Многопроцессная обработка композитов: возможности, оборудование и руководство по применению

Что на самом деле означает многопроцессная обработка композитов

Многопроцессная обработка композитов подразумевает интеграцию двух или более отдельных операций обработки, таких как токарная обработка, фрезерование, сверление, шлифование, зуборезка или даже аддитивное производство, в единую станочную платформу, которая завершает деталь за один установ или минимальное количество установов. Термин «композит» в этом контексте не относится к композиционным материалам; это относится к сложному характеру самого процесса — множеству производственных операций, объединенных в единый непрерывный рабочий процесс на одном оборудовании.

Традиционные маршруты производства сложных деталей требуют последовательных операций на отдельных станках: токарном станке для токарной обработки, обрабатывающем центре для фрезерования, плоскошлифовальном станке для чистовой обработки и, возможно, дополнительном специальном оборудовании для таких функций, как зубья шестерен, резьба или глубокие отверстия. Каждая передача станка включает в себя повторный зажим заготовки, повторное крепление и повторную привязку — каждое из этих действий приводит к ошибке позиционирования, увеличивает время обработки и создает возможность повреждения детали. В высокоточном производстве совокупная погрешность от нескольких настроек может занять значительную часть доступного бюджета допусков еще до начала резки.

Многопроцессная обработка композитов устраняет или значительно уменьшает эти межпроцессные переключения. Композитный обрабатывающий центр, оснащенный токарными шпинделями, приводными фрезерными инструментами, возможностью работы по осям B или Y, а также встроенными измерительными датчиками, может перенести необработанную заготовку или отливку от первой черновой обработки до готовой, проверенной по размерам детали, при этом заготовка никогда не покидает пределы станка. Это не просто удобство — это фундаментально меняет достижимую точность, время цикла и экономику производства сложных прецизионных компонентов.

Основные комбинации процессов в обрабатывающих центрах для обработки композитов

Конкретные комбинации процессов, доступные в оборудовании для обработки композитов, различаются в зависимости от конфигурации станка, но несколько фундаментальных комбинаций стали стандартными в отрасли. Понимание возможностей каждой комбинации и того, чего она требует от архитектуры станка, является отправной точкой для оценки того, является ли обработка композитов правильным решением для данного семейства деталей.

Токарно-фрезерная обработка композитных материалов

Токарно-фрезерная обработка является наиболее широко распространенной формой многопроцессной обработки композитов. Токарно-фрезерный центр сочетает в себе основной токарный шпиндель, который вращает заготовку при обычных токарных операциях, с фрезерным шпинделем или револьверной головкой с приводным инструментом, которая может выполнять операции вращательного резания на неподвижной или медленно вращающейся заготовке. Эта комбинация позволяет на одном станке создавать вращательно-симметричные элементы путем токарной обработки, а также создавать призматические элементы — лыски, пазы, поперечные отверстия, винтовые канавки и фрезерованные карманы — для которых в противном случае потребовался бы отдельный обрабатывающий центр. Современные токарно-фрезерные центры добавляют возможность работы по оси Y (фрезерование со смещением от центральной линии), наклон оси B (сверление и фрезерование отверстий под углом) и часто вспомогательный шпиндель, который захватывает деталь с противоположного конца, чтобы обеспечить выполнение операций обратной обработки без ручного повторного зажима. Эта конфигурация особенно эффективна для компонентов типа вала, гидравлических коллекторов и деталей аэрокосмических конструкций, которые сочетают в себе вращательные и призматические характеристики.

Фрезерно-токарная обработка композитов

Токарно-фрезерные центры архитектурно похожи на токарно-фрезерные станки, но ориентированы в первую очередь как обрабатывающие центры с дополнительными возможностями токарной обработки. Первичный шпиндель зажимает заготовку для 5-осевого фрезерования, а функция токарной обработки добавляется через вторичный шпиндель или путем вращения заготовки относительно стационарных токарных инструментов. Токарно-фрезерная конфигурация является предпочтительной конфигурацией для деталей, которые в основном имеют призматическую форму с некоторыми особенностями вращения — компонентов, в которых основная часть удаления материала приходится на фрезерование, но где также требуется точение диаметра, растачивание круглого кармана или создание точеной поверхности. Различие между токарно-фрезерным и фрезерно-токарным оборудованием является скорее архитектурным, чем абсолютным, и многие производители используют эти термины как синонимы для станков со сбалансированными возможностями токарной и фрезерной обработки.

Комплексная шлифовальная обработка композитных материалов

Интеграция шлифования в композитный обрабатывающий центр расширяет технологическую цепочку от черновой и получистовой обработки до чистовой обработки — и все это за одну установку. Это особенно важно для деталей из закаленной стали, где перед закалкой необходимо выполнить токарную и фрезерную обработку, после чего только шлифование может обеспечить требуемую чистоту поверхности и точность размеров. Композитный обрабатывающий центр со встроенной возможностью круглого или внутреннего шлифования устраняет потерю точности при второй настройке, которая возникает, когда токарная и фрезерованная деталь переносится на отдельный шлифовальный станок после термообработки. Твердое точение как альтернатива шлифованию хорошо зарекомендовало себя для некоторых применений, но для самых жестких допусков — ниже класса IT5 и Ra ниже 0,4 мкм — интегрированное шлифование в ячейке обработки композитов остается наиболее надежным путем к стабильным результатам.

Аддитивно-субтрактивная обработка композитов

Новейшим рубежом в многопроцессной обработке композитов является интеграция аддитивного производства (обычно направленного энергетического осаждения (DED) с использованием лазерного порошкового сопла) с традиционной субтрактивной обработкой в одном и том же станке. Аддитивно-субтрактивный обрабатывающий центр для композитов может наращивать материал в определенных местах с помощью лазерной наплавки или DED, а затем немедленно обрабатывать наплавленный материал до готовых размеров, не снимая заготовку. Эта возможность позволяет ремонтировать изношенные или поврежденные дорогостоящие компоненты — восстанавливать изношенные шейки подшипников на валах в аэрокосмической отрасли, восстанавливать законцовки турбинных лопаток — а также производить детали почти идеальной формы со сложными внутренними характеристиками, которые невозможно изготовить только методом субтрактивной обработки. Аддитивно-субтрактивные станки для обработки композитов в настоящее время составляют небольшую часть установленной базы, но являются наиболее быстрорастущим сегментом рынка обработки композитов.

Архитектуры станков, обеспечивающие обработку композитных материалов

Физическая архитектура составного обрабатывающего центра — расположение осей, шпинделей, револьверных головок и устройств смены инструмента — определяет, какие комбинации процессов возможны и насколько эффективно они могут выполняться. Несколько архитектурных конфигураций станков стали основными платформами для многопроцессной обработки композитов.

Токарно-фрезерный станок с наклонной станиной, вспомогательным шпинделем и осью Y

Токарный станок с наклонной станиной, револьверной головкой с приводом, осью Y и контршпинделем является рабочей лошадкой для ориентированной на производство токарно-фрезерной обработки композитных материалов. Наклонная станина обеспечивает удаление стружки и жесткость конструкции; ось Y обеспечивает фрезерование со смещением от центра; контршпиндель захватывает деталь для обратной обработки после завершения операций главного шпинделя. Эта архитектура является высокозрелой, широко доступна от различных производителей и оптимизирована для компонентов валов, фитингов и соединителей, производимых в средних и больших объемах. Ограничением является то, что система инструментов на базе револьверной головки ограничивает мощность и доступную скорость фрезерного шпинделя — револьверные головки с приводом обычно обеспечивают мощность фрезерования от 5 до 15 кВт по сравнению с 20–50 кВт на шпинделе специального обрабатывающего центра, что делает их менее подходящими для тяжелых операций фрезерования больших или твердых заготовок.

Многозадачный станок с фрезерной шпиндельной головкой и осью B

В обрабатывающих центрах для обработки композитов с более высокой производительностью приводные инструменты, установленные на револьверной головке, заменяются специальной фрезерной шпиндельной головкой, установленной на оси B, которая наклоняется в определенном угловом диапазоне — обычно от ±90° до ±120°. Эта архитектура обеспечивает полную мощность и скорость фрезерования обрабатывающего центра наряду с возможностью токарной обработки, что позволяет выполнять тяжелое торцевое фрезерование, фрезерование глубоких карманов и одновременную 5-осевую контурную обработку в дополнение ко всем стандартным токарным операциям. Наклон оси B позволяет изготавливать угловые элементы — отверстия под углом, наклонные поверхности, подрезы — без изменения положения заготовки. Станки этой категории, такие как серия Mazak Integrex, серия DMG Mori NTX и серия Okuma MULTUS, представляют собой высокопроизводительную часть токарно-фрезерной обработки композитных материалов и являются предпочтительными платформами для производства компонентов для аэрокосмической, энергетической и медицинской техники.

Конфигурации с двумя шпинделями и двумя револьверными головками

Двухшпиндельные и двухревольверные композитные обрабатывающие центры устанавливают на одном станке два торцевых шпинделя и две независимые револьверные головки, что позволяет одновременно обрабатывать оба конца детали или параллельную обработку двух отдельных деталей одновременно. Время цикла при сбалансированной двухшпиндельной обработке может быть вдвое меньше, чем при последовательной одношпиндельной обработке. Эта архитектура особенно эффективна для крупносерийного производства компонентов с короткими валами и патронов, где геометрия детали позволяет выполнять значимые одновременные операции на обоих концах — компоненты автомобильной трансмиссии, гидравлические фитинги и аналогичные детали, производимые тысячами в смену.

Возможности точности и допуска по сравнению с традиционной маршрутизацией

Одним из наиболее убедительных количественных аргументов в пользу многопроцессной обработки композитов является повышение достижимой точности детали в результате устранения ошибок переналадки. Понимание масштабов этого улучшения, а также того, где оно применимо, а где нет, необходимо для оценки того, оправдана ли обработка композитных материалов для конкретной детали.

Повышение точности при обработке композитных материалов за один установ наиболее важно для геометрических допусков, которые связывают детали, обработанные на разных этапах процесса - концентричность между точеным отверстием и фрезерованной окружностью болта, перпендикулярность между точеным диаметром вала и фрезерованной поверхностью или положением поперечно-просверленных отверстий относительно точеной осевой линии. Эти межобъектные отношения могут быть сохранены в полной мере только в том случае, если все объекты привязаны к одной и той же базе данных в одной и той же настройке. Для элементов, которые полностью независимы — фрезерованная плоская поверхность на одной стороне и обточенный диаметр на другой стороне без определенного соотношения между ними — преимущество в точности обработки композитов менее выражено, хотя преимущества по сокращению времени цикла и незавершенного производства по-прежнему сохраняются.

Сложность программирования и требования к CAM

Расширение возможностей многопроцессных обрабатывающих центров по композитам сопровождается соответствующим увеличением сложности программирования. Деталь, которая требовала отдельных программ для токарного станка, вертикального обрабатывающего центра и цилиндрического шлифовального станка, теперь требует единой интегрированной программы, которая координирует все операции, включая синхронизацию одновременных операций, предотвращение столкновений осей, последовательность смены инструмента и циклы измерений в процессе. Эта сложность требует как мощного программного обеспечения CAM, так и опытных программистов, которые понимают методологии программирования как токарной, так и фрезерной обработки.

Выбор программного обеспечения CAM для обработки композитных материалов

Не все программы CAM одинаково хорошо справляются с обработкой композитов. Программы, написанные в базовых системах CAM, предназначенных только для токарной или фрезерной обработки, не подходят для многопроцессных станков — они не могут моделировать полную кинематику станка, координировать синхронизацию нескольких шпинделей или проверять предотвращение столкновений во всем диапазоне станка. Для программирования обработки композитов промышленного уровня требуются системы CAM со встроенными многозадачными модулями — Mastercam Mill-Turn, Siemens NX CAM, Hypermill Turn Mill или специальные модули в собственной среде программирования производителя станка. Эти системы импортируют полную кинематическую модель станка и моделируют полный цикл обработки, отмечая столкновения между держателями инструмента, кулачками патрона, задней бабкой и заготовкой до того, как программа запустится на реальном станке. Моделирование станка не является обязательным для обработки композитных материалов — последствия столкновения на станке стоимостью 500 000 евро и более достаточно серьезны, чтобы виртуальная проверка стала обязательным шагом в любом ответственном производственном процессе.

Программирование синхронизации для многошпиндельных операций

Двухшпиндельные и двухревольверные обрабатывающие центры из композитных материалов требуют программирования синхронизации — явной координации операций на обоих шпинделях и обеих револьверных головках для одновременной работы, где это возможно, без взаимного вмешательства. Синхронизация обычно управляется с помощью команд WAIT или кодов синхронизации в программе ЧПУ, которые удерживают один канал до тех пор, пока другой не завершит определенную операцию, прежде чем оба продолжат работу. Оптимизация синхронизации для минимизации времени простоя на любом шпинделе — балансировка работы между главным шпинделем и вспомогательным шпинделем, чтобы оба выполняли максимальную часть цикла — это то, что обеспечивает теоретическое сокращение времени цикла на двухшпиндельных станках. Плохо синхронизированные программы могут свести на нет большую часть преимущества времени цикла, оставляя один шпиндель простаивающим в ожидании другого, эффективно работая на станке как последовательном, а не параллельном процессоре.

Интеграция измерений в процессе производства

Обрабатывающие центры по обработке композитов все чаще оборудуются встроенными в станок измерительными системами — сенсорными или сканирующими датчиками, установленными в устройстве смены инструмента — которые измеряют характеристики заготовки во время цикла обработки и передают данные о размерах в ЧПУ для автоматической коррекции смещения инструмента. Эта возможность замкнутого контура особенно ценна при обработке композитов, поскольку характер процесса с одной установкой означает, что нет возможности межоперационного контроля и коррекции. Ошибка, возникающая при токарной обработке — диаметр, увеличивающийся по мере износа пластины, — может повлиять на положение последующих фрезеруемых деталей, если она не будет обнаружена и исправлена ​​в течение того же цикла. Программирование циклов измерения, определение логики коррекции и установка пределов допуска для автоматических коррекций, а не для коррекций по сигналу тревоги — это неотъемлемая часть разработки процесса обработки композитов, а не второстепенная мысль.

Отрасли промышленности и типы деталей, которые приносят наибольшую выгоду

Многопроцессная обработка композитов дает наибольшую выгоду для деталей, которые сочетают в себе несколько типов элементов, требуют жестких межэлементных допусков, производятся в малых и средних объемах, когда амортизация на установку значительна, или изготовлены из дорогих или труднообрабатываемых материалов, где минимизация риска обращения и крепления снижает процент брака.

• Аэрокосмические конструктивные элементы: Приводы шасси, узлы валов двигателя, последующая обработка дисков турбины и компоненты управления полетом сочетают в себе точеные диаметры с фрезерованными карманами, просверленными поперечными отверстиями и прецизионными отверстиями — именно то сочетание функций, которое больше всего выигрывает от обработки композитов. Жесткая концентричность и позиционные допуски между этими элементами в сочетании с дорогими аэрокосмическими сплавами, лом которых катастрофически дорог, делают обработку композитов стандартным производственным подходом у ведущих производителей аэрокосмической продукции.
• Имплантаты и инструменты медицинского назначения: Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты и стоматологические компоненты требуют сложной геометрии, обработанной с очень жесткими допусками из биосовместимых материалов — титана, кобальта-хрома, нержавеющей стали — где целостность поверхности и точность размеров напрямую влияют на результаты лечения пациентов. Обрабатывающие центры для обработки композитов позволяют изготавливать эти детали целиком за один установ, что снижает как риск загрязнения при обращении, так и наложение допусков.
• Скважинные компоненты для нефти и газа: Утяжеленные бурильные трубы, стабилизаторы, корпуса скважинных инструментов и компоненты подводных соединителей представляют собой крупные, тяжелые и сложные детали, производимые в относительно небольших количествах. Сочетание обточенных наружных поверхностей, фрезерованных лысок, отверстий с поперечным отверстием и резьбовых соединений на длинных заготовках делает их идеальными кандидатами для крупнопроизводительных обрабатывающих центров по обработке композитов.
• Компоненты автомобильной трансмиссии: В трансмиссионных валах, корпусах дифференциалов и компонентах турбокомпрессоров в высокопроизводительных и коммерческих автомобилях используется композитная обработка, обеспечивающая сочетание точности, сокращения времени цикла и эффективности использования производственных площадей, при этом объемы производства оправдывают капитальные вложения.
• Промышленные инструменты и компоненты пресс-форм: Вставки для литьевых форм, компоненты штампов и прецизионные корпуса приспособлений, которые сочетают в себе сложные трехмерные фрезерованные поверхности с точеными или шлифованными цилиндрическими элементами, выигрывают от устранения ошибки переналадки, которую обеспечивает обработка композитов, особенно там, где соотношение между фрезерованными поверхностями полостей и точеными установочными диаметрами является критическим размером сборки.

Оценка того, подходит ли многопроцессная обработка композитных материалов для вашего предприятия

Капитальные затраты на композитный обрабатывающий центр — обычно в два-пять раз превышают стоимость сопоставимого однопроцессного станка — означают, что инвестиционное решение требует тщательного анализа того, где и как эти затраты окупаются за счет производственных выгод. Не каждая деталь и не каждая операция оправдывают обработку композитов, а инвестиции без четкого экономического обоснования создают финансовые риски, которые подрывают подлинные преимущества технологии.

• Анализ сложности детали: Определите количество различных настроек, необходимых в настоящее время для изготовления детали на обычном оборудовании. Детали, требующие трех или более установов на станках разных типов, являются наиболее надежными кандидатами на обработку композитных материалов. Детали, требующие одной или двух наладок на станке одного типа, получают меньшую выгоду от обработки композитов и могут не оправдать дополнительных затрат.
• Анализ толерантности: Просмотрите требования GD&T на чертеже на предмет межэлементных геометрических допусков — концентричность, перпендикулярность, истинное положение между элементами, созданными на разных машинах на текущем маршруте. Если эти допуски отнимают более 50% доступного бюджета только из-за ошибки настройки, преимущество точности обработки композитных материалов имеет явное количественное значение.
• Срок выполнения и стоимость незавершенного производства: Рассчитайте общее время, прошедшее от сырья до готовой детали на текущем маршруте с несколькими машинами, включая время в очереди на каждой машине. В мастерских и на мелкосерийных производствах время в очереди часто составляет 80% и более от общего времени выполнения заказа. Если обработка композитов устраняет три очереди станков, сокращение времени выполнения заказа может стать доминирующим экономическим фактором, а не прямыми затратами на обработку.
• Площадь помещения и производительность труда: Один составной обрабатывающий центр, заменяющий три отдельных станка, снижает требования к занимаемой площади, упрощает поток материалов и потенциально сокращает количество требуемых операторов станков — каждый из которых имеет измеримое влияние на стоимость, что способствует оправданию инвестиций.
• Возможности программирования и навыков: Обработка композитов требует более квалифицированных программистов и операторов, чем обычные однопроцессные станки. Прежде чем совершать инвестиции, оцените, смогут ли существующие сотрудники развить необходимую компетентность посредством обучения или необходимы новые сотрудники с опытом обработки композитных материалов. Недооценка потребностей в развитии навыков является одной из наиболее распространенных причин того, что инвестиции в обработку композитных материалов не оправдывают своего экономического обоснования.
• Объем и размер партии подходят: Преимущество исключения переналадки при обработке композитных материалов наиболее ценно при небольших и средних размерах партий, где время наладки составляет значительную часть общего времени производства. При очень больших объемах производства, когда выделенные автоматические линии или специализированная автоматизация одного процесса уже оптимизированы, экономика обработки композитов становится менее привлекательной, если только требования к точности не приводят к необходимости производства за один установ.