МЕТАЛЛООБРАБОТКА • 5/2007 •2

А.А. Руденко, начальник отдела обеспечения станков с ЧПУ, Государственное предприятие Научно-производственный комплекс

газотурбостроения «ЗОРЯ» – «МАШПРОЕКТ», г. Николаев

ИЗМЕРЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ КИМ В УСЛОВИЯХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Внедрение координатно-измерительных машин от ведущих мировых производителей на отечественных машиностроительных предприятиях — это не дорогостоящая прихоть, а надежный и выгодный инструмент в конкурентной борьбе за платежеспособного клиента. Подтверждение этого — практика работы николаевского НПКГ «Зоря-Машпроект», использующего у себя КИМ Wenzel для контроля размеров лопаток газотурбинных двигателей. В частности, анализ с помощью КИМ позволяет определить систематические погрешности, появляющиеся в процессеобработки, а также облегчит поиск их причин.

Каждый год, начиная работу в рам-ках преддипломной практики со студентами-технологами, я задаю

им вопрос: «Какая операция, по вашему мнению, является последней в любом тех-нологическом процессе?» Наиболее «про-двинутые» студенты хором высказывают-ся в пользу «контрольной операции». Я же традиционно отвечаю, что последняя опе-рация в любом техпроцессе — по крайней мере, на стадии его внедрения — поиск виновного. И если технолог хочет быть в этом процессе не «подследственным», а «следователем», то в своей работе он дол-жен уделять серьезнейшее внимание воп-росам контроля.

В том числе и по этой причине я хотел бы остановиться на рассказе об опыте внедрения в производство координат-но-измерительных машин (КИМ) на пред-приятии «Зоря-Машпроект». Речь пойдет о внедрении контроля результатов обра-

ботки криволинейных поверхностей (ло-паток газотурбинных двигателей (ГТД)). Если производство ГТД можно отнести к

мелкосерийному или даже единичному, то изготовление лопаток для них — уже се-рийное. Не останавливаясь на различных

The author shares his valuable experience in the implementation of a coordinate measuring machine (CMM) in the production process of Zorya-Mashproekt research-and-production association in Nikolaev. The analysis conducted with the help of a CMM enabled them not only to find system-atic inaccuracies, but also to eliminate their causes. The CMM was used to control the results of final working of gas turbine engine blades carried out by a five-axis working center using the spiral method. The CMM WENZEL makes it possible to fix the workpieces to be controlled imitating their position both in the milling center and in the finished turbine. The control is based on the 3D model of the blade, created beforehand and imported in the machine software. The preparation stage also includes setting the coordinates system, designating the sections and points to be controlled, and set-ting the tolerance range. The results are visualised on a computer screen by highlighting the image in different colours depending on whether the points lie within or beyond the tolerance range; the test log is available on the screen and in the printed form. Statistical analyses of the deviations enabled the specialists to uncover the reasons for their appearance and to work out and implement the necessary measures to eliminate these causes.

Рис. 1. Комплексный участок станков с ЧПУ в лопаточном производстве

Measurement of Complex-Form Parts with the Use of CMM in Batch Production

3• 5/2007 • МЕТАЛЛООБРАБОТКА

способах изготовления лопаток, а также преимуществах и недостатках этих спо-собов, представим некоторые результаты внедрения контроля поверхностей слож-ной формы с помощью КИМ в условиях се-рийного производства.

Несколько лет назад в лопаточном про-изводстве на нашем предприятии был создан комплексный участок станков с ЧПУ, предназначенный для окончатель-ного спирального фрезерования профи-ля пера лопаток. В состав этого участка вошли:

пятикоординатный четырехшпин-дельный обрабатывающий центр NX154 Starrag (рис. 1),

шлифовально-заточной станок с ЧПУ Walter,

координатно-измерительная маши-на Wenzel.

Участок был достаточно быстро введен в эксплуатацию, и со второго полугодия с момента запуска вышел на трехсменный режим работы. Внедрением участка пред-полагалось решить следующие задачи:

1. повышение производительности труда,

2. достижение стабильного качества изготовления деталей,

3. исключение опасных для здоровья персонала и вредных для окружающей среды технологий.

Поставленные задачи оказались выпол-ненными, а сам процесс внедрения и пос-ледующая эксплуатация комплексного участка — достаточно поучительными.

Чтобы в дальнейшем не возникало не-обходимости комментировать способ обработки лопаток при обсуждении про-цесса контроля, коротко остановлюсь на описании процесса фрезерования профиля пера лопатки. Он осуществля-ется на 5-координатном 4-шпиндельном обрабатывающем центре NX-154 Starrag спиральным методом (рис. 2). Лопатка устанавливается в поворотной станции с помощью приспособления с базирова-нием её по замку и в упор. В осевом на-правлении с противоположной стороны лопатка поджимается центром в центро-ванное отверстие на бобышке (рис. 3).

Рабочими движениями являются уп-равляемый постоянный поворот лопатки вокруг своей оси и перемещение фрезы вдоль оси лопатки, формирующее про-филь по спирали.

◆

◆

◆

Станок NX-154 имеет 4 поворотные станции, а значит, осуществляет 4 парал-лельных процесса обработки.

Вернемся к теперь к вопросу измерений. В состав комплексного участка, как бы-

ло отмечено выше, входит КИМ WENZEL, предназначенная для контроля профиля пера всех типов лопаток, изготавливае-мых на нашем предприятии методом спи-рального фрезерования. Базирование контролируемых деталей на столе ма-шины осуществляется путем установки приспособления (рис. 4), повторяющего систему базирования лопатки в приспо-соблении для фрезерования, а также в газотурбинном двигателе. В большинс-тве случаев это приспособление пред-ставляет собой замок типа «ласточкин хвост». Приспособление устанавливает-ся в произвольном месте стола, привязка системы координат осуществляется по характерным точкам приспособления.

Для проведения контроля профиля ло-патки предварительно создается ее трех-мерная модель в любой из CAD систем. Также это может быть конструкторская CAD модель лопатки (в случае ее сущес-твования). КИМ оснащена специальным программным обеспечением с широки-ми возможностями. Разработка управ-ляющей программы (УП) для проведения контроля лопаток состоит из нескольких этапов (рис. 5):

1. В среду Metrosoft вводится 3D мо-дель лопаток;

2. Назначается система координат, со-ответствующая системе координат при-способления:

3. Определяются сечения, по которым будет проходить процесс измерения, и количество точек в каждом из них. В на-шем случае замеры производятся пос-ледовательно, с 2-х сторон, вначале на «спинке» лопатки, затем — на «корыте».

4. Устанавливается поле допуска, необ-ходимое для формирования отчета.

После определения оптимальной на-чальной позиции машина готова к про-ведению измерений по управляющей программе.

Процесс контроля имеет прекрасную визуализацию на экране компьютера. (рис. 6). На нем отображена 3-мерная модель лопатки, на которой появляется изображение проверенной точки, окра-шенное одним из трёх цветов:

Рис. 2. Станок NX154Starrag. 4 поворотные станции — 4 параллельных процесса

Рис. 3. Визуализация спиральной обработки профиля в САМ системе RCS

Рис. 4. Приспособление для базирования контролируемых деталей на столе КИМ WENZEL

Рис. 5. Интерфейс управляющей программы контроля

МЕТАЛЛООБРАБОТКА • 5/2007 •4

Зеленый — абсолютное отклонение положения точки лежит в средней части поля допуска,

Желтый — точка находится в поле допуска, но близка к его верхнему или нижнему пределу.

Красный — сигнал тревоги, что означа-ет: «отклонение вышло за поле допуска».

Не менее удобен формируемый на экране и бумаге протокол измерений (рис. 7). В нем в наглядной форме приво-дятся номинальные и фактические коор-динаты каждой точки, значение отклоне-ний по каждой из координат, абсолютное отклонение и процент отклонения по ней. Опыт показал, что такая форма удоб-на как для текущего контроля, так и для анализа результатов обработки.

Первые же результаты замеров пока-зали, что при переходе от контроля кри-волинейных поверхностей шаблонами к измерениям на КИМ мы получили высо-коэффективный инструмент для анализа результатов обработки. Переход от субъ-ективного контроля к объективному по-казал наличие проблем, о существовании которых мы могли только догадываться. Теперь же они предстали перед нами в яв-ной форме.

Для выявления систематических от-клонений нами были выполнены следую-щие действия:

1. искусственно ужесточено поле допуска;2. введена временная маркировка ло-

паток в зависимости от номера поворот-ной станции, на которой она была уста-новлена.

Далее была проведена серия заме-ров для различных лопаток. В итоге мы получили стопку протоколов с красно-желто-зелеными изображениями лопа-ток. Для анализа этих результатов ну-жен был специальный инструмент. Бы-ло предложено определить средние значения отклонений по сечениям. На первый взгляд, такие значения подоб-ны «средней температуре по больнице». Но по этим значениям отклонений бы-ли построены графики, дающие четкое представление о результатах обработки спинки и корыта в зависимости от длины лопатки (рис. 8).

Аналогичные измерения были прове-дены и для случая с поджимом лопатки центром в центровочное отверстие на бобышке. Этот вариант повторяет систе-

◆

◆

◆

му базирования на станке, а первый — базирования лопатки в двигателе.

В результате проведенного статисти-ческого анализа были выявлены следую-щие закономерности:

1. В каждом замере изменения средних значений отклонений спинки и корыта на-правлены «навстречу друг другу» (рис. 8)

2. Значения средних отклонений из-меренных лопаток превышают значения поля допуска.

3. Графики средних отклонений для од-ной и той же лопатки различны при изме-рении с прижимом центром и без него.

4. Значения средних отклонений в за-висимости от номера шпинделя различ-ны (рис. 8, 9).

Следующим шагом было установление возможных причин отклонений. Тенденция к пересечению графиков результатов спин-ки и корыта может быть объяснена разво-ротом реального профиля пера лопатки, образованным в результате обработки, относительно теоретического. Согласно расчетам, центр разворота ориентировоч-но совпадает с осью поворотной станции станка NX 154. Одним из объяснений этому может быть наличие люфтов поворотных станций на станке, а также точность изго-товления адаптеров, в которых зажима-ется лопатка при фрезеровании. Велико влияние точности центровки на бобыш-ках, о чем говорит нарастающее смещение точек от корневого сечения к периферий-ным. Отклонения, характеризующиеся утолщением профиля от нижнего шпинде-ля к верхнему, можно объяснить наклоном плоскости станка, в которой расположены поворотные станции с лопатками, отно-сительно плоскости, проходящей через торцы шпинделей. Это делает неодинако-вым расстояние от вершины инструмента до оси вращения лопаток.

На следующем этапе мы провели раз-работку и реализацию мероприятий, на-правленных на устранение перечислен-ных причин отклонений. Повторный кон-троль с помощью машины Wenzel позво-лил установить действенность этих ме-роприятий.

Таким образом, применяя КИМ мы пе-реходим от контроля результатов к кон-тролю процессов, что позволяет отслежи-вать неизбежные тенденции к ухудшению процессов и предотвращать возможность негативных результатов.

Рис. 8. Распределение средних значений отклонений по спинке и корыту лопатки без прижима центром

Рис. 7. Вид протокола измерений

Рис. 9. Распределение средних значений отклонений вдоль пера лопаток по поворотным станциям 1–4

сечения

ср. з

наче

ния

откл

онен

ий

Без прижима центром шп.1

корытоА0-А0 А1-А1 А2-А2 А3-А3 А4-А4 А5-А5 А6-А6

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

-0,1

-0,2

спинка

сечения

ср. з

наче

ния

откл

онен

ий

Без прижима центром. Спинка

шп.1 шп.2 шп.3 шп.4А0-А0 А1-А1 А2-А2 А3-А3 А4-А4 А5-А5 А6-А6

0,250,200,150,100,05

-0,05-0,10-0,15-0,20

0,00

Рис. 6. Визуализация на экране точек контроля