автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка и исследование системы компактного интеллектуального производства деталей летательных аппаратов на базе скоростной технологии контурного послойного синтеза

На правах рукописи

Рыцев Сергей Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОМПАКТНОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА БАЗЕ СКОРОСТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ КОНТУРНОГО ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА

Специальность 05.07.02 -

Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 2004.

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Национальный институт авиационных технологий»

Защита состоится 22 июня 2004 г. в 12—часов на заседании диссертационного совета Д 403.007.01 ОАО «Национальный институт авиационных технологий» (ОАО «НИАТ») по адресу: 1 13587, Москва, Кировоградская улица, д.З Телефон для справок: (095) 3110414

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направить по адресу: 113587, Москва, ул. Кировоградская,3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО

«НИАТ» по адресу: 113587,

Москва, ул. Кировоградская,3

Автореферат разослан «18 » мая 2004г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 403.007.01

доктор технических наук, профессор Егоров В.Н.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сироткин О.С. кандидат технических наук, доцент Скородумов СВ.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор физ. мат. наук, профессор Исаев В.К. кандидат технических наук Суслин В.П. ОАО «ОКБ Сухого»

Ведущая организация:

Общая характеристика.

Актуальность темы. Процесс разработки и производства опытных партий деталей летательных аппаратов с применением технологий послойного синтеза все в более значимых объемах начинает входить в конструкторскую и технологическую подготовку производства передовых авиационных фирм.

Известно, что сокращение цикла конструкторской разработки и технологической подготовки производства при повышении качества деталей ЛА, является важной задачей в конкурентной борьбе на рынке производства новой авиационной техники.

Основными тенденциями развития авиационного производства на сегодняшний день являются:

создание высокоманевренных сверх и гиперзвуковых ЛА, функционирующих как на больших, так и на малых высотах с высокими требованиями к качеству и сглаженности аэродинамических поверхностей планера;

повышение конкурентоспособности выпускаемых изделий путем снижения суммарных затрат и сокращения времени на разработку и производство деталей ЛА.

Для достижения этого предлагается разработка скоростной технологии для изготовления конструкторских прототипов и формообразующей оснастки, превосходящей аналогичные западные системы быстрого прототипирования.

Целью работы является разработка скоростной, высокоточной технологии контурного послойного синтеза из листовых композиционных материалов и создание опытного образца установки на базе этой технологии.

В соответствии с целью исследования были выдвинуты задачи исследования:

- изучить опыт разработки технологии и построения ряда объектов на импортных установках технологии послойного синтеза (ТПС);

Ь Н дЦПОПА.И.НАЯ ЬНчЛНОТЕМ

С-ПегерЛург ОЭ гсоуакт^Т9

?

- разработать скоростную технологию построения объектов контурным послойным синтезом (КПС) прототипов и деталей из листовых композиционных материалов (ЛКМ) и исследовать влияния режимов технологического процесса на прочность объектов, получаемых КПС из ЛКМ;

- разработать модели основных узлов установки КПС и ее конструкцию;

- определить обобщенную эффективность КПС. Объекты и методы исследования

Объектом исследования является технологический процесс контурного послойного синтеза и установка КПС.

Теоретической основой диссертации является построение графовых моделей, представляющих установку и ее узлы как гиперкомплексные динамические системы по методу Шатихина.

Научная новизна состоит в разработке скоростной технологии послойного синтеза, определяемой комплексом факторов: ускоренным регулированием мощности N излучателя в зависимости от скорости перемещения резака V, ноу-хау в технологическом программном обеспечении, применении линейных двигателей.

Были получены следующие новые научные результаты:

- дано обобщенное теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения контурного послойного синтеза при создании трудоемких, сложной формы деталей Л. А.;

- разработана компьютерная технология cложнопрофильного лазерного раскроя листового материала и сборки термосклеиванием с прикаткой термороликом в объемные объекты;

- найдены эмпирическая и математическая зависимости мощности лазерного излучателя от скорости перемещения лазерного резака, оптимальной при скоростях резания 1 м/сек и более на траектории раскроя;

- разработаны гиперкомплексные графовые и матричные модели основных узлов установки КПС для нахождения оптимальных конструктивных решений.

Положения выносимые на защиту:

- технологические процессы на базе технологий послойного синтеза на импортной установке LOM-1015, отличающиеся от традиционных процессов изготовления конструкторских моделей и технологической оснастки сокращением цикла подготовки производства и уменьшением себестоимости;

- технология построения прототипов и деталей контурным послойным синтезом из листовых материалов, отличающаяся от западного аналога точностью построения объекта и увеличением скорости раскроя более, чем в 2 раза;

- гиперкомплексые графовые и матричные модели установки КПС и ее основных узлов, отличающиеся от других системных методов анализа большей наглядностью и универсальностью представленных связей, и конструкция установки скоростного КПС;

- методика определения обобщенной эффективности контурного послойного синтеза.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждаются:

- теоретическим и экспериментальным обоснованием применения КПС при создании деталей Л. А.;

- положительными результатами при проведении испытаний на экспериментальной установке;

- созданием действующей установки КПС.

Реализация результатов.

Результаты работы в виде опытных образцов конструкторских прототипов и технологической оснастки внедрены на предприятиях ОАО «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого». Программное обеспечение зарегистрировано свидетельством №2003610034. Поданы две заявки на изобретение.

Апробация работы.

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах, в том числе:

на втором Межведомственном Научно-практическом семинаре «Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе КА и орбитальных станций в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» (1998 г.);

на симпозиуме «Лазерные и лазерно-информационные технологии». Суздаль. 2001 г.;

на семинаре «Лазерные технологии и опыт их внедрения» лазерной Ассоциацией, Москва, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, содержащего 85 наименования. Объем диссертации составляет 140 страниц, включая 69 рисунков и 22 таблиц.

Практическая ценность

Разработана и изготовлена установка контурного послойного синтеза (КПС).

Разработана скоростная технология построения объектов методом КПС для спроектированной установки, являющаяся ноу-хау.

Достоверность результатов исследования обоснована положительными оценками качества полученных тест- объектов на экспериментальной установке.

Основное содержание работы.

Во введении диссертации излагается основной замысел исследования и его реализация.

В первой главе диссертации описано направление повышения эффективности изготовления деталей летательных аппаратов и формообразующих элементов оснастки с применением метода послойного синтеза. В главе освещено следующее:

- обоснование актуальности исследования;

- определение области конструкторских прототипов, деталей и формообразующей оснастки, пригодной для технологий послойного синтеза (конструктивно-технологический анализ);

- сравнительный анализ технологий послойного синтеза;

Анализируя все основные ТПС (Рис.1) по производительности, стоимости одного дециметра кубического прототипа, возможности механической доработки, склеиванию для получения изделий больших габаритов, получению сложных форм без подпорок, цене владению ТПС, скорости изготовлению объекта, точности с целью возможного применения для создания трудоемких сложной формы деталей ЛА были выбраны LOM, далее будем называть контурный послойный синтез (КПС), и лазерная стереолитография (SLA).

В процессе конструкторской подготовки производства физическое моделирование составляет не менее 20% от трудоемкости проекта и послойный синтез позволяет рационализировать эту часть разработки.

Рис.1. Сравнительный анализ технологий послойного синтеза деталей

1.2

'/• изменения

линейных размеров прототипа

1

■ Воздух

■ Вод»

□ %влажностм

О

О 5 10 15 20 25 20 34 39 43 41 53

Врсмж (дней)

Рис. 2. Влияние среды на прототип.

В задачу технологической подготовки производства (ТПП) входит обеспечение качественного изготовления ЛА при наименьших затратах труда и средств, в заданные сроки, что с успехом решается применением ТПС.

Таким образом, актуальность разработки и исследования технологии послойного синтеза (ТПС) для изготовления деталей летательных аппаратов становится очевидной.

После проведения предварительных исследований по параметрам сохранения геометрической точности, (Рис.2.) габаритам, стоимости, возможности доработки и скорости прототипирования предпочтительнее КПС В области разработки КПС известны исследования Генералова. Вейко и за рубежом - М. Фегина.

В этих исследованиях скоростные и точностные параметры построения прототипов ограничены и не соответствуют требованиям отечественного авиастроения.

Поэтому в диссертации разрабатывается скоростная высокоточная технология КПС.

Для разработки скоростной технологии КПС были решены следующие задачи:

1. Разработаны технологические процессы изготовления деталей авиационной техники на базе КПС.

2. Создан стенд для поиска оптимальных параметров прототипирования.

3. Разработан основной скоростной техпроцесс КПС.

4. Спроектирована установка скоростного КПС.

На основе проведенного анализа стало возможным успешное выполнение работ, представленных в главе 2.

Во второй главе диссертационной работы описана экспериментальная отработка технологических процессов. изготовления деталей авиационной техники на базе технологий послойного синтеза. Она включает в себя разработку технологических процессов (рис.3):

- формообразования листовых деталей с аэродинамическими поверхностями;

- изготовления перчаток космического скафандра;

-изготовления электродов-инструментов для электрохимической обработки;

- изготовления лопаток авиационного двигателя

Применение КПС дает сокращение времени, повышение точности. Не удалось достичь приемлемых стоимостных показателей. Они оказались высокими- 70 долл. США за час работы установки. Поэтому дополнительно к преимуществам применения импортной установки появилась необходимость в разработке скоростной технологии КПС, у которой эти затраты в 3,5 раза меньше.

Рис.3. Технологические процессы изготовления деталей на базе ТПС.

В третьей главе диссертации описывается разработка компьютерной технологии контурного послойного синтеза, основанного на послойном представлении прототипируемого объекта и последовательном формировании изделия. Для поиска оптимальных параметров основного скоростного техпроцесса КПС был создан 5-ти координатный стенд (Рис.4а, б.).

Привод перемеше*** стола м пр|Ц* ПфСЫОПМ МПермаЮ

Рис. 46) Привод перемещения стола и привод перемотки материала На нем были определены следующие оптимальные параметры:

а) температура

б) давление

в) скорость прикатки термороликом

Для материала LHP 042 эти параметры, найденные по методу крутого восхождения, имеют значения: Т=155°С, Они позволили получить прототипы с прочностью на разрыв, СГр«зр= 14,8 кг/см2.

На стенде также были подтверждены найденные теоретически зависимости мощности лазера от скорости перемещения лазерного резака, получены семейства графиков для разных материалов и разного числа слоев (Рис.6.). Для теоретической оценки параметров рассмотрим следующую

Рис.5. Удельный объем сгораемого листового материала за время Ь Ширина Б реза принимается равной диаметру луча. Луч движется со скоростью V. За время 1 луч проходит расстояние VI. Если толщина листа бумаги равна Н, то за это время сгорает объем бумаги

w= ъ-н-Уг

На сжигание единицы массы используется энергия д. Для бумаги она равна 0,8 кДж/г.

Энергия на сжигание объема W будет равна Q = W.q

С другой стороны эта энергия равна 0 = Р-1,

где Р — мощность лазерного излучения, поглощаемая бумагой. Приравнивая два выражения для (}., получаем соотношение Р =к' Б' И' V' д, где к—коэффициент пропорциональности.

Из этого выражения следует, что:

1. Скорость резки пропорциональна мощности излучения лазера и обратно пропорциональна диаметру луча в зоне резки;

2. Толщина прорезаемой бумаги прямо пропорциональна мощности и обратно пропорциональна скорости движения луча.

Изменяя мощность, скорость и диаметр пятна фокусировки можно подобрать требуемые технологические параметры резки бумаги. Приведенные выводы справедливы, если энергия, идущая на нагрев прилегающих к зоне реза слоев бумаги пренебрежимо мала. Проведем оценку зоны нагрева.

Время воздействия излучения на конкретную точку реза равно времени прохождения луча мимо этой точки. Оно равно г=ШУ

Теплопроводность, определяющая распространение температуры равна где

- теплопроводность, - теплоемкость,

г-К

- плотность. Теплопроводность бумаги получается равной

Время воздействия при скорости движения луча 200 мм/с составит г= Б/У= 0.2мм/200мм/с = 1(Ге Зона прогрева равна при этом

Л = 0,1-0,2

Вт м-К

I = ->]аг -О/У = 23-10~'мм

Таким образом, зона прогрева составляет около 10% диаметра пятна. Примерно такова точность проведенных оценок. Для работы на установке послойного синтеза такая точность оценок вполне приемлема. Заметим также, что реальная скорость обработки предполагается в несколько раз выше, поэтому точность оценки даже выше приведенной. Экспериментальные данные по раскрою листового материала толщиной 110 мкм приведены на графике (рис.6.).

10 20 30 40 50

Мощность (Вт)

Рис.6. Экспериментальные данные по раскрою листового материала

Реализовано время снижения мощности излучения от NHOM ДО NMHH при V lm/c,t<10'5 (Рис.7)

Время снижения мощности излучения лазера от N ном до N min

t = s/v, где:

s - ширина реза лазерного резака (s = 0,1 мм);

v — максимальная скорость перемещения лазерного резака (v = 1 м/с) Таким образом время должно быть t < 10"5 с

Выработаны требования к системе, охватывающей всю технологическую схему создания прототипируемых объектов, включающие требования к формату данных математической модели объекта, графическому редактору, генератору управляющих программ.

Основой комплекса является интерактивный трехмерный графический редактор, имеющий стандартный Windows-интерфейс и оснащенный средствами геометрических построений и вычислений в трехмерном пространстве. Комплекс K3-LOM решает две основные задачи:

1. Чтение и верификация STL файлов: проверка модели на связность, замкнутость и самопересечение. Редактирование модели: удаление граней, сдвиг вершин, зашивка границ.

2. Задание параметров установки: размер рабочего стола, обрамление, толщина бумаги, шаг штриховки и др. Задание параметров сечений и построение по этим параметрам самих сечений и передача их управляющей программе установки.

Для формирования управляющей программы разработан генератор управляющих программ (ГУП).

Головная УП — в ГУП содержит необходимые технологические команды подготовки и завершения процесса производства изделия, подготовки к циклу резки, а также выполняет необходимые расчеты контроля роста модели по координате Z и отслеживание заложенных технологом изменений технологических параметров в зависимости от номера сечения (параметров, переменных по высоте изделия). Из головной УП вызываются вспомогательные подпрограммы формирования основания и дна ящика, а в цикле, называемом основным или, иначе, циклом резки, вызываются подпрограммы термосклеивания и резки сечений.

Ящик - обрамление (рис.8) формируется вокруг строящегося изделия из рулонного материала

Рис. 8 Размещение различных прототипов в ящике и служит для предохранения его от повреждений в процессе изготовления. Ящик состоит из подложки (дно ящика), стенок и крышки. Параметры ящика задаются в КЗ - LOM и переписываются им в ГУЛ. Габариты ящика определяют максимальные размеры изделия, поэтому они необходимы ГУП при расчетах подачи бумаги и т.п.

Взаимодействие программных модулей управления установки УПС-800.

Расчет программы прототипирования объекта осуществляется взаимодействием программного модуля K3-LOM и ГУП (рис. 9)

В четвертой главе диссертационной работы описано проектирование установки КПС на базе линейных двигателей с применением методов системного анализа.

Глава содержит:

- методику построения структурных моделей;

-представление установки КПС и ее основных узлов как гиперкомплексных динамических систем;

-описание конструкции установки КПС; Гиперкомплексный граф и структурная матрица управления СЧПУ линейными приводами раскройного стола представлены на рис. 11 и 12

Рис. 11. Гиперкомплексный граф управления линейными приводами.

А-СЧПУ В с

А Уь.

В1

У* 1 в2 1 1 УсЬ

1 Вз

1 В«

С, 1

Уьс 1 С2 1

1 1 Сз

А - СЧПУ с интерфейсным модулем ЧПУ

В - Цифровой регулятор привода линейных

перемещений по X, У

В1 - интерфейс цифрового регулятора;

В2—процессор цифрового регулятора;

Вз — преобразователь сигнала управления

линейных приводов по Х,У;

В4—преобразователь сигнала

С - Модуль линейных перемещений X, У

С|-ротор;

С2 — статор;

Сз - датчик положения

Связи, установленные между компонентами раскройного модуля с линейными приводами:

У,ь сигнал управления от УЧПУ на цифровой регулятор привода линейных перемещений по осям X, У

У)» обратная связь

Уьс сигнал управления от цифрового регулятора на модуль линейных перемещений по осям X, У УсЬ обратная связь

Рис. 12 Структурная матрица СЧПУ линейными приводами раскройного стола.

В пятой главе диссертации описывается обобщенная эффективность КПС. Выполнено технико-экономическое сравнения УПС-800 и ЬОМ 2030 с помощью предложенной системы показателей технико- экономического уровня (табл. 2) и определения цены владения технологией (рис. 13). Табл.2

Натуральные показатели Стоимостные показатели Обобщающий показатель технико-экономического уровня

удельная материалоемкость ёу = 0/Пч; удельная энергоемкость ЫУ=Ы/ПЧ удельная цена цу=ц/п, удельные текущие затраты Су=С/П, Эу=3/П

где О — рабочая масса оборудования; N— установленная мощность; Ц— оптовая цена;

С — годовые текущие (эксплуатационные) затраты у потребителя, связанные с эксплуатацией машины;

3 — годовые приведенные затраты по установке КПС;

П, , П — часовая теоретическая и годовая производительность (работа) установки.

На основании экспертной оценки в баллах с использованием указанных показателей технико-экономический уровень создаваемой технологии КПС в 1,7 раза выше, чем у известного аналога ЬОМ 2030 (фирмы НеЦвув, США) и в 2 раза меньше цена владения технологией послойного синтеза ( рис. 13.).

Затраты тыс. $

500"-

340

УПС-800

X) +

«

+

о +

.о

+

I

i

-к? ^ Фазы

Цена владения ТПС.

1 -фаза

2 -фаза

3 - фаза заканчивается утилизацией установки

a, - заполнение лазера новой газовой смесью

b, - затраты на расходные материалы

c, — наладка и ремонт

ё - затраты на утилизацию

Рис. 13. Цена владения ТПС

В работе показано, что затраты для КИПр на базе КПС с практически неограниченной гибкостью значительно меньше по сравнению с затратами на переналадку механообрабатывающих ПС, состоящих из станков с ЧПУ.

Создание компактного интеллектуального производства (КИПр) на базе технологий послойного синтеза с основными производственными этапами, представленными на рис. 14, оптимально соответствует условию «Гибкость-производительность» при изготовлении конструкторских прототипов и объемной технологической оснастки.

При выборе производственной системы КИПр отдаем приоритет гибкости или производительности.

Повышение эффективности мелкосерийного производства деталей возможно при одновременном повышении технологической гибкости и производительности ПС нового поколения, в которых высокопроизводительное оборудование (типа термопластавтомата) будет одновременно использоваться с гибкими технологическими системами оперативного изготовления формообразующей оснастки.

Производственная система, которая оказалась бы способной изготавливать изделия сложной формы по индивидуальным заказам, должна базироваться на технологических методах, гибкость которых не должна зависеть от параметров инструмента (в частности, от его геометрии), а определяется лишь сменой программного обеспечения.

Продукция Я в КИПр характеризуется количественно и качественно программой выпуска Я кол и номенклатурой Я ном

Я = (Я кол, ЯНОМ) (1.1)

можно определить техническую эффективность Эт как функцию

Эт=Р(11колЛ11номЛ)=Р(П,Г), (1.2)

где П - производительность ТП (ПС); Г-гибкость ТП (ПС).

Вид зависимости (1.2) определим на основе классификации ПС по областям их применения. Области эффективного применения ПС можно аппроксимировать кривой (максимальная эффективность соответствует конкретным условиям производства), которая описывается уравнением следующего вида:

Эт = ПГ = const (1.3)

здесь коэффициент "эластичности".

На основе разработанной технологии и созданной установке предложена концепция КИПр, диаграмма производственного процесса которого представлена на рис.14.

Рис 14 Функциональна диаграмма производственного процесса в системе КИПр

Основные выводы.

1. В результате проведенного анализа технологий послойного синтеза выявлено, что наиболее перспективным для ускорения КПП и ТПП с повышением качества деталей ЛА является создание скоростных установок контурного послойного синтеза и компактного интеллектуального производства на их основе.

2. Разработана компьютерная технология контурного послойного синтеза, основанная на послойном представлении прототипируемого объекта и последовательном формировании изделия с точностью прототипирования ±0.05 мм и производительностью построения объекта 3-5дм .куб/час или скоростью раскроя 1м/с, которая в том числе является основой для создания и других технологий послойного синтеза.

3. Примененный метод системного анализа, основанный на построении гиперкомплексных графов и матриц, позволил оптимальным образом с выявлением механических, электрических и информационных связей разработать конструкцию узлов установки послойного синтеза.

4. В результате разработки лазерно-оптической системы с применением оптико-акустического модулятора для управления энергией лазерного излучателя удалось обеспечить высокоскоростной лазерный раскрой по сложному контуру листовых и пленочных материалов для различных технологических процессов.

5. Разработана установка контурного послойного синтеза из листовых и пленочных материалов на принципах точного и жесткого станка с ЧПУ в отличие от западных аналогов, имеющих плоттерную конструкцию.

6. Разработанная технология делает возможным параллельное изготовление отдельных узлов технически сложных изделий, вместо длительных итерационных последовательных процессов.

№12699

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. С.Б.Рыцев Автоматизация проектирования и производства с использованием технологий быстрого прототипирования / Журнал «Авиационная промышленность» № 10 с. 90-93.2000г.

2. С.Б.Рыцев, Л.Я.Витоль Создание специализированного производства формообразующих деталей со сложнофасонными поверхностями для КИПр/Информационные технологии в проектировании и производстве - 1999. № 1 с.62

3. СБ. Рыцев, В.В. Кувшинов, Е.И. Филиппов. Компактное интеллектуальное производство деталей на базе скоростной технологии контурного послойного синтеза. - Информационные технологии в проектировании и производстве, 2003, №3.

4. СБ. Рыцев. Требования к листовым материалам для послойного синтеза. Конференция по лазерным и лазерно-иформационным технологиям. Суздаль, 2001 с.90

5. СБ. Рыцев. Разработка технологических процессов изготовления деталей сложных форм с применением технологии послойного синтеза. Лазерные технологии и опыт их внедрения. Научно-практический сборник. Москва, 2004 г.

6. Зайцев Б.Г., Рыцев СБ. Справочник молодого токаря. - М.: Высш.Шк., 1988. - 336 с: ил.

7. С.Б.Рыцев Уровень дизайна - весомый аргумент на рынке бытовой техники / Информационный журнал-справочник - 1998 № 8(17) - с.62.

введение.

1. Анализ проблемы повышения эффективности изготовления деталей летательных аппаратов и формообразующих элементов оснастки с применением методов послойного синтеза. Постановка задачи исследования Принятые сокращения

1.1. Тенденции развития производства изделий, деталей и формообразующей оснастки методами технологии послойного синтеза в авиастроении

1.2. Конструктивно-технологический анализ изделий и формообразующей оснастки, пригодной для технологии послойного синтеза

1.3. Сравнительный анализ технологий послойного синтеза деталей

1.4. .Основные принципы построения компактного интеллектуального производства деталей, моделей и формообразующей оснастки методами технологии послойного синтеза

1.5. Постановка задачи исследования

2. Экспериментальная отработка технологических процессов деталей авиационной техники на базе технологий послойного синтеза

2.1. Разработка технологического процесса формообразования листовых деталей с аэродинамическими поверхностями

2.2. Разработка технологического процесса изготовления перчаток космического скафандра

2.3. Разработка технологического процесса изготовления электродов-инструментов для электрохимической обработки

2.4. Разработка технологического процесса изготовления лопаток авиационного двигателя

2.5. Экономическая эффективность новых технологических процессов на базе применения зарубежных установок послойного синтеза

2.6. Разработка технических требований к опытному образцу установки контурного послойного синтеза

3. Разработка скоростной технологии построения прототипируемых объектов методом контурного послойного синтеза. Исследование влияния режимов технологического процесса на производительность и качество объектов из листовых материалов.

3.1. Устройство и принцип работы стенда

3.2. Разработка технологии построения объектов методом контурного послойного синтеза

3.3. Определение технологических параметров прототипирования

3.4. Расчет режимов резки листового материала СОг-лазером

3.5. Расчет параметров листового материала для построения моделей

3.6. Расчет программы построения объекта на установке КПС

4. Проектирование установки контурного послойного синтеза на базе линейных двигателей с применением методов системного анализа

4.1. Методика построения структурных моделей

4.2. Проект установки контурного послойного синтеза - как гиперкомплексная динамическая система

4.3. Гиперкомплексный граф установки КПС

4.4. Разработка конструкции установки модели УПС

5. Обобщенное определение эффективности технологии послойного синтеза. Совершенствование технологической подготовки производства

5.1. Общая характеристика и источники образования экономической эффективности ТПС

5.2. Критерии эффективности контурного послойного синтеза.

5.3. Особенности технологического процесса изготовления формообразующей оснастки на базе технологии контурного послойного синтеза

5.4. Определение эффективности контурного послойного синтеза Общие выводы

В настоящее время в отечественном авиастроении создаются новые образцы авиационной техники с применением традиционных средств автоматизации- САПР, компьютеризации, оборудования с ЧПУ, и почти не применяются технологии быстрого прототипирования.

Как показывает мировой опыт, внедрение технологии послойного синтеза (ТПС) в конструкторской и технологической подготовки производства (КПП и Hill), в том числе на западных авиационных фирмах Боинг (США), Аэрбас (Европейский консорциум), и других, пока еще небольшого числа отечественных предприятий, в том числе ОАО «ОКБ Сухого», ведет к сокращению сроков, снижению стоимости и повышению качества новых изделий.

Это могут быть автономные установки ТПС и их сочетание с прогрессивными способами холодного напыления металлов, средствами бесконтактных измерений и другими технологиями в составе компактного интеллектуального производства (КИПр) [1].

В 1982 году Горюшкиным В.И., Исаевым В.К., Ситниковым В.П. и Скородумовым C.B. [84,85], был начат комплекс НИОКР в области ТПС в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ). В Витебском политехническом и Московском авиационном институтах были созданы экспериментальные установки для послойного синтеза изделий из листовых материалов.

В области разработки промышленных образцов КПС известны исследования Генералова H.A. [82], Вейко В.П [83] и за рубежом М. Фегина и других.

В этих исследованиях скоростные и точностные параметры построения прототипов ограничены и не соответствуют требованиям отечественного авиастроения. Установки западных фирм дороги и имеют высокие эксплуатационные затраты.

В связи с этим целью работы является разработка скоростной, высокоточной технологии контурного послойного синтеза из листовых композиционных материалов и создание опытного образца установки на базе этой технологии.

В результате выполнения данной работы разработаны технологические процессы и построены ряд объектов на импортных установках ТПС с реализацией бесплазовой, малоэнергоемкой технологии.

Разработана технология построения прототипов и деталей контурным послойным синтезем из листовых композиционных материалов (ЖМ) для отечественной установки, являющаяся ноухау, изготовлен опытный образец установки скоростного послойного синтеза.

На основе методов системного анализа проведена технико-экономическая оценка технологий разработки и изготовления авиационной формообразующей оснастки.

На основании разработанных моделей основных узлов установки КПС разработана прогрессивная конструкция установки, основанная на передовых технических решениях, в том числе на линейных модулях.

Разработана методика сопоставления различных показателей эффективности ТПС.

Технология КПС деталей из ЛКМ на базе технических средств для ее реализации при производстве конструкторских прототипов и формообразующих деталей оснастки дает возможность комплексно подойти к проблеме автоматизации мелкосерийного и единичного производства изделий сложной пространственной формы, обеспечивая повышение производительности труда и качество выпускаемой продукции.

Создаваемые изделия должны наиболее полным образом удовлетворять запросам и требованиям потребителей и быть конкурентоспособными на мировом уровне, а значит процесс их разработки и изготовления должен быть на современном уровне.

Разработка и внедрение на отечественных предприятиях ТПС, которые по своим технико-экономическим показателям превосходят западные аналоги, позволяет успешно конкурировать на промышленном рынке высокотехнологичной продукции, что является актуальным.

Положения выносимые на защиту:

- технологические процессы на базе технологий послойного синтеза на импортной установке ЬОМ-1015, отличающиеся от традиционных процессов изготовления конструкторских моделей и . технологической оснастки сокращением цикла подготовки производства и уменьшением себестоимости;

- технология построения прототипов и деталей контурным послойным синтезом из листовых материалов, отличающаяся от западного аналога точностью построения объекта и увеличением скорости раскроя более, чем в 2 раза;

- гиперкомплексые графовые и матричные модели установки КПС и ее основных узлов, отличающиеся от других системных методов анализа большей наглядностью и универсальностью представленных связей, и конструкция установки скоростного КПС;

-методика определения обобщенной эффективности контурного послойного синтеза.

Общие выводы.

1. В результате проведенного анализа технологий послойного синтеза выявлено, что наиболее перспективным для ускорения КПП и IIШ с повышением качества деталей ЛА является создание скоростных установок контурного послойного синтеза и компактного интеллектуального производства на их основе.

2. Разработана компьютерная технология контурного послойного синтеза, основанная на послойном представлении прототипируемого объекта и последовательном формировании изделия с точностью прототипирования ±0.05 мм и производительностью построения объекта 3-5дм.куб/час или скоростью раскроя 1м/с, которая в том числе является основой для создания и других технологий послойного синтеза.

3. Примененный метод системного анализа, основанный на построении гиперкомплексных графов и матриц, позволил оптимальным образом с выявлением механических, электрических и информационных связей разработать конструкцию узлов установки послойного синтеза.

4. В результате разработки лазерно-оптической системы с применением оптико-акустического модулятора для управления энергией лазерного излучателя удалось обеспечить высокоскоростной лазерный раскрой по сложному контуру листовых и пленочных материалов для различных технологических процессов.

5. Разработана установка контурного послойного синтеза из листовых и пленочных материалов на принципах точного и жесткого станка с ЧПУ в отличие от западных аналогов, имеющих плоттерную конструкцию.

6.Разработанная технология делает возможным параллельное изготовление отдельных узлов технически сложных изделий, вместо длительных итерационных последовательных процессов.

1. Скородумов C.B. Создание и развитие систем КИПр / Литейное производство № 7. 1999. с. 28-30

2. Братухин А.Г., Сироткин О.С. Современные технологии М.: Машиностроение, 1999. - 832 с.

3. Васенков A.B., Скородумов C.B. Труды Международной конференции CAD/CAM/PDM 2001г.

4. Рыцев С.Б. Уровень дизайна весомый аргумент на рынке бытовой техники / Информационный журнал-справочник - 1998 №8(17)-с.62.

5. Строение и свойства авиационных материалов: / Под ред. А. Ф. Белова, В.В. Николенко. М.: Металлургия, 1989. - 368 с.

6. Шичков Г. С. Структурные классификации технологического процесса. Вестник машиностроения, 1990, N2, с. 46-51.

7. Ю.Кошкин JI. Н. Роторные и роторно-конвейерные линии. М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.

8. Н.Волков Ю. С., Лившиц А. Л. Введение в теорию размерного формообразования электро-физико-химическими методами. -Киев.: Высшая школа, 1978. 120 с.

9. Дружинский И. А. Сложные поверхности. Л.: Машиностроение 1985.- 168 с.

10. Горюшкин В.И. Основы производства деталей машин и приборов. Мн.: Наука и техника, 1984. - 222 с.

11. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. -Л.: Наука, 1974.-205 с.

12. Большая Советская энциклопедия. Изд. 3-е, М.: Советская энциклопедия, Т. 16, 1971, с. 472 - 473.

13. Композиционные материалы: В 8-ми томах. / Пер. с англ. под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. М.: Машиностроение, 1978, Т. 3. Применение композиционных материалов в технике. / Под ред. Б. Нотона, 1978.-511 с.

14. П.Боголюбов В. С. «Формообразующая оснастка из полимерных материалов» М.: Машиностроение, 1979. 178 с.

15. Композиционные материалы: В 8-ми томах. / Пер. с англ. под ред. JI. Браутмана, Р. Крока. М.: Машиностроение, 1978, Т. 3. Применение композиционных материалов в технике. / Под ред. Б. Нотона, 1978.-511 с.

16. Сутормин В.И., Ерощенков М.В. Повышение производительности и качества резки композиционных материалов. "Механизация и автоматизация производства", 1989, №8, с. 13-18.

17. Росс. Д. SADT-методология структурного анализа ипроектирования. 1979.

18. Крысин В. Н. Технологическая подготовка авиационного производства. М.: Машиностроение 1984. - 200 с.

19. Рыцев С.Б,.Витоль Л.Я Создание специализированного производства формообразующих деталей со сложнофасонными поверхностями для КИПр/Информационные технологии в проектировании и производстве 1999. № 1 с.62

20. Зайцев Б.Г., Рыцев С.Б. Справочник молодого токаря. — М.: Высш.Шк., 1988. 336 е.: ил.

21. Сергеев В.И. Логистика в бизнесе: Учебник. — М.: ИНФРА-М, 2001. 608 с. - (серия «Высшее образование»).

22. Емельянова А.П. Технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1979. 240 е., ил.

23. Литье по выплавляемым моделям / Под редакцией Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. М., Машиностроение, 1971. 436 с.

24. Новые методы создания прототипов деталей и изделий изделий и изготовления технологической оснастки / Материалы семинара на выставке "Машиностроение'97". Москва, 24-28 ноября 1997 -ВВЦ "Сокольники".

25. Материалы фирмы Z Corporation(CILLA) на выставке "Машиностроение 2001"

26. Электроэрозионная и электрохимическая обработка (Часть 2).1. Москва, ЭНИМС, 1980.

27. Приспособления для электрофизической и электрохимической обработки. Машиностроение, 1988.

28. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. Справочник, М. Машиностроение, 1982.

29. Технология и экономика электрохимической обработки. Сборник под редакцией проф. Ф.В.Седыкина, М. Машиностроение, 1980.

30. Папилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. Справочник, М. Машиностроение, 1982.

31. Иванов А.П. Основы прогрессивной технологии и рациональные методы обработки деталей авиационных двигателей. М.: Машиностроение. 1975. 374 с.

32. Рахмарова М.С., Мирер Я.Г. Влияние технологических факторов на надежность лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1966. 223 с.

33. Состояние и перспективы производства синтетической бумаги. БелНИИ информации, серия химической технологии. Минск, 1982.

34. Крылов К.И. и др. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Ленинград, «Машиностроение», л.о. 1978.

35. Синтетические бумагоподобные пленки и бумаги на их основе. НИИТЭХИМ, вып. 16,1980.

36. Примаков С.Ф. Производство бумаги. М. 1987.

37. Термопластичные клеи и склеивание термопластов. М. 1975.43 .Крылатое Ю. Материалы для проклейки бумаги и картона. М. 1982.

38. Полимерные пленочные материалы для упаковки пищевых продуктов в СССР и за рубежом. М. 1975.

39. Оборудование для производства бумагоподобных материалов из синтетических и минеральных волокон. ЦИНТИХИМ, М. 1985.

40. Сборник «Технологическая документация по изготовлению рулонных облицовочных и кромочного материалов на основе бумаг, пропитанных композиционными составами. 1988.

41. Адлер Ю.П., Ратнер А.И., Лещинская Г.Ф. Об активно-пассивном эксперименте. Научные труды Гиредмета, 1969, т.27. М., изд-во «Металлургия», стр. 16.

42. Х.Гуд, Р.Э.Макол. Системотехника. Введение в проектирование больших систем. М., изд-во «Советское радио», 1962. 49J.von.Neumann, O.Morgenstern. Theory of games and economic behaviour. Princeton University Press, 1947.

43. Добкин B.M. Выбор экономических критериев оптимизации режимных и конструктивных параметров реакторов. Химическая промышленность, 1968, № 3.

44. Рыцев С.Б., Кувшинов В.В., Филиппов Е.И. Компактное интеллектуальное производство деталей на базе скоростнойтехнологии контурного послойного синтеза. Информационные технологии в проектировании и производстве, 2003, №3.

45. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. JL, 1974. -216 с.

46. Матросов В. М., Анакольский JI. Ю. Васильев С. Н. Метод сравнения в математической теории систем. Новосибирск, 1980. -480 с.

47. Михалевич В. С. Волкович В. Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М., 1982. 288 с.

48. Малюта А. Н. Анализ соотношения гиперкомплексных неопределенностей. Львов, 1984. — 12 с. Рукопись деп. в УкрНИИНТИ, № 1398 Ук-84Деп.

49. Малюта А. Н. Модели и матрицы проводимостей основных видов операционных усилителей//Изв. ЛЭТИ. 1979. № 243. С. 109112.

50. Малюта А. //.Определение расстояния в гиперкомплексном пространстве. Львов, 1984. С. 8. Рукопись деп. в УкрНИИНТИ, № 1384Ук-84Деп.:

51. Малюта А. Н. Основной закон замкнутых гиперкомплексных динамических/систем. Львов, 1984. С. 7. Рукопись деп. в УкрНИИНТИ,. № 181Ук-84Деп.

52. Малюта А. Н. Планетарная модель гиперкомплексной динамической системы. Львов, 1984. С. 6. Рукопись деп. в УкрНИИНТИ, № 119Ук-85Деп.

53. Малюта А. Н. .Разомкнутые гиперкомплексные динамические системы,-Львов. 1984.— С.

54. Оптнер С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М., 1969. — 216 с.

55. Шатихин Л. Г. Структурные матрицы и их применение для исследования систем. М., 1974. — 247 с.

56. Эллис Д. Людвиг Ф. Строгое определение понятия системы // Исследования по общей теории систем. М., 1969. с. 267-283.

57. Янг С. Системное управление организацией. М., 1972. 455 с.

58. Амиров Ю.Д. Организация и эффективность научно-W исследовательских и опытно-конструкторских работ. М.:1. Экономика, 1974. 237 с.

59. Гусаков М.А. Эффективная организация процесса «Исследование производство». - М.: Экономика, 1978. - 120 с.

60. Левин Г.И. Эффективность затрат в строительство производственных объектов. М.: Экономика, 1971. - 279 с.

61. Метт Г.Я. Анализ эффективности затрат на новую технику. М.: Финансы. 1968. - 63 с.

62. Проскуряков A.B. Организация создания и освоения новой техники. М.: Машиностроение, 1975. - 222 с.

63. Смирницкий Е.К. Экономика и машина. М.: Экономика, 1970. -391 с.

64. ГОСТ 2.116-71. ЕСКД. Карта технического уровня и качество продукции. М.: Изд-во стандартов, 1983. Т. 3, с.110.

65. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1983. Т. 3, с.87.

66. Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. М.: Экономика, 1977.-54 с.

67. Ржига Л. Экономическая эффективность научно-технического прогресса. М.: Экономика, 1969. — 310 с.

68. Зотова Л.В. Критерий эффективности долговечности и надежности техники. М.: Экономика, 1973г. - 103 с.

69. Скородумов C.B., Шведова В.В. Среднесрочный прогноз развития технологий быстрого прототипирования./ Изобретатели машиностроению, №1, 1999

70. Материалы института в г. Фраунхофен (Германия).

71. Kochan D. Solid Freeform Manufacturing Advanced Rapid m Prototyping. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, London, New1. York, Tokyo 1993

72. Rapid Prototyping Report, January 1995, Volume 4, Number 1, CAD/CAM Publishing,Inc., San Diego, CA.

73. Jacobs P. Stereolithography and other RP&M Technologies / Society of Manufacturing Engineers, New York. 1996, p.392

74. Генералов H.A., Кедров А.Ю., Соловьев Н.Г. и др. Установка для лазерного трехмерного синтеза методом послойной склейки.

75. Конференция по лазерным и лазерно-иформационным технологиям. Суздаль, 2001 с.90

76. Вейко В.П., Яковлев Е.Б. и др. Пятилетний опыт эксплуатации первой отечественной ЬОМ-установки «Карат-200» в промышленности. Конференция по лазерным и лазерно-иформационным технологиям. Суздаль, 2001 с.93

77. В.И.Горюшкин, В.К.Исаев, О.С.Мурков, О.С.Сироткин, С.В.Скородумов, В.В.Хорощев, А.Г.Василевский. Способ изготовления изделий. Изобретение. Заявка № 4368279/3205/017266. Пол. решение от 20.10.1988г.

78. В.К.Исаев. Геометрические основы построения автоматизированной системы изготовления аэродинамических моделей. Докт. диссертация. ЦАГИ-МАИ, 1991г.