Введение 1.0
Обработка на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) — один из наиболее широко используемых процессов прототипирования в производственном секторе. Прототипирование на станках с ЧПУ — это не что иное, как использование компьютеров для создания практичных и работоспособных прототипов. Этот метод полностью заменил традиционные подходы к прототипированию. Прототипирование на станках с ЧПУ — это процедура, при которой станок управляется компьютером на основе числовых данных, введенных в станок. Широко используется программное обеспечение CAD/CAM, которое позволяет пользователям станков разрабатывать соответствующие конструкции, а компьютеру — управлять движением инструмента.
В 1980-х и 1990-х годах инженеры использовали траектории, формовочные станки, вертикальные фрезерные станки и токарные станки для создания прототипов. Одним из наиболее значительных преимуществ использования станков с ЧПУ при производстве прототипов является автоматизация обработки прототипов и устранение большинства ручных операторов.
Традиционная механическая обработка прототипов требовала найма квалифицированной рабочей силы, что в долгосрочной перспективе становилось дорогостоящим. При изготовлении прототипов необходим один оператор, который будет проводить весь процесс прототипирования на прототипных машинах с ЧПУ. В результате, когда дело доходит до создания функциональных прототипов, большинство производителей предпочитают прототипирование с ЧПУ, поскольку это отличная альтернатива точности, эффективности и скорости.
К числу отраслей, требующих обработки прототипов на станках с ЧПУ, относятся авиация, металлообработка, военная промышленность, электроника, производство вооружений, строительство, автомобилестроение, стоматология и сельское хозяйство.
1.1 Области применения, требующие высочайшей точности деталей
От коммерческих и частных самолетов до межпланетных космических кораблей точность имеет решающее значение в аэрокосмическом бизнесе. Услуги по обработке прототипов с ЧПУ для аэрокосмической отрасли служат множеству применений.
Двигатель.
Это самый важный компонент самолета для внешнего функционирования, и он должен обрабатывать и сжигать топливо без каких-либо утечек или отказов компонентов. Прототипирование с ЧПУ помогает в производстве самых сложных элементов двигателя, которые жизненно важны для его эффективности.
Компоненты кабины.
Прототипирование с ЧПУ имеет решающее значение при проектировании внутренних компонентов кабины. Навигационная система, которая обеспечивает пилотов указаниями в режиме реального времени, состоит из мельчайших взаимосвязанных частей. Прототипирование с ЧПУ помогает в производстве этих крошечных аэрокосмических деталей, которые могут требовать периодической доводки и настройки. Детали, изготовленные на станках с ЧПУ, чрезвычайно точны и долговечны, что практически исключает вероятность поломки.
Части космического корабля.
Прототипирование с ЧПУ используется для создания высокопроизводительных компонентов космических кораблей, таких как роботизированные руки, электрохимические системы, трубки и кожухи. Каждый компонент, используемый в космическом корабле, должен быть легким, прочным и устойчивым к экстремальным температурам и радиации в космосе.
Внешние компоненты.
Закрылки, фонари, датчики и внешние панели — все это можно увидеть снаружи самолета. Эти компоненты изготовлены из высокопрочных и легких материалов, которые легко изготавливаются с использованием технологии прототипирования с ЧПУ, чтобы противостоять суровым условиям воздушного и космического полета. Прототипирование с ЧПУ также гарантирует безупречное соединение внешних панелей и поверхностей для достижения максимальных аэродинамических характеристик.
Бегуны.
Взаимно-воздуховые системы впуска двигателя направляют воздух в блок цилиндров через направляющие и трубопроводы. Прецизионные направляющие для этих систем проектируются и производятся с чрезвычайно жесткими допусками с использованием станков с ЧПУ для прототипирования.
Корпуса.
Электроника и деликатное оборудование размещаются в корпусах, защищающих их от радиации, колебаний температуры и магнитной модуляции. Создание прототипов на станках с ЧПУ помогает производителям разрабатывать обтекаемые корпуса, защищающие чувствительные компоненты от нежелательных помех.
Тормозные системы и детали.
Тормозные системы для аэрокосмической техники в значительной степени зависят от прецизионных компонентов, изготовленных на станках с ЧПУ, таких как тормозные педали, цилиндры, суппорты, поршни, тормозные колодки, магистрали и шланги. Они помогают регулировать скорость самолета и космического корабля на земле.
Компоненты коробки передач.
Обработка прототипов с ЧПУ приносит пользу таким компонентам коробки передач, как шестерни, стержни, валы и корпуса. Трансмиссия, рулевое управление и другие важные системы самолетов и космических кораблей работают плавно и эффективно.
2.0 Процедуры прототипирования с ЧПУ
Этапы процесса прототипирования с ЧПУ следующие:
· Генерация 3D-файлов:
3D-данные, такие как чертежи САПР, используются в производстве с ЧПУ. В результате выбранные чертежи преобразуются в 3D-файл. 3D-файлы определяют размер, характеристики и эстетические стандарты конечного продукта.
· Определение производственной последовательности:
Техника обработки каждой детали определяется после подготовки 3D-файла. Для создания прототипа используется бесшовный цикл обработки с ЧПУ. Производство прототипов на станках с ЧПУ может включать в себя различные методы производства, включая фрезеровку с ЧПУ, токарную обработку с ЧПУ, резку с ЧПУ, фрезерование с ЧПУ и сверление с ЧПУ.
· Программирование ЧПУ:
Программа ЧПУ управляет станком с ЧПУ через последовательность производственных процессов и инструкции по эксплуатации инструмента. Вычисленные значения помещаются в G-коды или M-коды для создания программы ЧПУ. G-коды и M-коды сообщают станку с ЧПУ, какой инструмент использовать, как долго инструмент должен перемещаться, с какой скоростью он должен подавать и насколько глубоко он должен резать. Все инструкции включены в программное обеспечение ЧПУ, что позволяет быстро автоматизировать прототипирование с ЧПУ в зависимости от производственных потребностей. Скорость подачи, глубина резания, количество проходов и расстояние перемещения инструмента рассчитываются в процессе программирования.
· Прототипирование;
Затем программа ЧПУ загружается в числовую панель управления станка с ЧПУ.
Процесс бесшовной обработки на станке с ЧПУ начинается после того, как заготовка установлена на инструменте и включен станок. Прототип предполагаемого продукта создается на основе различных процедур механической обработки заготовки с ЧПУ. Можно использовать макет или полностью рабочий прототип, похожий на работу.
3.0 Виды прототипирования с ЧПУ
3.1 Прототипирование фрезерных станков с ЧПУ
Фрезерный прототип — наиболее адаптируемый метод прототипирования с ЧПУ. В зависимости от сложности прототипа иногда требуется 5-осевой станок с ЧПУ. Дополнительные оси движения позволяют производить значительно более точную резку и изготавливать сложные детали, однако они обходятся дороже. Фрезерование с ЧПУ подразумевает резку окончательного прототипа из большего блока листов материала с помощью управляемой компьютером инструментальной головки. Фрезерные станки с ЧПУ являются наиболее распространенной формой станка с ЧПУ для прототипирования, обладающей высокой точностью (допуски примерно 0.001") и способностью работать с широким диапазоном форм и материалов.
3.2 Прототипирование токарной обработки с ЧПУ
Токарные станки, часто известные как токарные станки, производят круглые детали, удерживая блок на месте и быстро его поворачивая, в то время как инструмент вырезает детали из исходной заготовки с помощью компьютерного кода ЧПУ. Из-за ограниченного универсального применения прототипов с ЧПУ токарные станки подходят для прототипирования объектов с круглыми средними сечениями.
3.3 Прототипирование фрезерного станка с ЧПУ
Фрезерные станки с ЧПУ работают аналогично фрезерным станкам с ЧПУ, они просто являются менее дорогими версиями, созданными с использованием конструкции портала для оптимизации рабочей зоны под размер станка, но с меньшей сложностью, следовательно. Фрезерные станки лучше подходят для дерева, пластика и мягких металлов, таких как алюминий, и больше подходят для частных лиц и малых предприятий, которые не сосредоточены на сложной резке металла. Они часто используют три оси, что обеспечивает хорошую сложность за эту цену, но им не хватает точности по сравнению с фрезерными станками с ЧПУ. Создание файлов ЧПУ на основе инструмента и станка по-прежнему требует большой кривой обучения.
3.4 Прототипирование лазерного резака с ЧПУ
Небольшие фирмы могут использовать более мощные лазерные резаки для резки металлов, таких как алюминий, пластика и акрила, текстиля и изготовления деревянных прототипов с ЧПУ. Небольшие студии, желающие создать ряд прототипов, не выбрасывая деньги, могут оценить их адаптивность. Однако тепло лазера может оставлять «обожженные» следы на прототипе, а сложность часто ограничена, поскольку большинство лазерных резаков с ЧПУ работают только по двум осям.
4.0 Материалы, используемые в авиационной отрасли для прототипирования на станках с ЧПУ
В производстве самолетов используются несколько материалов, в том числе упомянутые ниже.
i. Легкие металлы
Материалы для обработки с ЧПУ, используемые аэрокосмическими фирмами, определяются двумя важными характеристиками: прочностью и весом. Такие металлы, как сталь, хотя и прочны, но не подходят для большинства секций из-за их чрезмерного веса, что приводит к менее экономичным (и, следовательно, более дорогим) самолетам. Поэтому промышленность рассматривает прочные и легкие металлы, такие как титан и алюминиевые сплавы.
Оба металлических материала, которые используются при обработке на станках с ЧПУ, просты в обращении. Титан, например, примерно на 30% прочнее и на 50% легче стали, а также очень устойчив к высоким температурам и коррозии. Это делает его идеальным для функциональных компонентов и элементов экстерьера самолетов.
Алюминий, с другой стороны, легче титана, но его прочность примерно вдвое меньше. Этот легко поддающийся механической обработке металл дешевле титана, а также подходит для изготовления широкого спектра авиационных компонентов.
II. Высококачественный пластик
Несмотря на то, что металлические компоненты имеют большее применение в функциональной архитектуре самолета, многие внутренние компоненты изготавливаются из полимерных материалов. По сравнению с металлами эти материалы намного легче. Внутренние стеновые панели, вентиляционные каналы, двери самолета, кабельные каналы, подшипники и другие предметы изготавливаются с их помощью. Они изготавливаются из полимеров аэрокосмического класса, которые легкие, прочные и огнестойкие.
Для авиационного сектора механическая обработка с ЧПУ в аэрокосмической отрасли позволяет производить прочные, легкие и сложные пластиковые детали. Для изготовления этих деталей используются такие материалы, как PEEK и другие высокоэффективные полимеры. Механическая обработка прототипов самолетов, как и металлообработка, обеспечивает высокую точность, необходимую для аэрокосмических применений на основе полимеров.
5.0 Преимущества прототипирования с ЧПУ в аэрокосмической промышленности
В авиационной промышленности применяется несколько процедур создания прототипов. С другой стороны, обработка с ЧПУ является одной из лучших. Это связано с многочисленными преимуществами, которые он предлагает. Вот несколько преимуществ, которые вы можете получить от использования прототипов с ЧПУ.
I. Возможность спроектировать столько, сколько необходимо.
Прототипы варьируются от небольших компонентов до сложных сборок и могут иметь решающее значение для развития доверия к новым конструкциям, материалам и методам производства. Прототипирование на уровне компонента или сборки часто может быть выполнено до формирования производственной линии и может стать для аэрокосмических предприятий недорогим способом тестирования, оценки и обмена альтернативными концепциями проектирования. Прежде чем будет принята окончательная стратегия, часто создается несколько прототипов.
II. Проверьте форму, посадку и функциональность предмета.
Для безопасной работы компоненты аэрокосмической отрасли должны соответствовать строгим требованиям по размерам, материалам и обработке. Прототипы можно использовать для тестирования компонентов, подструктур и сборок, а также для оценки формы, соответствия и функции (атрибутов, которые идентифицируют и характеризуют деталь или сборку) практически с небольшим правом на ошибку. Правильный прототип может сократить время между концепцией и производством, а также снизить вероятность необходимости внесения технических изменений после начала производства, что может оказаться дорогостоящей и трудоемкой процедурой.
III. Получить недоступную информацию
Аэрокосмические системы функционируют в самых разных средах: от легких до тяжелых аэротермических нагрузок. Важные конструкции и системы должны выдерживать различные условия окружающей среды, поэтому тестирование и оценка проектов на различных этапах процесса проектирования имеют решающее значение. Прототип для аэрокосмической отрасли позволяет организациям создавать и тестировать различные компоненты в полном масштабе и в реалистичных условиях, включая структурные, термические и экологические испытания.
IV. Меньше потрачено денег; больше полученных знаний
Хорошо выполненная программа прототипирования поможет в своевременной и экономически эффективной разработке вашей авиационной системы. Макеты и прототипы малого масштаба могут помочь вам получить внешнее финансирование и сузить ваши варианты на ранних этапах процесса разработки. Соответствующие испытания полномасштабных узлов в условиях окружающей среды на поздних этапах разработки могут помочь снизить риск. Требования к прототипированию будут различаться в зависимости от проекта. В результате, чтобы максимально эффективно использовать ваш бюджет на прототипирование, крайне важно оценить каждое обстоятельство индивидуально.
V. Точность и допуск
Следуя спецификации размера и формы в вашем файле САПР, вы захотите использовать производственную процедуру для получения требуемого результата. Для получения желаемого результата потребуется машина высокой точности. Реальная разница в стоимости будет чрезвычайно незначительной, даже если размеры не совпадают с размерами модели. Это означает, что обработка с ЧПУ имеет более высокий уровень допуска, чем традиционные методы прототипирования. Эти точные допуски особенно важны в таких разделах, как шасси, которые цитирует Реймер: «Из многих внутренних компонентов, которые необходимо определить в компоновке самолета, шасси обычно доставляет больше всего проблем».
VI. Уменьшите вмешательство человека
Участие человека в производственном процессе сокращается благодаря обработке на станках с ЧПУ. Благодаря этому значительно сокращаются ошибки оператора, а также значительно сокращаются производственные ошибки.
В результате, если вам нужно спроектировать модель, станок с ЧПУ может работать длительный период.
VII. Повторяемость
Станки с ЧПУ являются лучшей заменой для производства безупречных точных копий компонентов и удовлетворения потребностей таких корпораций, как Boeing, Lockheed-Martin, Vickers и других.
В отличие от ручного фрезерования, которое полностью контролируется людьми, различия между копиями огромны, тогда как фрезерование с ЧПУ каждый раз обеспечивает точную копию объекта. Внедрение системы автоматизированного проектирования (САПР) в станки с ЧПУ позволяет повысить производительность и каждый раз производить безупречные копии.
Перед началом производства любая деталь может быть спроектирована, модифицирована или переработана по мере необходимости. Проект САПР можно легко изменить, что позволяет разработать несколько программ перед помещением проекта в станок с ЧПУ, что позволяет заводу изготовить физическую копию изделия. Это может быстро привести к быстрому и простому прототипированию.
Заключение 6.0
Авиационная промышленность ожидает передовых технических характеристик и строгого соблюдения отраслевых рекомендаций. Использование высококачественных компонентов имеет решающее значение из-за хрупкой природы самолетов и космических кораблей. Авиационная обработка с ЧПУ позволяет инженерам гораздо эффективнее вносить изменения и проводить испытания, а также обеспечивает высокую точность и допуск.
Обработка с ЧПУ предлагает комплексное решение: от достижения точных допусков до продолжительности цикла резки. Кроме того, учитывая текущий уровень инноваций в авиационной отрасли, прототип с ЧПУ обеспечивает все необходимые этапы обработки для тщательного изучения производительности, эстетики и технологичности.
