Технологичность»

элемент» решения» данных» знаний»

Строка подсказки Рис. 4. Общий вид программной оболочки Таким образом, использование предложенной методики для оценки изде лий АТ на технологичность открывает возможность подготовки грамотных конструкторов, способных учитывать технологические требования в процессе проектирования изделий на основе конкретных производственных условий.

Методология объектно-ориентированного анализа в применении к данной задаче может служить теоретической основой для создания самостоятельных систем, в которых проектирование конструкции изделия и е технологии ведет ся в единой среде – файле проекта обеспечения ТКИ, что позволяет проектиро вать конструкции, изначально удовлетворяющие требованиям конкретного производства, и сводить к минимуму затраты времени на отработку на техноло гичность проектируемых конструкций.

Для построения подсистемы обеспечения ТКИ обоснована целесообраз ность использования экспертных компонентов, основанных на знаниях.

Разработаны автоматизированные процедуры формализованной оценки технологичности конструктивных элементов деталей авиационной техники, ба зирующиеся на использовании предлагаемой методики комплексной оценки ТКИ и принципах построения экспертных систем.

Предложена структура программной оболочки ЭС обеспечения ТКИ, удовлетворяющая принципам построения САПР и позволяющая повысить эф фективность отработки изделий на технологичность в условиях применения современных CAD/CAM/CAE-систем.

Библиографический список 1. Технологичность конструкции изделий. Термины и определения: ГОСТ 14.205-83. – Взамен ГОСТ 18831-73;

введ. 01.07.83.

2. Горанский Г.К. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении. М.: Машиностроение, 1976. 240 c.

УДК 621.7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С.А.Осипов, А.М.Токарев, Е.И.Унагаев, Л.А.Колмогорцева, А.В.Колесников, С.А.Берсенев Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет Широкие возможности современной вычислительной техники и программных комплексов позволяют с большой точностью выполнять моделирование различных технологических процессов. В статье приведено несколько примеров таких процессов. Приведены также ре зультаты моделирования процесса литья в программном комплексе ProCAST, результаты моделирования процесса штамповки в программном комплексе QForm, а также результаты моделирования процессов сварки и термообработки в программном комплексе SYSWELD.

Показано, что применение моделирования в специализированных программных комплексах снижает трудомкость разработки технологических процессов и повышает эффективность производства.

Ил. 10.

Ключевые слова: моделирование;

лить;

штамповка;

сварка, термообработка.

В настоящее время спектр программных комплексов виртуального моде лирования и инженерного анализа существенно расширился. Разработчики со вершенствуют данные системы для решения все более сложных задач, напри мер, нелинейных, многофакторных и многокритериальных динамических про цессов для многофазных сред.

Для решения этих задач нашли применение универсальные САЕ-системы, так называемого, «тяжелого» класса (MSC Marс, ANSYS и др.), с помощью ко торых проектируются конструкции л.а., технологическая оснастка различного назначения, для прочностных и деформационных расчетов. При этом использо вание для решения различных технологических задач «тяжелых» САЕ систем проблематично из-за высоких ресурсных требований к программно-аппарат ному комплексу, необходимости высокой квалификации и специальных знаний пользователя, сложности и длительности настройки таких систем под конкрет ную задачу.

Принимая во внимание вышеизложенные факторы, в реальных производ ственных условиях целесообразно применять специализированные прикладные САЕ-системы, предназначенные для моделирования и инженерного анализа конкретных групп технологических методов и процессов, которые содержат специализированные математические модели и базы данных по соответствую щим технологическим параметрам. К таким системам можно отнести:

ProCAST;

QForm 2D/3D;

PamSTAMP;

S3F;

SYSWELD и др.

Моделирование процессов литья. Моделирование выполнено с помо щью программного комплекса ProCAST французской компании ESI Group, ко торый реализует метод конечных элементов (МКЭ). Комплекс позволяет моде лировать практически все основные методы литья, применяемые в промышлен ности.

Геометрическое моделирование отливки для изготовления детали «кор пус» из сплава АМ4.5Кд (ВАЛ-10) с литниковой системой и литейной формы выполнено универсальными программными комплексами (рис. 1).

Кроме базы стандартных характеристик материалов ProCAST содержит также уникальную базу данных термодинамических характеристик материалов, которая позволяет пользователю по введенному химическому составу сплава рассчитать все необходимые теплофизические и часть механических свойств сплава.

ProCAST моделирует все основные явления, происходящие при литье (рис. 2). Кроме того, программный комплекс позволяет провести совместный расчет гидродинамики, кристаллизации и напряжнного состояния. При этом определяются возникающие напряжения, что важно при ранней кристаллиза ции сплава в форме для получения более точных результатов моделирования.

Кроме того, возможно моделирование теплового удара, действующего на осна стку при заполнении формы, а также процесса формирования воздушного зазо ра между отливкой и формой во время кристаллизации.

При расчете напряженно-деформированного состояния отливки в ProCAST могут быть также получены следующие результаты:

деформации отливки и формы (упругие и пластические);

перемещения;

уровень усталостных характеристик металлической оснастки;

горячие трещины.

Одним из серьзных видов брака при литье является пористость отливки.

Программный комплекс ProCAST позволяет определять наиболее вероятное положение пор в отливаемом изделии. Так, моделирование процесса литья кронштейна из стали ВНЛ-3 (рис. 3) в форму, изготовленную по выплавляемым моделям и нагретую до температуры 850±50оС, при температуре заливаемого сплава 1530±10оС показало высокую вероятность образования пор в колене и длинной части детали. Опыт показывает, что данный дефект имеет место и при изготовлении реальных деталей.

а) б) в) Рис. 1. КЭМ объектов для моделирования процесса литья: а – КЭМ детали «Корпус»;

б – КЭМ отливки с литниковой системой;

в – КЭМ литейной формы а) б) Рисунок 218. Отображение усадочной пористости и усадочных раковин Рис. 2. Результаты моделирования:

а – отображение усадочной пористости и усадочных раковин;

б – индикатор горячих трещин а) б) Рис. 3. Моделирование процесса литья: а – КЭМ кронштейна;

б – отливка с литниковой системой В качестве варианта решения этой технологической проблемы было ре комендовано изменить положение отливки относительно литниковой системы.

Моделирование показало, что при новом положении отливки становится воз можным устранить наблюдающийся технологический дефект (рис.4).

а) б) Рисунок 279 – Отображение усадочной микропористости 2% Рис. 4. Устранение пористости отливки:

а – исходная конструкция отливки;

б – улучшенная конструкция отливки Стоит также отметить, что с помощью данного программного средства можно оценить реальные коробления отливки, определить воздушный зазор между отливкой и формой, учесть взаимное влияние отливки и формы.

Таким образом, возможности рассмотренной программы позволяют смо делировать основные технологические методы литья, применяемые в реальном производстве, и оценить качество получаемых отливок.

Моделирование процесса объемной штамповки. Программный ком плекс QForm 2D/3D, разработанный российской компанией «КванторФорм»

(QUANTOR), позволяет моделировать течение металлов в сложных штампах практически на любом прессовом оборудовании: кривошипном прессе, молоте, гидравлическом и винтовом прессах.

QForm позволяет моделировать следующие технологические методы об работки давлением:

объемную штамповку в горячем и холодном состоянии;

ковку;

прессование труб и профилей;

волочение;

сортовую и поперечно-винтовую прокатку;

вальцовку;

электровысадку.

Геометрические модели заготовок и инструмента могут быть импортиро ваны в программу QForm из любого CAD-пакета через стандартные форматы обмена (рис. 5).

а) б) в) Рис. 5. Геометрические модели детали, заготовки и штампа:

а – КЭМ детали из титанового сплава «ВТ3-1»;

б – КЭМ заготовки из полуфабриката круг В-35, ГОСТ 2590-88;

в – КЭМ штампа с заготовкой В программе QFORM реализована автоматическая генерация конечно элементной сетки с криволинейными элементами, описываемыми поверхно стями, либо кривыми второго порядка, что позволяет достаточно адекватно описывать геометрию заготовок и инструмента.

Моделирование показало, что произошло полное заполнение штампа (рис.6,а). Это наблюдается в реализуемом на предприятии технологическом процессе. Образование складок (отмеченных красным цветом) произошло в зо не облоя. По данному технологическому процессу более 50% материала заго товки уходит в облой. Следовательно, требуется оптимизировать процесс штамповки для улучшения коэффициента использования материала (КИМ).

Варьируя размерами заготовки, можно добиться изготовления штамповки с ми нимальным объемом облоя при полном заполнении гравюры. Оптимальной за готовкой оказалась заготовка уменьшенной длины. В результате моделирова ния удалось улучшить КИМ на 8,9% без изменения качества изделия (рис. 6,б).

а) б) Рис. 6. Штамповка угольника: а – исходной заготовки;

б – оптимизированной заготовки В программе QFORM моделируются распределение температуры, дефор маций, напряжений в поковке и инструменте, усилие для осуществления про цесса деформации, а также форма волокон в поковке, что важно для контроля качества изделия. Процесс моделирования дат возможность определять сило вые и температурные характеристики на любой стадии штамповки (рис. 7).

Анализ усилия штамповки и затрат энергии позволяет подбирать оптимальное оборудование.

а) б) в) Рис. 7. Характеристики, определимые в QForm2D/3D:

а – распередение температуры;

б – распределение деформаций;

в – распределение интенсивности напряжений В программном комплексе «QForm» существует возможность моделиро вания напряженно-деформированного состояния цельного и составного инст рументов под воздействием контактных напряжений, возникающих при дефор мировании заготовки, а также определения параметров для проектирования ин струмента, таких как износ, смещение, изменение объема и инвертированный контур.

Таким образом, применение рассматриваемого программного комплекса позволяет уменьшить время и стоимость проектирования технологии изготов ления, обеспечить высокое качество продукции, снизить расход металла, уве личить долговечность штамповой оснастки.

Моделирование процессов термообработки. Для моделирования тер мической обработки металлов и сплавов применена система компьютерного 3D моделирования процессов сварки и термообработки SYSWELD французской компании ESI Group. С помощью программы SYSWELD можно моделировать следующие процессы термообработки: сквозную закалку;

поверхностную за калку;

закалку с последующим отжигом;

отпуск;

закалку на аустенит;

цемента цию;

азотирование;

нитроцементацию;

цианирование. При этом программа мо делирует все основные физические эффекты, связанные с термической обра боткой и сваркой.

Исходная геометрическая модель детали «Пружина», изготовленная из полунагартованного листа элинварного сплава 36НХТЮ-ПН, импортируется из специализированных универсальных программ (рис. 8).

Рис. 8. КЭМ детали «Пружина»

При моделировании процессов термической обработки решающую роль играют модели свойств материалов, которые нелинейны и сильно зависят от температуры и фазового состава сплава. Некорректное их задание приводит к большим расхождениям при расчете. Поэтому в программе особое внимание уделяется корректному моделированию свойств материалов, которые задаются в форме сложных диаграмм, некоторые показаны на рис. 9. При этом набор не обходимых данных о материале будет зависеть от вносимого в базу материала и задачи моделирования.

а) б) Рисунок 303 – Диаграмма теплопроводности разных фаз при разной – Диаграмма плотности термообрабатываемой стали.

Рисунок Kg/mm3 – плотность фаз стали.

Рис. 9. Характеристики материала, задаваемые в форме диаграмм:

температуре.

а – диаграмма теплопроводности;

б – диаграмма плотности фаз материала Кроме физико-механических, металлургических и термических характе ристик термообрабатываемых материалов в базе программного комплекса со держится большой набор закалочных сред: масла разных типов, вода, воздух, соли, полимерные закалочные жидкости.

Для рассматриваемой детали (см.рис. 8) существующий технологический процесс выполняется в три этапа: нагрев в печи до 660 оС, выдержка при этой температуре в течение 2-х часов и охлаждение на воздухе.

Результатом моделирования является получение следующих параметров, возникающих в процессе термообработки: напряжения;

остаточные напряже ния;

распределение фаз в %;

проценты содержания химических элементов;

температурные поля;

эпюра распределения предела текучести;

распределение твердости;

компоненты тензора деформации;

коробление обрабатываемого объекта.

Анализ результатов моделирования показывет, что детали, обработанные по существующему технологическому процессу, отличаются нестабильностью полученных механических свойств – твердостью.

Было предложено рассмотреть другой вид термической обработки – ис кусственное старение, который может устранить физическую неоднородность, созданную предшествующей операцией обработки.

Вычисленные характеристики детали, обрабатываемой по новому режиму (рис. 10), показывают, что степень неравномерности твердости по детали суще ственно уменьшилась.

г) а) б) Рисунок 328 - Изменение полей напряжений: а – напряжения время 331 – Твердость по шкале Викерса, время 14400 с.

Рисунок Рис. 10. Рассчитанные характеристики с;

г - процесса обработки и изделия:

с;

б – напряжения нагрева время 5200 с;

в - напряжения время напряжения время – поля напряжений (через 14400 с);

а 14400 с.

б – распределение твердости по Виккерсу Результаты моделирования процесса позволяют сделать вывод о том, что программа SYSWELD способна выполнять задачи по моделированию процес сов термообработки деталей авиамашиностроения. Следует также отметить, что программный комплекс SYSWELD позволяет моделировать процессы сварки.

Таким образом, моделирование процессов обработки, связанных с их анализом с помощью компьютера, а не как обычно в цехе методом «проб и ошибок», позволяет конструкторам и технологам находить наиболее рацио нальные конструкции деталей и технологические методы обработки, опреде ляющие содержание технологических процессов. При этом существенно со кращается время на принятие рационального решения при уменьшении затрат на отработку технологического процесса.

Для дальнейшего освоения специализированных «прикладных» САЕ систем в реальных производственных условиях требуется комплексное реше ние ряда задач:

– определение мест применения САЕ-систем в организационной цепочке процессов технологической подготовки производства «отделы главных специа листов – технологические отделы – отделы проектирования оснастки» и кон кретизации задач их использования;

– дальнейшее освоение САЕ-систем для моделирования конкретных тех процессов в целях накопления, систематизации и анализа информации по «гра ницам» их применимости при решении технологических задач и проектирова нии оснастки с постановкой детальных натурных экспериментов;

– наполнение баз данных конструктивных и технологических свойств ма териалов САЕ-систем путем проведения лабораторных исследований.

USING OF MANUFACTURING VIRTUAL NUMERICAL SIMULATION AS THE TECHNICAL SUPPORT FOR AIRPLANE INDUSTRIAL SECTOR Marek Slovek, MECAS ESI ESI Group as a pioneer in development of software for virtual prototype tests develops a unique global solution called “Virtual Try-Out-Space“ (VTOS) – a virtual testing space. This medium enables continuous improvement of a product during engineering design, prototype manufacture and production. It will enable computer simulation of real behaviour of many physical and mechan ical phenomena. This complex solution replaces expensive physical prototypes with a computer model of physical reality. ESI Group uses the latest knowledge of material science with the aim of replacing slow tests and detecting defects in real prototypes. In the field of technological processes the firm offers simulations of casting, forming, welding and heat treatment processes.

Keywords: Casting, welding, heat treatment, forging, numerical analysis, ProCAST, SYSWELD, PAM ASSEMBLY, SYSTUS.

1. INTRODUCTION Casting, welding and heat treatment as modern, highly efficient production technologies found their position in almost all industries. At the same time the re quirements regarding on the manufacturing quality is growing in all production areas.

Great demand on the manufacturing quality causes more experiments – so called – validations that take place before the manufacturing of final product. One of the pur poses of these experiments is to define an appropriate manufacturing technology.

These experiments naturally make production more expensive. Numerical simulation of manufacturing processes supported by experimental measurements can simulate the actual processes very close to reality. Based on the analysis results it is possible to optimize the manufacturing processes and technologies and at the same time to re ceive detailed information about the construction’s reactions during the whole pro duction process. Numerical simulations are very useful and powerful tools during production preparation. They are flexible because of the technology process changes are concerned. Moreover, they reduce a quantity of experimental tests, manufacturing faults and possible repairs and consequently make the production less expensive and of a higher quality.

Unfortunately despite of ESI Group is very active in aircraft industry (BOING, AIRBUS, Rolls-Royce, NAMTEC, EMA etc.), all technical projects are strictly con fidential and cannot be presented. Due to this fact paper contains some case studies from another industrial area which is close to aero industry.

All presented numerical simulations were done by ESI Group products: Pro CAST (casting numerical simulation), SYSWELD (welding and heat treatment nu merical simulation) and PAM ASSEMBLY (welding numerical simulation).

MECAS ESI Company is working in research area of new numerical material model preparation and material data measurements. MECAS ESI Company is coope rating with several universities, research material centre and technology institutes to measure material input data for numerical simulations and also to develop and vali date new material models and new material solution. Now, MECAS ESI Company is focused on preparation of new numerical material model for modern energetic steels and Al alloys including material measurements. In 2012 year MECAS ESI would like to start investigation also for numerical material model for Ti alloys (but in area Ti alloys MECAS ESI has to find some partner from industrial sector).

All material models are prepared based on the coupon test examples with max imal number of measurements. During test coupon experiments the following para meters are measured:

Temperature cycle – by thermocouples 1.

2. Distortion Residual stresses – by hole drilling method, by magnetoelastic method 3.

(based on Barkhausen noise) or by X-ray method 4. Hardness measurements 5. Material measurements 6. Material structure investigation First, new numerical material models are prepared. The coupon test examples are numerically simulated. Based on comparison between calculated and measured results the numerical material models are modified to achieve good agreement be tween measurements and calculations.

2. CASTING (EMA success story) Europea Microfusioni Aerospaziali (EMA), located in Italy, is a world class investment casting foundry for the production of components dedicated to civil and defence aerospace, marine and energy industries. The company is qualified to pro duce super alloys components, using the equiaxed, directional solidification and sin gle crystal technologies. EMA is owned by Rolls-Royce. The company has inherited a prestigious tradition of production and research from her mother company. This know-how has guided EMA to develop and refine innovative and industrially ad vanced methods.

Thanks to the development of dedicated techniques over the last two decades, investment casting modelling with ESI’s software has become reliable and efficient to optimize safety components such as turbine blades for jet engines. The solution in cludes dedicated super alloy material databases and ceramics characterization allow ing very accurate predictions. The study presented here refers to a stator type Nozzle Guide Vane (NG V) with three airfoils including cores. ESI’s software was used to carry out a DoE (Design of Experiments) with several independent variables covering about 103 feasibility hypotheses. This work led to the automatic run of about thirty models, in batch mode (command line programming) as shown in figure 2.1, where some of the variables are described.

Figure 2.1 Solidification time The preheating phase includes preliminary heating of the shell before metal pouring. This stage is important as it significantly affects the final part integrity.

Thus, preheating temperature and heat transfer losses are fundamental, and undergo the DoE parameter level. The former is the temperature reached by the shell at the end of the pre-heating cycle;

the latter is the elapsed time from the time the shell is taken out from the pre-heating furnace to the time the pouring phase starts. Figure 2. shows, in particular, the thermal field of the shell with a sliced view of the critical areas such as the LE (leading edge), the TE (trailing edge), and the core.

Figure 2.2 Isotherms view just before the pouring starts The pouring phase is the next important step in the investment casting process.

The velocity profile, pouring angle and pouring time will influence the quality of the component (shrinkage porosity, local grain size, etc.). Typically in a modelled DoE, it is important to take into account the thermal and fluid dynamics profiles, as well as the solid fraction and thermal flow during pouring. The filling phase is particularly important for equiaxed components (grain formation) compared with Directional So lidified (DSX) ones. The filling phase is therefore always subject to a DoE study, at least for a couple of the above-mentioned parameters.


The study of the solidification phase concludes the DoE analysis. In general, the cooling rates, the local solidification times and the shrinkage porosity prediction are analyzed. However, advanced metallurgical analysis such as grain structure or freckle prediction (SX) are also possible and will determine more directly the integri ty and the specifications of the as-cast part.

The general aim of the DoE analysis is to achieve a Pareto optimality i.e. con dition in which any change to a dependant variable, such as porosity, is impossible without adversely affecting the performance of another variable, such as grain struc ture for instance.

To fulfill this, the two following conditions must be met:

1) Pareto optimal solutions must be identified (e.g. maximizing performance only as regards porosity), 2) The process must be stable (design robustness).

Modelling casting processes is a very complex task in terms of testing domain:

it may well be regulated by over one hundred variables. The advantage of using an optimization tool is straightforward. The tool helps find the optimal process parame ters as well as evaluate the risk of possible casting rejections due to random fluctua tions in the process.

Figure 2.3 Temperature contours and fraction of solid Figure 2.4 Final shrinkage porosity prediction resulting in a sound part as critical porosity re mains in the risering system 3. WELDING Welding is very wide used manufacturing technology and also welding is used as repair technology. Welding technology causes non homogenous material structure with different material phases. Big temperature gradient causes high local residual stresses and plastic deformation and also construction distortion. The high tensile re sidual stresses decrease life time of weld joints and surroundings. The weld joints are also crucial area for crack initiation and propagation and for brittle cracking.

There is possible to prepare also special 3 generation coupling numerical ana lyses where is coupling between different numerical simulations. The first is numeri cal analysis of manufacturing process as welding (SYSWELD program) including with post weld heat treatment (SYSWELD program). After it there is possible to make numerical simulation of nominal working condition regime (SYSTUS program - ESI product for multiphysics analysis) including results from welding and heat treatment analyses (as residual stresses, plastic deformation and different material quality of material structures) with life time prediction or fracture mechanics assess ment. The results as residual stresses, plastic deformation and different material quality of material structures are transferred from SYSWELD program to SYSTUS program.

Another type of 3G coupling welding analyse is repair welding. In case that there is a crack detected on construction, the first is assessment of critical crack size and possible crack propagation based on the SYSTUS fracture mechanics module.

Based on the calculated results there will be made a decision if construction can be used with crack or repair has to be done. In case that repair has to be done the weld ing repair technology can be proposed and validated by numerical analysis by SYS WELD solution.

MECAS ESI made a project for Rolls-Royce about welding part of airplane engine with Ti alloys. The project coupled 3D analyses between laser and electron beam welding technology, cutting, pressing again welding and after it there was done life time prediction. Unfortunately, again this project was strictly confidential and cannot be presented.

3.1. Car wheel welding The main aim of the project was determine distortion after welding of car wheel for several variant. The project was done by SYSWELD program with coop eration IAM Brno and Hayes Lemmerz companies. There were the following objectives of the technical project:

1. Distortion prediction, circularity and flatness prediction 2. Residual stress prediction 3. Material structure prediction (phases) 4. Comparison of technology variants Car wheels are welded from steel S355J2G without post weld heat treatment.

Three technology variants were simulated with different number of weld joints and length of weld joints.

The temperature field during welding are shown in fig. 3.1.1 and 3.1.2. Final residual stress is shown in fig. 3.1.3.

Distortions of each variant are shown in fig. 3.1.4, 3.1.5 and 3.1.6. The variant 3 has got the smallest distortion and keeps the circularity shape.

Fig. 3.1.1. Temperature field during welding Fig. 3.1.2. Temperature field during cooling Fig. 3.1.3. Equivalent residual MISE stress after welding process Fig. 3.1.4. Distortion after welding, technology variant Fig. 3.1.5. Distortion after welding, technology variant Fig. 3.1.6. Distortion after welding, technology variant 4. HEAT TREATMENT Heat treatment and especially quenching causes distortion and sometimes cracking of quenched part. To eliminate these undesired side effects the whole circle of heat treatment is simulated by FEM ( SYSWELD Code), which makes possible a complete metallurgical, thermal and thermoplastic calculation. The goal of this simu lation is to bring the whole cycle of heat treatment to optimum - to reach the lowest level of residual stresses possible at its end and to meet the mechanical qualities re quired by the customer.

Heat treatment consists of quenching (in water, air, oil, polymer or special me dium), tempering and ageing. It is also possible to simulate by SYSWELD code the laser, electro-induction or plasma surface heat treatment.

The whole simulation was divided into two parts. The aim of the first part was to find correct input data for calculation. On the simple models were done validations of material data, set up heat transfer coefficient based on special quench test and measurements by thermocouples etc. The second part consisted of heat treatment si mulation of real models. The whole calculation was held according to a pre-set ther mal cycle which was at the same time corrected according to calculated distribution of local temperatures and stress within the model in order to reach the lowest level of stress possible after heat treatment. The resulting stress calculated on real models was compared to measurement of residual stresses by hole drilling method.

MECAS ESI Company is working in area of heat treatment on material data base preparation including material measurements for new materials, for heat transfer coefficient measurements for different types of media (based on the quench test) and residual stresses measurements after heat treatment technology.

MECAS ESI Company is also oriented on developing using of SYSWELD programme for induction of quenching application as coupling with electromagnetic analysis with influence of inductor consideration (now mainly as axis-symmetric task).

4.1. Car wheel heat treatment The project was done by SYSWELD program with cooperation IAM Brno and Hayes Lemmerz companies.

There were the following objectives of the technical project:

5. Distortion prediction 6. Residual stress prediction 7. Residual stress comparison between measurements and calculation 8. Comparison of technology variants Car wheels were manufactured by casting from Al alloy AlSi7Mg. After cast ing the heat treatment was done. The heat treatment process consisted of water quenching (water temperature was 40°C) and air cooling and ageing in furnace (fur nace temperature was150°C). The quenching was started when car wheel temperature was 490°C.

First, the heat transfer coefficient to water was found by quench test. Measured curves are shown in fig.4.1.1. Quench test is done according to the following prin ciple: special testing sensor is heat up to quenching temperature and then is quenched in quenching medium. The temperature cycle and cooling velocity is measured. The same test is done by numerical analysis. The aim of numerical analysis is to find ap propriate heat transfer coefficient to achieve agreement between measured and calcu lated parameters.

Fig.4.1.1 Measured parameters Fig.4.1.2 Calculated parameters The computational model was done as 3D. Two variants were solved (different car wheel position during quenching process).

The temperature fields during quenching process are shown in fig.4.1.3.and 4.1.4.

Fig. 4.1.3 Temperature fields during quenching, Variant 1, time 2.6 s Fig. 4.1.4 Temperature fields during quenching, Variant 2, time 1.4 s The equivalent MISES residual stress fields after quenching and ageing process are shown in fig.4.1.5.and 4.1.6.

Fig. 4.1.5 The equivalent MISES residual stress fields after quenching and ageing process, Va riant 1. Maximal stress is 84 MPa Fig. 4.1.6 The equivalent MISE residual stress fields after quenching and ageing process, Va riant 2. Maximal stress is 114 MPa The distortion fields after quenching and ageing process are shown in fig.4.1.7.and 4.1.8.

Fig. 4.1.7 The vertical distortion fields after quenching and ageing process, Variant 1. Maximal vertical distortion is 2.69 mm Fig. 4.1.8 The vertical distortion fields after quenching and ageing process, Variant 2. Maximal vertical distortion is 2.62 mm The residual stresses measurements by hole drilling method were done, fig.

4.1.9. The comparison between calculated and measured residual stresses is presented in table 4.1.1.

Fig. 4.1.9 Residual stress measurements by hole drilling method Table 4.1. Residual stress comparison Variant 1A Variant 2A Variant 1B Variant 2B Depth [mm] 0,2 1 0,2 1 0,2 1 0,2 Measured [MPa] 53 20 49 25 60 19 80 Calculated [MPa] 76 17 68 23 75 15 85 5. CONCLUSION The main aim of the industry is cost reduction with increasing product quality.


The very detailed knowledge about the process and product is needed to meet the customer requirements. The numerical simulations of the manufacturing process are very modern and productive tool. The recent rapid progress in modeling techniques provides researchers and engineers with more information to achieve a better under standing of the process parameters of the proposed technology and used material. The results can be used as one of the basis during the proposal of a new product, new technology validation or optimization of current manufacturing technology and the lifetime prediction of the welded components.

УДК 621.7. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА СЛУЖБЕ АВИАЦИОННОГО СЕКТОРА ПРОМЫШЛЕННОСТИ Marek Slovacek, Mecas ESI Перевод автора Компания ESI Group, являясь пионером в области развития программного обеспечения для виртуального моделирования испытаний, разработала уникальное решение под названием «Virtual Try-Out-Space» (VTOS) – виртуальное пространство для испытаний. Созданное ре шение позволяет непрерывно совершенствовать изделие на стадиях проектирования, испы таний и производства. Оно делает возможным компьютерное моделирование множества фи зических и механических явлений, а также замену дорогостоящих физических прототипов моделью. ESI GROUP использует современные достижения материаловедения для реализа ции замены времязатратных испытаний и обнаружения дефектов в реальных образцах. В об ласти технологических процессов компания предлагает решения для выполнения моделиро вания процессов литья, обработки металлов давлением, сварки и термообработки.

Ил. 15. Табл. 1.

Ключевые слова: литье;

сварка;

термообработка;

штамповка;

численный анализ;

ProCAST;

SYSWELD;

PAM ASSEMBLY;

SYSTUS.

1. Введение. Литье, сварка и термообработка нашли применение практи чески во всех отраслях промышленности. В то же время во всех производст венных областях постоянно ужесточаются требования к качеству продукции, которые приводят к необходимости осуществления большего числа экспери ментов, проводимых до запуска производства и требующих больших производ ственных расходов. Решения для численного моделирования технологических процессов, подкрепляемых экспериментальными данными, могут выполнять моделирование реальных процессов, приближенных к действительности. С по мощью полученных результатов можно оптимизировать процессы и техноло гии, а также получать подробную информацию о характеристиках конструкции на протяжении всего производственного процесса. Численное моделирование является полезным и мощным инструментом на всех стадиях производства.

ESI Group активно работает в авиационном секторе промышленности (BOING, AIRBUS, Rolls-Royce, NAMTEC, EMA и т.д.), но, к сожалению, все выполняемые технические проекты являются строго конфиденциальными и не могут быть опубликованы. Поэтому в данной статье приведены примеры расче тов для других промышленных сегментов, связанных с авиационной промыш ленностью.

Все нижеописанные примеры моделирования были выполнены в про граммных продуктах ESI Group: ProCAST (численное моделирование литейных процессов), SYSWELD (численное моделирование процессов сварки и термо обработки) и PAM ASSEMBLY (численное моделирование процессов сварки).

2. Литье (история успеха компании Europea Microfusioni Aerospaziali).

Итальянская компания Europea Microfusioni Aerospaziali (EMA) является миро вым лидером в области производства деталей, предназначенных для граждан ской и военной аэрокосмических отраслей, литьем по выплавляемым моделям.

Компания специализируется на производстве деталей из жаропрочных сталей с использованием равноосной направленной кристаллизации и технологии моно кристаллического литья.

Благодаря разработке за последние два десятилетия специализированных модулей моделирование процесса литья по выплавляемым моделям с помощью программного обеспечения ESI стало надежным и эффективным для оптимиза ции производства ответственных деталей, например, лопастей турбин для реак тивных двигателей. Решение ESI содержит специализированные базы данных по жаропрочным сплавам и свойствам керамических оболочек, позволяя прово дить точное моделирование. В данной статье представлено исследование, ка сающееся соплового направляющего аппарата с тремя лопатками и стержнями.

Программное обеспечение ESI использовалось для выполнения планиро вания эксперимента с несколькими независимыми переменными, покрываю щими 103 возможных варианта литья по выплавляемым моделям. В результате было автоматически рассчитано около 30 моделей в пакетном режиме (рис.2.1).

Рис. 2.1. Время кристаллизации Фаза предварительного нагрева заключается в нагреве оболочки перед за ливкой металла. Эта стадия серьезно влияет на конечную чистоту поверхности.

Два важных параметра здесь – это температура оболочки в конце нагрева и промежуток времени от момента извлечения оболочки из нагревательной печи до начала разливки металла. В частности, на рис.2.2 показано температурное поле оболочки с сечением в критических областях (верхняя поверхность LE, нижняя поверхность TE и центр).

Рис. 2.2. Распределение изотерм в форме перед заливкой Стадия заливки – следующий важный шаг в процессе литья. Поле скоро стей, угол заливки и время заливки влияют на качество деталей (усадочная по ристость, размер зерна и т.д.). Как правило, при планировании эксперимента в программном обеспечении важно учитывать данные по гидродинамике и тер модинамике, а также долю твердой фазы и тепловой поток при заливке. Стадия заполнения, как и направленная кристаллизация, важны для образования рав ноосных зерен.

Исследование стадии кристаллизации завершает анализ планирования эксперимента. В основном, анализируются расчет скорости охлаждения, время местной кристаллизации и появления усадочной пористости. При этом возмож но проведение более детального анализа, например, структуры зерна или лик вации, которые будут напрямую определять целостность отливки и соответст вие ее спецификации.

Основная цель анализа планирования эксперимента – получить опти мальность по Парето, т.е. описать условия, при которых любое изменение зави симой переменной (например, пористости) невозможно без изменения другой переменной, например, структуры зерна.

Моделирование процесса литья – очень сложная задача в условиях кон тролируемого эксперимента, который может регулироваться более чем 100 пе ременными. Преимущества от использования метода оптимизации видны сразу:

моделирование помогает найти оптимальные параметры процесса, а также оце нить риск появления брака в отливке из-за случайных изменений в технологии.

3. Сварка. Сварка как производственная технология применяется широ ко, в том числе и для ремонтных работ. Процесс сварки приводит к получению неравномерной структуры материала с наличием различных фаз. Результатом большого температурного градиента являются высокие местные остаточные напряжения, пластические деформации, а также коробление конструкций. Вы сокие растягивающие остаточные напряжения снижают срок эксплуатации сварных соединений и прилегающих областей. К тому же сварные швы являют ся критической областью для появления и распространения трещин.

Помимо программ для моделирования отдельных технологических про цессов компания ESI предлагает ряд продуктов для решения сопряженных за дач, в которых учитывается связь между разными процессами. Первым являет ся численный анализ процесса сварки (программа SYSWELD) и последующей термообработки (SYSWELD). После можно выполнить моделирование номи нальных условий эксплуатации (программа SYSTUS – решение ESI для муль тифизики) с учетом результатов сварки, термообработки (остаточные напряже ния, пластические деформации и разное качество структуры материала) и оце нить срок службы и возможность разрушения. Данные по остаточным напря жениям, пластическим деформациям, микроструктуре и фазовому составу пе редаются из программы SYSWELD в программу SYSTUS.

Еще одним видом сопряженного численного анализа является моделиро вание ремонтной сварки. Если в конструкции обнаруживается трещина, то вна чале производят оценку ее критического размера и возможного распростране ния с помощью модуля программного продукта SYSTUS, учитывающего меха нику разрушения. Основываясь на полученных результатах, принимают реше ние о том, может ли деталь с трещиной использоваться далее или необходим ремонт. В последнем случае с помощью численного анализа в программе SYSWELD можно подобрать и проверить ремонтную технологию.

Компания MECAS ESI выполнила для фирмы Rolls-Royce расчет сварки деталей двигателя самолета из титановых сплавов. Этот проект объединил в се бе расчеты лазерной и электронно-лучевой сварки, резки и штамповки. Более того, был выполнен прогноз срока службы. К сожалению, этот проект также является строго конфиденциальным и не может быть опубликован.

3.1. Сварка колеса автомобиля. Главной целью проекта было определе ние коробления колеса автомобиля после сварки для нескольких вариантов технологии. Проект был выполнен с использованием программы SYSWELD в сотрудничестве с компаниями IAM Brno и Hayes Lemmerz.

В данной работе необходимо было получить следующее:

Прогноз коробления и соответствия допускам по цилиндричности и 1.

плоскотности.

Прогноз остаточных напряжений.

2.

Данные по микроструктуре материала (фазовый состав).

3.

Сравнение нескольких технологий.

4.

Колеса из стали S355J2G сваривались без дальнейшей термообработки.

Было выполнено моделирование по 3 вариантам технологии, с разным количе ством сварных швов и разной длиной соединений.

Поля распределения температур во время сварки представлены на рис.

3.1.1 и 3.1.2. Остаточные напряжения показаны на рис. 3.1.3. Коробления для каждого варианта технологии представлены на рис.3.1.4, 3.1.5, 3.1.6. В 3-м ва рианте получено наименьшее коробление и соответствие допуску по цилинд ричности.

Рис. 3.1.1. Поле распределения температуры во время сварки Рис. 3.1.2. Температурное поле в процессе охлаждения Рис. 3.1.3. Эквивалентные остаточные напряжения по Мизесу после сварки Рис. 3.1.4. Коробление после сварки, 1 вариант технологии Рис. 3.1.5. Коробление после сварки, 2 вариант технологии Рис. 3.1.6. Коробление после сварки, 3 вариант технологии 4. Термообработка. Процесс термообработки и в особенности закалка приводят к короблению и в ряде случаев появлению трещин на закаленных де талях. Для того чтобы избежать нежелательных побочных эффектов, весь цикл термообработки моделируется с помощью метода конечных элементов в про грамме SYSWELD. Это дает возможность провести полный расчет металлурги ческой, тепловой и термопластической задач. Цель моделирования заключается в оптимизации всего цикла термообработки, т.е. получении низкого значения остаточных напряжений в конце процесса и соответствия требованиям покупа телей по механическим свойствам.

Весь процесс моделирования был разделен на две части. Задача первой части моделирования состояла в подборе корректных исходных данных для расчета. Данные по свойствам материала были проверены на простых моделях при проведении ряда испытаний по закалке материала с использованием тер мопар. Вторая часть работы заключалась в моделировании процесса термооб работки реальных моделей. Весь расчет проводился в соответствии с подготов ленным термическим циклом, скорректированным согласно рассчитанному распределению температур и напряжениям в модели для достижения наиболее низких значений остаточных напряжений. Значения напряжений при модели ровании сравнили с результатами измеренных методом сверления отверстий.

4.1. Термообработка колеса автомобиля. Проект был выполнен в про грамме SYSWELD в сотрудничестве с компаниями IAM Brno и Hayes Lemmerz.

Основные задачи расчета:

Прогноз короблений.

1.

Прогноз остаточных напряжений.

2.

Сравнение значений остаточных напряжений, полученных при 3.

эксперименте и моделировании.

Сравнение разных вариантов технологии.

4.

Колеса автомобиля изготавливались литьем из алюминиевого сплава AlSi7Mg. После отливки проводилась термообработка. Цикл термообработки состоял из закалки в воде (температура воды 40°C), охлаждения на воздухе и старения в печи (температура печи 150°C). Начальная температура колеса пе ред началом закалки составляла 490°C.

Для расчета была подготовлена 3D модель. Были также просчитаны два варианта технологий, в которых менялось положение колеса во время закалки.

Поля распределения температур во время процесса закалки показаны на рис.

4.1.3 и 4.1.4. Поля распределения эквивалентных остаточных напряжений по Мизесу после процессов закалки и старения представлены на рис. 4.1.5 и 4.1.6.

Результаты коробления после закалки и старения показаны на рис. 4.1.7 и 4.1. Измерения остаточных напряжений с помощью метода сверления отверстий представлены на рис. 4.1.9. Сравнение значений остаточных напряжений после моделирования и эксперимента приведено в табл. 4.1.1.

Рис. 4.1.3. Поле распределения температуры в процессе закалки, 1 вариант технологии, момент времени 2.6 с Рис.. 4.1.4. Поле распределения температуры в процессе закалки, 1 вариант технологии, момент времени 1.4 с Рис. 4.1.5. Эквивалентные остаточные напряжения по Мизесу после процессов закалки и старения, 1 вариант. Максимальные напряжения составили 84 МПа Рис. 4.1.6. Эквивалентные остаточные напряжения по Мизесу после закалки и старе ния, 2 вариант. Максимальные напряжения составили 114 МПа Рис. 4.1.7. Результаты отклонения по вертикали после закалки и старения, 1 вариант.

Максимальное отклонение по вертикали составило 2.69 мм Рис. 4.1.8. Результаты отклонения по вертикали после закалки и старения, 2 вариант.

Максимальное отклонение по вертикали составило 2.62 мм Рис. 4.1.9. Измерение остаточных напряжений методом сверления отверстий Таблица 4.1. Сравнение остаточных напряжений Параметр Вариант Вариант Вариант Вариант 1A 2A 1B 2B Глубина, мм 0,2 1 0,2 1 0,2 1 0,2 Измерения, МПа 53 20 49 25 60 19 80 Расчет, МПа 76 17 68 23 75 15 85 5. Заключение. Основной задачей промышленности является снижение затрат и повышение качества изделия. Для удовлетворения требований заказ чика необходимо хорошее понимание и знание процессов. Сокращение расхо дов и времени на проектирование и разработку технологий может быть осуще ствлено за счет уменьшения числа экспериментов и подготовительных работ перед окончательным выбором технологии. Быстрое развитие технологий мо делирования производственных процессов за последнее время позволяет иссле дователям и инженерам лучше понимать, какие параметры процесса необходи мы для предложенной технологии и используемого материала. Кроме того, ре зультаты моделирования можно использовать для создания новых изделий, проверки новой технологии или оптимизации существующего производствен ного процесса, а также для прогноза срока службы конструкций.

Помимо непосредственно моделирования, компания MECAS ESI, дочер няя компания ESI Group, непрерывно работает в области исследования и подго товки численных моделей новых материалов и определения их свойств.

MECAS ESI сотрудничает с университетами, научно-исследовательскими цен трами и технологическими институтами с целью определения свойств материа ла для численного моделирования, а также для разработки и проверки новых моделей материалов. В настоящее время компания уделяет основное внимание созданию численных моделей новых материалов, а также измерению свойств современных энергетических сталей и алюминиевых сплавов. В 2012 году ком пания планирует начать исследование для создания численной модели сплавов алюминия.

УДК 621.9. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ВЫСОКОСКОРОСТНОМУ ФРЕЗЕРОВАНИЮ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ ТИТАНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ А.В.Савилов Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет Э.В.Габанов ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут»

Повышение производительности является ключевым фактором снижения технологической себестоимости деталей. Высокая производительность достигается применением современно го высокопроизводительного механообрабатывающего оборудования и высокопроизводи тельного режущего инструмента. Черновое фрезерование занимает не менее 80% всего ма шинного времени обработки типовых авиационных деталей. Повышение производительно сти на черновых операциях вносит наибольший вклад в снижение расходов на механообра ботку деталей. Основными фрезерными операциями при обработке авиационных деталей яв ляются обработка плоскостей, разгрузка карманов и пазов, обработка наружного контура, разгрузка углов. Цель работы – оптимизация данных фрезерных операций по критерию мак симальной производительности.

Ил. 5. Табл. 2.

Ключевые слова: авиационные детали;

титан;

алюминий;

технология высокопроизводи тельного фрезерования;

торцевое фрезерование;

концевое фрезерование;

разгрузка карма нов.

Повышение производительности является ключевым фактором снижения технологической себестоимости деталей и повышения конкурентоспособности изделия в целом. Это положение особенно актуально в авиационной промыш ленности. Отличительной особенностью данной отрасли являются экстремаль но высокие показатели съма материала в единицу времени. Это обеспечивает ся применением высокопроизводительного механообрабатывающего оборудо вания, в первую очередь, фрезерных обрабатывающих центров, и высокопроиз водительного инструмента. Стоимость машинного времени современных фре зерных трех- и пятикоординатных обрабатывающих центров высока и лежит в пределах 100…200 Евро/час.

Целью выполнения рассматриваемой работы является разработка техно логии высокоскоростной и высокопроизводительной механообработки деталей силового каркаса летательных аппаратов, обеспечивающих снижение машин ного времени обработки деталей не менее чем в 1,5 раза. Указанная технология механообработки предназначена для использования в процессе производства деталей из сталей, титановых и алюминиевых сплавов.

Высокоскоростное фрезерование алюминиевых деталей. При фрезер ной обработке авиационных деталей можно выделить несколько типовых техно логических задач, решаемых при обработке большинства деталей. Это обработка плоскостей, включая базовые, торцовка рбер, разгрузка карманов и обработка наружного контура. Как показал анализ управляющих программ, черновая обра ботка занимает не менее 80% всего машинного времени обработки. Это относит ся как к крупногабаритным деталям, так и к средне- и малогабаритным.

а) б) Рис. 1. Крупногабаритные авиационные детали: а – стенка;

б – панель Остановимся подробнее на станках, применяемых на предприятии для обработки алюминиевых деталей. Основной моделью станка для обработки крупногабаритных деталей типа панелей крыла и центроплана, а также стенок и шпангоутов (рис. 1) является пятикоординатный фрезерный обрабатывающий центр Handtmann Gantry CS 650/250-T4 и Gantry CS 400/250-T4.

Для крупногабаритных деталей типа лонжерон, балка, нервюра (рис. 2) применяется трехкоординатный обрабатывающий центр DMF500. Средне- и малогабаритные детали каркаса (рис. 3) обрабатываются на обрабатывающих центрах с вертикальным шпинделем DMG DMU125P, DMU80P, DMU80 mB, DMU60 mB и с горизонтальным шпинделем DMC125U, DMC80U.

а) б) Рис. 2. Крупногабаритные авиационные детали: а – лонжерон;

б – нервюра а) б) в) Рис. 3. Авиационные детали: а – кронштейн;

б – крышка;

в – носок Основные технические характеристики некоторых станков приведены в табл. 1.

Рассмотрим особенности черновых фрезерных операций обработки авиа ционных деталей из алюминиевых сплавов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.