Wpływ nowych technik wytwarzania na konstrukcję .Użycie większej średnicy narzędzia (mniejszy

download Wpływ nowych technik wytwarzania na konstrukcję .Użycie większej średnicy narzędzia (mniejszy

If you can't read please download the document

  • date post

    28-Feb-2019
  • Category

    Documents

  • view

    212
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Wpływ nowych technik wytwarzania na konstrukcję .Użycie większej średnicy narzędzia (mniejszy

MECHANIK NR 12/2015 1

Wpyw nowych technik wytwarzaniana konstrukcj samolotu

Impact of Modern Manufacturing Technologies at Aircraft Design

Wodzimierz Adamski * DOI: 10.17814/mechanik.2015.12.588 W pracy podano jak przy wykorzystaniu nowo powsta-ych technologii i strategii obrbki czci w przemyle lotniczym mona obniy koszty wytwarzania. Podano przykady wdroe w przemyle lotniczym. Zastosowa-nie HSM w lotnictwie wymusio zmian w konstrukcji dzisiejszych samolotw. Opisano strategi obrbki cienkich cianek i wrg struktury samolotu. Zwrcono uwag na nowe technologie jak technologia przyrosto-wa i odpranie wibracyjne. SOWA KLUCZOWE: CAM, HSM, Technologia Przyro-stowa, Odpranie Wibracyjne The paper describes how the use of modern technolo-gies and parts machining strategies can reduce manu-facturing costs in the aerospace industry. Sample implementations in the aerospace industry have been presented. The use of HSM in aviation forced a change in today's aircraft designs. Machining strategy for thin walls and aircraft structure framers have been de-scribed. Modern technologies of manufacturing like Additive Manufacturing and Vibratory Stress Relief have been presented. KEYWORDS: CAM, HSM, Additive Manufacturing, Vibra-tion Stress Relieving

Materiay w lotnictwie

W konstrukcji samolotw cywilnych gwnie uywa si materiaw ze stopw aluminium i tytanu, chocia ostatnio w nowych konstrukcjach obserwujemy wzrost materiaw kompozytowych. Aerobus A380 zawiera ~25% materiaw kompozytowych a najnowsze samoloty Boeinga 787 i Air-busa A350 XWB zawieraj ju ~50% materiaw kompozy-

towych. Udzia wagowy kompozytw w budowie samolotw na przestrzeni ostatnich 35 lat pokazano na rys. 1. Wci jednak mamy duy udzia materiaw opartych na stopach aluminium i tytanu. Czci lotnicze wykonywane ze stopw aluminium i tytanu s obrabiane obrbk skrawaniem z pyt walcowanych profili i odkuwek, rzadziej z odleww. Czasami s jeszcze dodatkowo obrabiane z wykorzystaniem proce-sw zginania i umacniania powierzchniowego shot peening.

Rys. 1 Udzia wagowy kompozytw w budowie samolotw

Powstanie nowych technologii w przemyle lotniczym przyczynio si wydatnie do obniki kosztw wytwarzania samolotu. Konstrukcje lotnicze XX wieku byy przewanie konstrukcjami blaszano nitowanymi z niewielkim dodatkiem materiaw kompozytowych (rys. 2). Podzespoy i zespoy montaowe charakteryzoway si wielk liczb czci ska-dowych i co za tym idzie du pracochonnoci zwizan z pracami montaowymi. Sytuacj t zmienio wprowadzenie technologii High Speed Machining HSM, ktra to technolo-

gia umoliwia wykonanie bardzo skomplikowanych inte-gralnych lotniczych czci o cienkich strukturach z penego materiau. Zastosowanie technologii HSM umoliwio np. wykonanie elementw segmentu sterowania samolotu M-28

jako jednej czci zamiast zespou skadajcego si z 20 czci (rys. 3 i rys. 4)

Rys. 2 Technologie majce gwny wpyw na rozwj konstrukcji lotniczych

Rys. 3 Sektor sterowania skadajcy si z ponad 20 czci

Znaczna liczba czci lotniczych tj. eber, wrg charakte-

ryzuje si tym, e posiada du liczb wybra w materiale (chodzi tutaj o zmniejszenie ich ciaru) czyli tzw. kieszeni.

* dr hab. in. Wodzimierz Adamski ( w_adamski@poczta.onet.pl) Politechnika Rzeszowska

2 MECHANIK NR 12/2015

Obrbka takich kieszeni wymaga odpowiedniej strategii ich obrbki.

Rys. 4 Integralny sektor sterowania. Zastosowanie technologii HSM pozwolio na wykonanie integralnego sektora sterowania jakopojedynczej czci

Wanym zagadnieniem przy obrbce zgrubnej cienkich cianek eber jest waciwe okrelenie iloci materiau nie- obrabianego, ktry zapewni nam odpowiedn wytrzymao podczas tej obrbki skrawaniem przed obrbk wykacza-jc. (rys. 5) Najlepiej jeli stosunek wysokoci cianki do jej gruboci wynosi dla stopw aluminium 4:1 tzn dla cia- nek eber o wysokoci 100 mm moemy zgrubnie je skrawa przynajmniej do gruboci 25 mm. Natomiast przyobrbce wykaczajcej cianek eber o gruboci 1,5 mm nie moemy stosowa Osiowej Gbokoci Skrawania(OGS) wikszej ni 6mm do gbokoci cianki 76 mm [7].

Rys. 5 Metoda obrbki eber w technologii HSM. Nieobrobiony materia zapewnia odpowiedn sztywno. ADOC (ap) osiowa gboko skrawania, RDOC (ae) promieniowa gboko skra-wania

Jeeli stosujemy narzdzie skrawajce np. o dugoci

152 mm naley ograniczy si z osiow gbokoci skra-wania do do 2,5 mm i zostawi naddatek przed obrbk wykaczajc wielkoci 1,3 mm i przejciem na gbokoci 6,1 mm.

Przy krawdzi natarcia przy obrbce tzw. ktw zamkni-tych naley stosowa nastpujce parametry skrawania, posuw zgrubny 8180 mm/min i OGS 2,8 mm. Dla obrbki

wykaczajcej frezem kulistym posuw wynosi 6980 mm/min i OGS 2,8 mm.

Rys. 6 Metoda jednostronnej obrbki cienkociennej w HSM. Maa promieniowa gboko skrawania (RDOC) daje mae siy skrawa-nia

Przy wybieraniu materiau midzy ciankami ebra (tzw. kieszenie) zaleca si stosowanie freza walcowego w wydu-onej oprawce o rednicy 12,7 mm i z promieniem 3,2 mm z posuwem zgrubnym 4320 mm/min i Promieniow Gboko-ci Skrawania (PGS) 0,5 mm i krokiem 0,5 mm. [7]

W obrbce skrawaniem naley stosowa tak strategi obrbki aby nieobrobiony materia lokalnie podtrzymywa materia obrabiany (rys. 5).

Rys. 7 Tradycyjna metoda dwustronnej obrbki cienkociennej podstaw w HSM. Zastosowanie duych gruboci warstw dla obrbkiduych kieszeni

Obrbka cienkich cianek podstaw wymaga szczeglne- go podejcia. Zastosowanie duych gruboci warstw dla obrbki duych kieszeni podczas dwustronnej obrbki cienkociennej podstawy z wykorzystaniem technologiiHSM powoduje drgania tej podstawy (rys.7). Oczywicie moemy tego zjawiska unikn stosujc mniejsze gruboci skrawania czyli zastosowa mae gruboci warstw dla ob- rbki tych duych kieszeni. (rys. 8)

Rys. 8 Zmodyfikowana metoda dwustronnej obrbki cienkociennej podstaw w HSM. Zastosowanie maych gruboci warstw dla obrbki duych kieszeni

Naley jeszcze doda, e siy skrawania jak i sposb mo- cowania maj istotny wpyw na powstae w materiale obra-bianym wartoci napre oraz przemieszcze. Wiksze

Cakowita gboko kieszeni jest osigana przez obrbk kolej-

nych warstw w gb materiau

Drgania podstawy od

uderze narzdzia

Drgania podstawy od uderze

narzdzia

MECHANIK NR 12/2015 3

siy skrawania powoduj wiksze odksztacenia czci jak i narzdzia (rys. 9). Mona tego unikn poprzez zastoso-wanie obrbki HSM z wieloma przejciami (rys.10).

Rys. 9 Obrbka tradycyjna. Zastosowanie duych gbokoci

Dua prdko skrawania pozwala usuwa materia skrawany z maymi siami, co nie powoduje odksztace przedmiotu podczas skrawania. Dobierajc rne parametry skrawania mona wyznaczy obrbk stabiln. Wykorzy-stanie teorii drga, umoliwiajc okrelenie maksymalnej iloci usuwanego materiau dla bezpiecznych i stabilnych warunkw obrbki. Do tego celu su wykresy workowe [1].

Rys. 10 Zastosowanie obrbki HSM z wieloma przejciami. Zasto-sowanie maych gbokoci

Podczas obrbki wykaczajcej naroy w przypadku kie-dy stosunek wysoko cianki do promienia naroa jest duy naley rozway nastpujc strategi obrbki:

Uycie wikszej rednicy narzdzia (mniejszy stosu-nek L/D) tak aby obrobi ca cz.

Wykorzystanie narzdzie o mniejszej rednicy do wy-koczenia naroa.

Wykres stabilnoci (krzywe workowe) [1] to uyteczne narzdzie do okrelania stabilnych warunkw skrawania dla rnych szybkoci wrzeciona oraz MRR (szybkoci usuwa-nia materiau).Wykres mona wykorzysta do znalezienia maksymalnej dopuszczalnej szybkoci usuwania materiau (Material Removal Rate MRR), ktra jest kluczowym

wskanikiem wydajnoci obrbki dla danej szybkoci wrze-ciona. Warto zauway, e stabiln obrbk mona osi-gn przy dowolnej wielkoci obrotw na minut, lecz dzieje si to kosztem MRR. Globalny wykres stabilnoci, przed-

stawiony z przewidzeniem drga narzdzi czy te za pomo-c metody opisanej w [1], pomaga uytkownikom uzyska wysokie wartoci MRR przy okrelonych stabilnych warto-

ciach obrotw na minut. W wielu przypadkach, zauwa-ywszy drgania, technolodzy prbuj zmniejsza obroty wrzeciona, aby te drgania wyeliminowa. Technika ta za-

pewni stabilne warunki skrawania, lecz moe nie by naje-fektywniejszym rozwizaniem. Czsto jest moliwe zwik-szenie szybkoci obrotw wrzeciona, co nie tylko wyeliminuje drgania, a jednoczenie poprawi wydajno pracy.

Przed obrbk na obrabiarkach CNC naley zdefiniowa

i okreli pfabrykat czyli tzw. przygotwk tj. czyli bry z ktrej zostanie wykonany detal. Przygotwka moe zosta zdefiniowana jako model 3D, umoliwia to bezporedni

prace na pfabrykatach. Konstruktor podaje najczciej na rysunku wykonawczym materia i rodzaj (materia walcowa-ny, odlew, odkuwka itp.) pfabrykatu. Wybr sposobu wy-konania i wymiarw, a wic ksztatu pfabrykatu, dokonywany jest przez technologa oddziau mechaniczne-go. Technolog oddziau mechanicznego okrela wymagania stawiane pfabrykatowi, ze wzgldu na atwo i ekono-miczno obrbki danego przedmiotu. Dobierajc pfabry-kat staramy si, aby jego ksztat i wymiary byy zblione do ksztatu i wymiarw gotowego wyrobu. Wykonanie pfabry-katu z duymi naddatkami na obrbk wprawdzie upraszcza zwykle proces wykonania samego pfabrykatu i zmniejsza jego koszt, przedua jednak i utrudnia proces obrbki skra-waniem. Przygotwki w PZL Mielec s gwnie wykonywane z materiaw (pyt) walcowanych. Wskutek odksztace pla-stycznych nastpuje umocnienie materiau. Std podczas obrbki s problemy z utrzymaniem ksztatu i wymiarw, ktre si zmieniaj pod wpywem napre wewntrznych. Aby temu zapobiec stosuje si odpowiednie strategie ob-rbki na obrabiarkach CNC, specjalne oprzyrzdowanie

typu ramka, wya