Soluzioni efficaci per la lavorazione di compositi torni-fresa

 

Efficienza e precisione sono gli obiettivi eterni nel campo della lavorazione dei metalli. Con il continuo sviluppo della tecnologia CNC, della tecnologia informatica, delle macchine utensili e dei processi di lavorazione, i concetti di lavorazione tradizionali non soddisfano più le esigenze di velocità, efficienza e precisione. In questo contesto è emersa la tecnologia di lavorazione dei compositi. In generale, la lavorazione composita si riferisce a un insieme di tecniche di lavorazione che possono eseguire diversi processi o metodi su un singolo pezzo di attrezzatura. Le attuali tecnologie di lavorazione dei compositi sono principalmente di due tipi: una basata su diverse forme di energia o movimento, e l’altra, prevalentemente meccanica, si basa sul principio di concentrazione del processo. Tra queste, la lavorazione dei compositi mill-turn è diventata una delle tecnologie in più rapida crescita negli ultimi anni.

 

▲ Lavorazione di compositi fresa-tornitura

 

Le parti aerospaziali sono sempre più caratterizzate da lotti piccoli, processi complessi e ampio uso di strutture integrali a pareti sottili e materiali difficili da lavorare. Ciò si traduce in colli di bottiglia come lunghi cicli di produzione, elevati tassi di rimozione del materiale, bassa efficienza di lavorazione e gravi deformazioni di lavorazione. Per migliorare l'efficienza e la precisione di prodotti aerospaziali complessi, gli ingegneri hanno cercato a lungo metodi di lavorazione più efficienti e precisi. L'avvento delle attrezzature per la lavorazione dei compositi mill-turn offre una soluzione efficace per migliorare la precisione e l'efficienza delle parti aerospaziali.

 

Rispetto ai processi di lavorazione CNC convenzionali, i vantaggi della lavorazione dei compositi si riflettono principalmente nelle seguenti aree:

 

(1) Accorciare la catena del processo produttivo e aumentare l’efficienza produttiva

La lavorazione composita mill-turn consente il completamento della maggior parte o di tutte le fasi di lavorazione in un unico serraggio, accorciando significativamente la catena del processo di produzione. Ciò riduce i tempi di produzione ausiliari dovuti al riposizionamento, accorcia il ciclo di produzione degli impianti e aumenta l'efficienza produttiva.

 

(2) Riduzione del numero di morsetti e miglioramento della precisione di lavorazione

Un numero inferiore di operazioni di bloccaggio riduce gli errori causati dalle conversioni di riferimento. Le moderne macchine tornio-fresa sono spesso dotate di funzionalità di misurazione online, che consentono l'ispezione sul posto e il controllo di precisione dei dati chiave durante il processo di produzione, migliorando così la precisione delle parti.

 

(3) Ridurre lo spazio occupato e abbassare i costi di produzione

Sebbene una macchina composita-tornitura possa avere un prezzo individuale elevato, la catena di processo accorciata e la riduzione delle attrezzature, degli impianti, dello spazio e dei costi di manutenzione richiesti possono ridurre significativamente gli investimenti complessivi, le operazioni di produzione e i costi di gestione.

 

 

I Tecnologie chiave inCompositoLavorazione

 

Nonostante i vantaggi rispetto alla lavorazione convenzionale a processo singolo, l’utilizzo della lavorazione dei compositi mill-turn nell’industria aerospaziale non ha ancora raggiunto il suo pieno potenziale. La ragione principale risiede nel tempo di applicazione relativamente breve di questa tecnologia nella produzione aerospaziale, nonché nella continua esplorazione dei processi di tornitura, programmazione CNC, post-elaborazione e tecnologie di simulazione che si adattano alle caratteristiche del processo strutturale delle parti aerospaziali. Per sfruttare appieno le capacità delle apparecchiature composite di fresatura-tornitura e migliorare l’efficienza e la precisione, è essenziale superare queste sfide e realizzare applicazioni integrate.

 

1. Tecnologia del processo di lavorazione composita-tornitura

A differenza delle apparecchiature di lavorazione convenzionali, un centro di lavoro composito fresa-tornitura è essenzialmente una linea di produzione. Una lavorazione efficiente e precisa dipende da quanto bene viene pianificato il percorso del processo, da come viene eseguito il bloccaggio e da come vengono selezionati gli utensili in base alle caratteristiche del processo della parte e alle caratteristiche della lavorazione tornitura-fresatura.

 

La concentrazione del processo è la caratteristica più distintiva della lavorazione dei compositi. Pertanto, un percorso di processo scientifico e razionale è fondamentale per migliorare l’efficienza e la precisione della lavorazione di fresatura-tornitura. Quando la barra viene utilizzata come pezzo grezzo per la produzione della girante, il percorso di lavorazione convenzionale prevede la tornitura del profilo esterno della girante su un tornio CNC, seguita da tornitura di precisione per le superfici di riferimento, lavorazione CNC a cinque assi per scanalatura, sgrossatura, semifinitura, e lavorazione finale di superfici e mozzi e infine foratura su un centro di lavoro a cinque assi o attrezzature di perforazione. Utilizzando il centro di fresatura-tornitura S192F, l'intero processo può essere completato con un unico serraggio e, durante la lavorazione di barre, la macchina può persino automatizzare il taglio, l'alimentazione e la produzione in serie di giranti senza intervento umano. Il percorso del processo può essere impostato come segue:

 

Bloccaggio mandrino di barre → Tornitura di sgrossatura del profilo esterno → Tornitura di precisione del profilo esterno → Fresatura a cinque assi per scanalatura → Sgrossatura del canale di flusso → Semifinitura del canale di flusso → Lavorazione di precisione del canale di flusso → Foratura → Bloccaggio del mandrino posteriore → Tornitura del piano inferiore della girante → Foratura.

 

Come mostrato, un unico bloccaggio completa tutte le fasi di lavorazione della girante, migliorando notevolmente sia l'efficienza che la precisione.

Per i centri di fresatura-tornitura con doppie torri portautensili, le apparecchiature a doppia torre sono dotate di sistemi di controllo a doppio canale, in cui le torri portautensili superiore e inferiore possono essere controllate in modo indipendente. La lavorazione simultanea può essere ottenuta tramite comandi sincronizzati nel codice. Per sfruttare appieno le capacità dell'attrezzatura, è possibile realizzare il funzionamento sincrono di più processi sul pezzo, consentendo, ad esempio, la sgrossatura simultanea del profilo esterno e l'alesatura sgrossatura del foro interno, migliorando così l'efficienza della lavorazione. Il movimento sincrono delle torri portautensili superiore e inferiore consente la lavorazione efficiente di una serie di fori, migliorando l'efficienza e riducendo al minimo la deformazione del pezzo attraverso il bilanciamento delle forze di perforazione assiali. Per ottenere questa funzionalità, durante la fase iniziale di progettazione del processo è necessaria una ricerca approfondita sulla sequenza del percorso del processo e sulla sincronizzazione.

 

2. Tecnologia di programmazione CNC per la lavorazione tornio-fresa

Il progresso della tecnologia di fresatura-tornitura richiede standard più elevati per la programmazione CNC, che è diventata un collo di bottiglia nell’applicazione delle attrezzature di fresatura-tornitura nella produzione vera e propria. Senza soluzioni specializzate di lavorazione dei compositi, il software CAM generale viene generalmente utilizzato per pianificare parte del programma di lavorazione, che viene poi integrato manualmente dagli ingegneri di processo per soddisfare le esigenze della lavorazione dei compositi. Questo metodo pone elevate esigenze agli ingegneri di processo. Rispetto alla programmazione CNC tradizionale, la programmazione tornitura-fresatura pone diverse sfide:

 

 

(1)Diprocessi in versi

Per gli ingegneri di processo, è essenziale non solo padroneggiare i metodi di programmazione per vari metodi di lavorazione come la tornitura CNC, la fresatura multiasse e la foratura, ma anche definire con precisione la connessione tra le operazioni e i percorsi di avvicinamento e disimpegno. Pertanto, durante la programmazione CNC, gli ingegneri devono avere una chiara comprensione del modello di processo e della distribuzione dei sovrametalli di lavorazione dopo ogni operazione per facilitare la programmazione e le impostazioni del percorso utensile per l'operazione successiva.

 

(2) Scoraggiarel'estrazione della sequenza di operazioni parallele e seriali deve seguire rigorosamente il percorso del processo

Molte parti possono essere completamente lavorate, dalla materia prima al prodotto finito, su un centro di lavoro composito mill-turn. Pertanto, il programma CNC finale deve essere allineato al percorso del processo. Inoltre, la lavorazione parallela multicanale deve essere attentamente considerata durante il processo di programmazione CNC. Pertanto, per ottenere una lavorazione efficiente dei compositi, è necessario sviluppare soluzioni integrate che combinino processo, programmazione e simulazione.

 

(3) Alcune funzioni della lavorazione composita di fresatura-tornitura non sono ancora supportate dall'attuale software CAM generale

Rispetto alla lavorazione convenzionale a macchina singola, la lavorazione composita fresa-tornitura presenta movimenti della macchina e funzioni di lavorazione più complessi. L'attuale software CAM generale è ancora insufficiente per supportare completamente funzionalità avanzate come la misurazione online, il taglio, l'alimentazione automatica e il controllo della contropunta. Di conseguenza, i programmi generati dal software CAM generale spesso richiedono un sostanziale intervento manuale o interattivo prima di poter essere applicati alla lavorazione automatizzata di compositi fresa-tornitura.

 

(4) Integrazione del programma

I programmi NC generati dal software CAM generale sono indipendenti l'uno dall'altro. Per la lavorazione composita automatizzata e complessa di fresatura-tornitura, questi programmi indipendenti devono essere integrati. Questa integrazione dovrebbe essere guidata dal percorso del processo del pezzo, determinando innanzitutto quali programmi sono paralleli e quindi definendo la sequenza di lavorazione per i diversi processi. Devono inoltre essere fornite istruzioni precise per il cambio utensile, le sostituzioni del bloccaggio, le conversioni dei riferimenti e i movimenti di avvicinamento/ritrazione.

 

È evidente che la programmazione CNC per la lavorazione composita di fresatura-tornitura è molto impegnativa e ci sono ancora molti limiti e carenze nell’utilizzo del software CAM generale per questo processo. Per affrontare questi problemi, una soluzione più pratica è sviluppare sistemi di programmazione specializzati basati sul software CAD/CAM generale esistente che si rivolga ai processi di prodotto e alle apparecchiature di lavorazione dei compositi. Questo approccio non solo riduce gli investimenti software ridondanti, ma evita anche problemi come l’incapacità di riutilizzare la conoscenza dei processi e la complessità del personale causata da piattaforme di programmazione non unificate.

 

 

3. Tecnologia di post-elaborazione per la lavorazione tornio-fresa

 

Corrispondente alla tecnologia di programmazione CNC, la lavorazione compositi mill-turn, a causa dei suoi processi complessi e delle numerose parti mobili, impone requisiti più elevati agli attuali software e tecnologie di post-elaborazione. Rispetto alle apparecchiature CNC convenzionali, le sfide della post-elaborazione per la lavorazione dei compositi fresa-tornitura si riflettono principalmente nei seguenti aspetti:

 

(1) Transizioni di movimento accurate e rigorose tra i processi

Data la varietà dei processi sulle apparecchiature composite di fresatura-tornitura, dopo aver completato l'operazione corrente, la macchina deve cambiare automaticamente e accuratamente metodi di lavorazione, strumenti e componenti mobili in modo tempestivo per garantire correttezza e sicurezza. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario impostare percorsi utensile di avvicinamento e ritiro appropriati, nonché i tempi per il cambio utensile automatico e l'attivazione/disattivazione del refrigerante. Ancora più importante, le posizioni dei componenti non mobili durante l'operazione corrente devono essere specificate per evitare collisioni tra parti mobili e non mobili durante il cambio utensile e la lavorazione, garantendo un processo sicuro e stabile.

 

(2) Determinazione automatizzata delle sequenze di processo e dei programmi CNC

Nella lavorazione dei compositi, il percorso del processo è relativamente lungo e l'organizzazione e l'integrazione manuale del codice NC dopo la post-elaborazione non solo è inefficiente ma è anche soggetta a errori. Una soluzione ideale è che il sistema di post-elaborazione determini automaticamente la sequenza di lavorazione e i metodi di processo incorporati nei file del percorso utensile, garantendo che questi vengano mantenuti nel codice NC dopo la post-elaborazione. Pertanto, il file del percorso utensile generato dopo la programmazione CNC non deve contenere solo metodi di processo e dati sulla posizione dell'utensile, ma includere anche sequenze di lavorazione, tipi di utensile e numeri di utensile. Ciò consente la determinazione automatizzata delle sequenze di processo, dei metodi e degli strumenti durante la post-elaborazione.

 

(3) Post-elaborazione per diversi metodi di lavorazione

Il programma di post-elaborazione per la lavorazione composita mill-turn deve gestire la fresatura, la tornitura e la foratura CNC multiasse, nonché funzioni come il taglio, l'alimentazione automatica, il controllo della contropunta e le chiamate al ciclo di programma. L'algoritmo di post-elaborazione per la lavorazione composita di fresatura-tornitura deve comprendere tutti i metodi di lavorazione CNC esistenti e integrare e coordinare perfettamente tra i diversi metodi e movimenti di lavorazione.

 

(4) Massimizzare le funzionalità avanzate dei sistemi di controllo

I sistemi CNC utilizzati nei centri di lavoro compositi fresa-tornitura sono altamente avanzati, come il sistema FANUC 31i utilizzato in Bumotec S192FT e il sistema SINUMERIK 840D utilizzato in WFL 150. Questi sistemi di controllo avanzati offrono funzionalità come l'ottimizzazione automatica dell'avanzamento, livellamento vettoriale degli utensili, look-ahead superiore e interpolazione ad alta velocità e alta precisione. Pertanto, è fondamentale riflettere queste funzioni avanzate del sistema CNC nelle sezioni appropriate del codice di lavorazione generato durante la post-elaborazione per sfruttare appieno le capacità delle apparecchiature composite di fresatura-tornitura.

 

(5) Gestione e chiamata di funzioni non taglienti

Oltre alle funzioni di tornitura, fresatura, foratura e alesatura, i centri di lavoro compositi dispongono di funzioni non di taglio necessarie per le transizioni di processo, come l'alimentazione automatica, lo scarico, l'aggancio del mandrino e il controllo della contropunta. Queste funzioni devono essere trattate come moduli comuni nella fase di post-elaborazione, richiamabili dal programma. La sequenza e la tempistica di queste chiamate devono essere determinate in base al percorso del processo. Attualmente, il software di post-elaborazione non supporta completamente queste funzionalità.

 

 

4. Tecnologia di simulazione per la lavorazione tornio-fresa

 

A causa delle numerose parti mobili e delle complesse funzionalità della lavorazione dei compositi fresa-tornitura, la simulazione post-programmazione diventa particolarmente critica. Poiché l'adozione della lavorazione dei materiali compositi mill-turn nell'industria manifatturiera aerospaziale cinese è relativamente recente, attualmente non esistono tecnologie applicative di simulazione mature. La maggior parte dei produttori si affida al taglio di prova per verificare e ottimizzare i programmi, il che comporta lunghi cicli di preparazione del processo, elevati rischi di sviluppo e maggiori costi di lavorazione.

 

Per migliorare l’applicazione della lavorazione dei materiali compositi fresa-tornitura e migliorare l’efficienza della programmazione, è necessario promuovere in modo significativo l’adozione della tecnologia di simulazione. Attualmente, il software principale utilizzato per la simulazione della lavorazione composita mill-turn includeSuperioreSolidoEGibbs, ma questi sono generalmente costosi e meno comunemente introdotti nel campo della produzione aerospaziale cinese. In effetti, la simulazione della lavorazione composita mill-turn può essere ottenuta anche utilizzando un software di simulazione CNC generale comeVericutONCSimul. Personalizzando e sviluppando macro funzioni in base alla struttura della macchina, alle caratteristiche di movimento, alle funzioni speciali e ai sistemi CNC, è possibile simulare il processo di lavorazione.

 

Per ottenere la simulazione della lavorazione composita di fresatura-tornitura utilizzando un software di simulazione CNC generale, è innanzitutto necessario costruire un ambiente macchina relativamente realistico all'interno del sistema di simulazione. L'attenzione dovrebbe essere posta sullo stabilire le relazioni di movimento relativo e le posizioni geometriche delle varie parti mobili della macchina. Su questa base è necessario creare una libreria utensili e i corrispondenti numeri utensile utilizzati nel processo di lavorazione. Quindi, configura il sistema CNC e i riferimenti di lavorazione della macchina e carica il codice NC generato dalla fase di post-elaborazione nel sistema di simulazione per eseguire la simulazione del processo di lavorazione. A differenza della lavorazione CNC convenzionale, alcune funzioni (come la lavorazione multicanale o il controllo della contropunta) potrebbero richiedere lo sviluppo e la personalizzazione delle macrofunzioni per essere completamente implementate.

 

 

II Prospettive applicative e proposte di sviluppo per la tecnologia di lavorazione tornio-fresato

 

 

Negli ultimi anni, i centri di lavorazione compositi di fresatura-tornitura sono stati introdotti nell'industria manifatturiera aerospaziale cinese, compresi gli stabilimenti di aeromobili, motori aeronautici e accessori. L'attrezzatura comprende principalmente prodotti daWFL austriacoserie eBumotec della Svizzeracentri di fresatura-tornitura. Tuttavia, poiché la loro applicazione nella produzione è relativamente recente, vi è una generale mancanza di processi di lavorazione maturi, tecniche di programmazione e tecnologie di post-elaborazione in linea con le caratteristiche del prodotto e delle apparecchiature. Di conseguenza, l’attrezzatura per la lavorazione dei materiali compositi mill-turn opera attualmente a un livello di efficienza relativamente basso.

 

Le principali sfide nella produzione di prodotti aerospaziali sono i lunghi percorsi di processo, le procedure complesse, la bassa efficienza di lavorazione, la deformazione significativa e i costi elevati. Sia il settore della produzione di aeromobili che quello dei motori hanno un vasto potenziale per l'applicazione della lavorazione dei compositi mill-turn.

 

Ad esempio, la fresatura del telaio di una fusoliera prevede decine di passaggi: preparazione del materiale, lavorazione grezza e fine delle forme interne ed esterne, perforazione dei fori, finitura manuale e ispezione, che richiedono molteplici ri-serraggi. Allo stesso modo, la lavorazione dei dischi a pala integrale nei motori aerospaziali inizia con la forgiatura di pezzi grezzi e comprende tornitura, fresatura, lucidatura, trattamento superficiale e rilevamento dei difetti. Queste parti hanno cicli di produzione lunghi, spesso impegnano le macchine per centinaia di ore e richiedono diversi tipi di macchine CNC, insieme a numerose attrezzature, utensili e strumenti di misurazione. Il frequente ri-serraggio non solo prolunga i tempi di attesa ma accumula anche errori di posizionamento, incidendo sulla precisione del pezzo e sulla qualità finale.

 

La lavorazione compositi mill-turn, con la sua capacità di completare la maggior parte o tutte le operazioni in un unico setup, offre un nuovo percorso per la lavorazione efficiente e precisa di componenti aerospaziali complessi. I vantaggi si riflettono principalmente in:

 

• Notevole riduzione dei tempi di bloccaggio, migliorando l'efficienza ed eliminando gli errori causati dal cambio di macchine o metodi di bloccaggio.
• Concentrazione del processo, accorciando la catena del processo di lavorazione e riducendo i tempi di attesa e i periodi di fermo macchina.
• Versatilità nelle lavorazioniquali tornitura, fresatura e foratura senza alterare il posizionamento, riducendo il numero di attrezzature necessarie e garantendo una precisione dimensionale costante.
• Funzionalità di misurazione in macchina, consentendo la misurazione durante il processo e tra processi per controllare la precisione durante l'intero ciclo di lavorazione.

 

Questi vantaggi possono risolvere efficacemente le attuali carenze nella produzione di componenti aerospaziali, migliorando significativamente la precisione e l’efficienza del prodotto.

 

Per sfruttare appieno il potenziale delle apparecchiature avanzate per la lavorazione dei compositi e migliorare ulteriormente l’efficienza e la qualità della produzione per i prodotti aerospaziali, è necessario prestare attenzione a diverse aree chiave:

 

• Ricerca sui processi di lavorazione dei compositiche si allineano con le caratteristiche delle parti aerospaziali, inclusa la determinazione dei percorsi di processo, dei metodi di bloccaggio, degli strumenti, delle strategie di raffreddamento e dei parametri di taglio.
• Sviluppo e personalizzazione di sistemi di programmazione, post-elaborazione e simulazione CNCche corrispondono alle caratteristiche strutturali e di processo dell'apparecchiatura, creando una soluzione integrata per la programmazione del processo, la post-elaborazione e la simulazione, riducendo così la dipendenza da personale altamente qualificato.
• Definizione di standard di processoattraverso l'accumulo di esperienza derivante dalla simulazione, dal taglio di prova e dalla produzione effettiva, che può servire da guida per la successiva produzione delle parti.
• Coltivazione del talento, poiché la lavorazione dei materiali compositi rappresenta una tecnologia all'avanguardia nel campo della lavorazione meccanica. Sia la programmazione dei processi che la manutenzione operativa sono più complesse rispetto alle apparecchiature convenzionali, rendendo essenziale un team di ricerca e sviluppo di alto livello per garantire un funzionamento efficiente e sano delle apparecchiature.

 

 

 

III Conclusione

 

 

Attualmente, le apparecchiature per la lavorazione dei compositi si stanno evolvendo verso capacità di processo più ampie, maggiore efficienza, operazioni su larga scala e modularizzazione. Il settore manifatturiero aerospaziale è sempre stato una fase cruciale per le tecnologie di produzione avanzate e, con il ritmo accelerato degli aggiornamenti dei prodotti aerospaziali, le apparecchiature di processo disperse saranno gradualmente sostituite da apparecchiature flessibili e automatizzate con processi concentrati. Questo cambiamento offre alla tecnologia di lavorazione dei compositi uno spazio più ampio per lo sviluppo e l’applicazione.

 

La tendenza verso sistemi di produzione più integrati e flessibili si allinea bene con le esigenze della moderna produzione aerospaziale. Man mano che i componenti aeronautici e aerospaziali diventano più sofisticati e i tempi di produzione si accorciano, i produttori faranno sempre più affidamento su tecnologie di lavorazione avanzate come i sistemi compositi di fresatura-tornitura per semplificare i processi, migliorare la precisione e ridurre i costi. Il continuo sviluppo dell’automazione e della modularizzazione delle apparecchiature migliorerà ulteriormente la flessibilità, consentendo ai produttori di adattarsi rapidamente a nuovi progetti e requisiti di produzione, garantendo che l’industria aerospaziale rimanga all’avanguardia dell’innovazione tecnologica.