Совершенствование технологии металлообработки на примере компании Rolls-Royce Defense

Что характеризует хорошего инженера, так это способность анализировать процесс, в результате которого создается отличный продукт, и находить более дешевый способ сделать это. Сохранение конкурентоспособности означает постоянное улучшение производственных процессов, и это была задача, стоящая перед Дереком Анти. Он является техническим специалистом по производственным технологиям, который занимается оптимизацией операции CAM / CNC в компании Rolls-Royce Defense, Индианаполис, США.

«В начале 2020 года стало ясно, что нам необходимо увеличить производительность наших обрабатывающих центров», - пояснил он. «Поскольку расходы на обрабатывающие центры являются значительными расходами для нашего бизнеса, а в нашей компании сотни центров, эффект от повышения производительности даже на 10 процентов будет значительным». Вторая проблема заключалась в слишком высокой стоимости расходных материалов. Компании Rolls-Royce Defense требовался способ найти более эффективные процессы, которые сокращали бы время и увеличивали срок службы инструмента.

Если это звучит знакомо, так и должно быть. Сокращение времени обработки и повышение стойкости инструмента - давние проблемы для профессионалов в области механической обработки. Новым является то, как Анти значительно улучшил процесс, используя моделирование траектории на основе конечных элементов из Third Wave Systems, встроенное в программное обеспечение компании Siemens NX для проектирования и производства.

«Мы недостаточно разбирались в процессе обработки, чтобы решить эту проблему. Нам нужно было лучше понять, когда инструмент соприкасается с металлом », - сказал Анти. Использование проверенного метода испытаний резания, консультации с поставщиками инструментов и использование опыта и интуиции становилось дорогостоящим. Анти отметил, что иногда на устранение проблем обработки, таких как сломанные инструменты и вибрация, требуется от 60 до 80 часов инженера, не говоря уже об износе самого обрабатывающего центра. «В сегодняшних условиях больше нельзя полагаться на опытных машинистов», - сказал он. Навык быстро ослабевает. «Нам требовалось более быстрое, быстрое и гибкое решение для решения подобных проблем. Иногда требуются годы, чтобы испытать процесс обработки ».

Одним из подходов к лучшему пониманию является анализ силы воздействия инструмента на заготовку, которая быстро меняется на траектории движения инструмента, даже при постоянных подачах и скоростях. Найти способ понять эти силы и оптимизировать -означает сократить время обработки и уменьшить количество поломок инструмента.

Именно это и делают [методы] оптимизации сил ЧПУ; они позволяют увидеть, какова тангенциальная сила резания в процессе обработки детали в реальном времени".

Но как это сделать? На помощь приходит Production Module от компании Third Wave Systems, Миннеаполис, программное обеспечение для анализа траектории обработки инструмента, которое, по словам разработчика, управляется экспериментально проверенными моделями материалов, основанными на FEA. Third Wave Systems предлагает два пакета - AdvantEdge и Production Module. AdvantEdge - это флагманское программное обеспечение компании, которое часто используется при проектировании режущих инструментов. Production Module, напротив, предназначен для инженеров-технологов, таких как Анти, которые используют инструменты, разработанные другими. У них нет ни времени, ни желания изучать математику конечно-элементного моделирования, сетки или численной сходимости.

Что предоставляет Production Module, так это обновленную стратегию обработки с помощью программы G-кодов (Читайте статью Что такое G-коды станков с ЧПУ, прим ред.), которая уменьшает (насколько это возможно) скачки и провалы усилия. "Усилие является прямым результатом скорости подачи и траектории инструмента, - объясняет Анти, - наряду с геометрией инструмента и материалом заготовки. Модуль Production Module не изменяет траекторию инструмента, необходимую для изготовления детали, но накладывает дополнительные ограничения на траекторию инструмента.

«Я имею в виду, что если у вас есть начальная и конечная точки для вашей программы, и она дает вам некоторые странные силы в середине, она добавит дополнительные (X, Y, Z) позиции для корректировки траектории инструмента», он объяснил. Это небольшие изменения, не влияющие на геометрию детали, но достаточные для уменьшения внезапных скачков тангенциальной силы инструмента на деталь или ее внезапного отсутствия.

Модуль также осуществляет микроуправление скоростью подачи, регулируя ее с учетом мельчайших изменений в траектории инструмента Это в некоторой степени ново, поскольку для человека было бы почти невозможно вычислить и применить корректировки таких небольших изменений скорости подачи, которые позволили бы оптимизировать усилие.

Производственный модуль настраивает многие параметры, включая эти два. Это не влияет на скорость шпинделя, поэтому стратегию скорости вращения шпинделя, которая обеспечивает наилучшую чистоту поверхности и исключает вибрацию и гармоники, все равно должен выполнять инженер-человек. Анти также поднял еще один ключевой момент: винтовой и передний углы режущего инструмента являются обязательными, чтобы убедиться, что вы получаете правильные выходные силы при моделировании. Раньше в этой информации не было большой потребности, поэтому любой пользователь производственного модуля должен получить эту информацию от своего поставщика инструментов. «Технические данные режущего инструмента и начальная траектория резания являются исходными данными для моделирования», - сказал он.

Первым тестовым примером использования модуля Production Module компанией Rolls-Royce на реальной задаче стала лопасть винта с управляемым шагом, которую компания поставляет ВМС США для эсминца DDG-51 класса Arleigh Burke. "Нам было выгодно испытать его на чем-то, что имело бы длительное время работы. Это и было сделано. Время цикла обработки одного винта на пятикоординатном горизонтально-фрезерном станке PAMA составляло 40-60 часов", - говорит Анти. Первоначальной целью было сократить время цикла на 10 процентов. На самом деле проект позволил сократить время работы шпинделя на 20-25 процентов. "Если взять что-то, на что уходит 40 часов, отнять 25 процентов и умножить это [на весь спрос на данную линейку продукции], то экономия составит 1 миллион долларов [в год]".

Отслеживание экономии на расходных материалах потребовало немного больше усилий. Как и многие другие компании, Rolls-Royce отслеживает свои затраты на оснастку в программе, а изменения в оснастке прописаны в технологическом процессе - например, план, требующий замены режущей пластины через каждые пять деталей. "В некоторых унаследованных процессах мы меняем пластины каждые две детали, - сказал он, - или когда оператор знает, что это нужно сделать". Для этого испытания команда Анти провела базовую операцию без модуля Production Module и отслеживала использование и износ инструмента.

Еще одной проблемой являются его рабочие отношения с компанией Third Wave Systems. При любом моделировании правильные исходные данные, такие как свойства материалов, жизненно важны для получения результата, которому можно доверять. Хотя Third Wave Systems имеет обширную библиотеку свойств материалов, проблема заключалась в том, что Third Wave Systems никогда не имела дела с морскими или военно-морскими изделиями, по словам Анти. Лопасть винта изготовлена из сплава никеля/алюминия/бронзы. Для этого испытания компания Third Wave Systems взяла образец и измерила свойства материала лопасти винта - процесс, который они готовы выполнить как для своих клиентов, так и для пополнения своей библиотеки.

Испытания показали, что в дополнение к контролю сил, действующих на деталь, модуль Production Module также уменьшил воздушный зазор - место, где шпиндель работает в воздухе, прежде чем достичь начала процесса и разрезать металл.

Анти прогнозирует, что использование анализа траектории инструмента в конечном итоге приведет к 40-процентной экономии времени работы станка. Он также отметил, что этот метод более полезен на черновых операциях, где тангенциальные силы больше, чем на чистовых операциях.

Хотя любой пользователь CAD-системы может использовать Production Module, Rolls-Royce использует интегрированный опыт Siemens NX уже более 15 лет, по словам Анти. Компания использует стандартный технологический процесс от CAD до постобработки и архивирует программу в Teamcenter. "Концепция цифрового потока или цифрового двойника с использованием Siemens хорошо отработана", - сказал он. "Производственный модуль от Third Wave Systems отображается как кнопка в пользовательском интерфейсе Siemens. Поэтому мне, как инженеру-технологу, не нужно использовать другое программное обеспечение, а затем импортировать геометрию и экспортировать ее обратно. Я открываю NX, в пользовательском интерфейсе появляется маленькая иконка запуска, и тут же появляется производственный модуль Third Wave Systems".

Винс Рай, директор по разработке продуктов NX CAM в Siemens Digital Industries Software, отметил: "Одной из замечательных возможностей системы NX, основанной на моделях CAD, CAM, CMM и других функций, создающих цифровой поток, является наличие открытых инструментов, которые позволяют нашим партнерам тесно интегрировать свои специализированные решения". В частности, он отметил, что приложения компании Third Wave Systems для CAE-анализа процессов обработки на основе материалов дополняют собственные передовые возможности NX CAM. "Приятно видеть, что наши клиенты, такие как Rolls-Royce Defense, получают столь высокую отдачу", - сказал он.

Для получения дополнительной информации о компании Rolls-Royce посетите веб-сайт www.rolls-royce.com. Для получения информации о компании Third Wave Systems посетите сайт www.thirdwavesys.com

Источник: https://www.sme.org/technologies/articles/2021/august/perfecting-machining-at-rolls-royce-defense/