PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF THE SYSTEM OF BENDING PIPELINES OF 3D CONFIGURATION IN PRODUCTION

Full Text

Введение. Актуальность активизации научно- исследовательских работ, совершенствования конст- рукторских и технологических разработок в ракетно- космической отрасли (РКО) никем не отрицается на фоне сложной внешней военной и дипломатиче- ской обстановки в мире. На экономические санкции и всевозможное военно-политическое давление США на предприятия военно-промышленного комплекса (ВПК) России в ответ РКО ставит цель - совершенст- вовать технологии производства современной воен- ной техники, в том числе путём уменьшения затрат на обслуживание используемой в производстве осна- стки станков. Новые технологические возможности в свою очередь расширяют пространство для внедре- ния конструкторских новаторств (в частности, изго- тавливать трубопроводы новой, более сложной кон- фигурации и т. п.) и позволяют решать экономические задачи - производство более современных составных частей (СЧ) изделий с обеспечением требуемого качества, надёжности, сроков эксплуатации и с конку- рентной стоимостью. Совокупность разрабатываемых и внедряемых технических решений специалистами РКО России продляет гарантию безусловной незыб- лемой обороноспособности страны. Одним из вкладов АО «Красмаш» в данный про- цесс является изготовление БМРБ для тяжёлых ракет- носителей «Ангара-А5». В настоящее время суммарно заключено 12 контрактов на постройку ракет «Анга- ра-А5». До 2027 года для обновления российской ор- битальной группировки понадобится порядка 27 пус- ков ракет «Ангара-А5» [1]. Функциональные назначения трубопроводов. Основной частью изготовления вышеуказанных БМРБ (около 40 % от всего объёма производства) яв- ляется изготовление трубопроводов и их составных частей, основные функции которых следующие: - подача сухого гелия (-50 °С) для осушки пнев- могидравлической системы (ПГС) от влаги; - подача и слив гелия в баллоны; - подача и слив окислителя в бак «О»; - подача и слив горючего в бак «Г»; - управление дренажём, наддувом и обеспечение вакуумом системы гермочехла; - контроль давления в баках «О» и «Г»; - подача гелия с баллонов (находящихся в баке окислителя) в пневмощиток для: а) работы автоматики двигателя; б) продувки трубопроводов двигателя; в) открытия клапана подачи окислителя блока по- дачи окислителя (БПО); г) открытия клапана подачи горючего блока пода- чи горючего (БПГ); д) наддува «горячим» (большой объём) гелием ба- ков «О» и «Г»; - холодная «раскрутка» турбины насоса БПО ге- лием; - подача продуктов сгорания из БПО в БПГ для: а) раскрутки турбины насоса БПГ; б) управления соплом крена; - подача окислителя «О» (переохлаждённого ки- слорода) из бака «О» в газогенератор двигателя; - подача горючего «Г» (синтетического керосина - синтина) из бака «Г» в газогенератор двигателя; - подача самовоспламеняющегося компонента (не- симметричного диметилгидразина - гептила) из блока многократного запуска (БМЗ) в газогенератор двига- теля; - подача компонентов смеси «О» (с избытком ки- слорода), «Г» и гептила в камеру сгорания; - сброс остатков продуктов сгорания («мятого га- за») из двигателя; - сброс остатков компонентов «О» и «Г» из баков их хранения. В зависимости от назначения и температурных па- раметров рабочего режима компонентов в трубопро- воде, в КД определены материалы и размеры трубо- проводов. В АО «Красмаш» для комплектации БМРБ изготавливают изделия из тонкостенных трубопрово- дов, диаметры которых от Ø8 до Ø80. Основные ма- териалы, используемые при изготовлении трубопро- водов - алюминиевые сплавы и нержавеющие стали (12Х18Н10Т-ВД), имеющие свои физико- механические свойства вязкости, твердости (пружи- нения), прочности и пр. Основные этапы подготовки технологии про- изводства трубопроводов. Методология разработки технологии производства ТСК для БМРБ состоит из следующих этапов: 1. Этап получения и проработки КД с технически- ми требованиями, размеров ТСК. На данном этапе КД «оцифровывается», а полученная информация поме- щается в электронный архив, представляющий про- граммно-аппаратный комплекс с PDM-системой Windchill (или программа Lotsia PDM Plus), в состав которого входит высокопроизводительное устройство хранения информации. 2. Этап конструкторского моделирования детали (в нашем случае - трубопровода) в 3D-модель с со- хранением полученного результата в электронном архиве. Данную работу выполняют в программе Solid Works (а также в программах Creo Parametric, «Ком- пас 3D», AutoCAD Inventor, T-Flex) с использованием информационно-справочной системы, в том числе единой системы конструкторской документации (ЕСКД) через ТехноПРО. Большинство современных САПР-программ трехмерного моделирования позво- ляют построить трубопровод, используя базовый функционал и типовые операции - это дает ощутимое преимущество по сравнению с работой с бумажным чертежом или 2D-чертежной программой и позволяет избежать многих ошибок. Однако гораздо более эф- фективно применение специализированных приложе- ний, созданных для решения таких задач. В таком случае обеспечивается максимальный выигрыш в производительности и качестве при проектировании трубопроводной конструкции за счет избавления кон- структора от множества рутинных операций. 3. Этап определения оборудования (для трубопро- вода допускается использование трубогибочного станка с ЧПУ), на котором будет изготавливаться де- таль с последующей разработкой технологического процесса (ТП) и разработкой станочной программы механической обработки или гибки. При определении использования автоматизированного трубогибочного станка SB-63х4А-3S-V для программирования работы используется программа SOCO Bending Machine. При непосредственном программировании программы гибки для станка пользуются как декартовой систе- мой координат, так и «полярной» системой коорди- нат, описывающей изогнутое изделие в координатах YBC (Y - длина прямого участка между гибами, B - угол поворота трубы вокруг своей оси, С - угол оче- редного гиба). В программу непосредственно зано- сится информация: диаметр трубы, траектория с дли- ной и радиусами гибки по центральной оси заготовки с учётом параметров оснастки (положение прижима, дорна, гибочных штампов, скорости их работы и т. п.). После завершения создания модели и определения инструментальной оснастки программа автоматиче- ски генерирует управляющий ISO-код для управления станком в производстве заданной модели. Програм- мист просматривает видеосимуляцию процесса гибки заданной модели на виртуальном трубогибочном станке и вносит, если это требуется, коррективы, ори- ентируясь на таблицы координат каждого из подвиж- ных элементов станка, а также на управляющий код станка. После этого программу отсылают на ис- полнение на реальном трубогибочном станке. Файл машины гибки (XYZ или YBC/LRA), в котором опи- сывается трасса трубы, которую следует изготовить, является текстовым файлом. Поэтому при необходи- мости её можно не только просмотреть, но и изменить содержимое файла в текстовом редакторе. 4. Этап подготовки трубы к гибке. Перед гибкой на станке трубопровод подвергают [2]: осмотру по- верхности на предмет контроля качества; проверке физико-химического состава на соответствие указан- ной марки материала (несколько штук из партии); замеру геометрических параметров; обезжириванию поверхностей; разрезке труб-заготовок на технологи- ческую длину (размером, равным длине развертки согнутого трубопровода с припуском на обработку). Рис. 1. Процесс гибки на автоматизированном станке с ЧПУ Fig. 1. The process of bending on an automated CNC machine 5. Этап выполнения операции изготовления (гиб- ки) изделия (рис. 1). Загрузка программы гибки вы- полняется с помощью электронных программоноси- телей непосредственно на стойке ЧПУ через меню ввода. В процессе верификации программы гибки (установление правильности программы посредством её опытной проверки) оператор станка на мониторе стойки ЧПУ полностью отслеживает весь процесс гибки. При возникновении ошибок (соударение детали с агрегатами и станиной станка) система выдаст отчет с указанием проблемных участков трубопровода. Поэтому в процессе верификации допускается осуще- ствлять переподбор оснастки для изготавливаемого трубопровода. В конце этапа получается изготовление предварительного изделия - шаблона (эталона). Про- цесс эталонирования трубопровода регламентируется нормативным документом ОСТ 92-1600-84 [2]. 6. Этап обмера полученного шаблона выполняют на контрольно-измерительной машине FARO Fusion Arm 8/7, в состав которой входит рабочее место тех- нолога с технологическим программным обеспечени- ем TezetCAD. Измеренные фактические размеры ТСК заносятся в программно-аппартный комплекс с PDM- системой Windchill (или программа Lotsia PDM Plus), далее полученные данные сравниваются с электрон- ной 3D-моделью трубопровода. Перед обмером состояние наружной и внутренней поверхностей тру- бопроводов должно соответствовать требованиям ГОСТ 17365-71 [3] и ОСТ 92-1601-84 [4]. Допусти- мые плавные отклонения контуров трубопровода от контуров электронной 3D-модели и предельные от- клонения на длину трубопровода должны соответст- вовать требованиям ГОСТ 17365-71. 7. Этап аналитической проработки полученных значений размеров трубопровода, соизмерение дан- ных значений с допусками и принятие окончательного решения о возможности использования разрабо- танной программы гибки трубопровода. 8. Этап коррекции программы гибки путём уточ- нения поправочных коэффициентов, учитывающих физико-химические свойства партии материала трубопровода, его пружинение, вязкость, а также из- меняющих скорость работы оснастки. Данный этап выполняется в случае неудовлетворительных резуль- татов предыдущего этапа. После корректировки программы гибки ТСК производится повторное выполнение вышеупомянутых этапов: подготовка трубопровода к гибке, гибке на трубогибе с ЧПУ, об- мер полученного ТСК и анализ результатов. 9. После отработки технологии сборки-сварки [5-7], монтажа участков трубопроводов в составе сложного трубопровода по схеме ПГС с проверкой координат собранного сложного трубопровода на контрольно-измерительном комплексе с данными 3D-модели, утверждается директивная технология изготовления трубопроводов сложной конфигу- рации. Описанное оборудование связано между собой единой информационной сетью, представленной на рис. 2. Алгоритм учета в пространстве и мест крепле- ния трассы трубопровода. Алгоритм компоновки трубопровода в CAD-системе Solid Works состоит из следующих этапов: 1. Создание упрощенных 3D-моделей деталей и узлов изделия, необходимых для однозначного оп- ределения зон прокладки трасс трубопровода. 2. Создание упрощенных габаритных 3D-моделей основных элементов (ёмкостей, ферм, переходни- ков и т. д.) и их взаимная увязка (рис. 3). 3. Предварительное расположение и прорисовка штуцеров на емкости, к которым будут стыковаться трубопроводы. 4. Предварительная прорисовка на переходнике основных элементов мест крепления трубопро- водов. 5. Взаимная увязка элементов между собой, при- вязка к их основным плоскостям стабилизации. 6. Предварительное размещение арматуры (клапа- нов, наконечников, тройников и т. д.) изделия осуще- ствлялось с учетом удобства обслуживания и ремон- та, а также минимальных прямолинейных участков и радиусов гиба (рис. 4-7). Рис. 2. Единая общезаводская информационная сеть АО «Красмаш» Fig. 2. United general informational network of JSC “Krasmash” Рис. 3. Упрощенная модель сборки изделия Fig. 3. Simplified product assembly model Рис. 4. Модель сборки изделия после увязки элементов крепления, расположения штуцеров трубопроводов и определения зон расположения приборов Fig. 4. The model of the assembly of the product after linking the fastening elements, the location of the pipe fittings and the determination of the location of the devices Рис. 5. Модель емкости после увязки элементов крепления и расположения штуцеров трубопроводов Fig. 5. Capacity model after linking fasteners and location of pipe unions Рис. 6. Модель переходника после увязки элементов крепления и расположения штуцеров трубопроводов Fig. 6. Adapter model after linking fasteners and location of pipe fittings Рис. 7. Модель фермы после увязки элементов крепления и расположения штуцеров трубопроводов Fig. 7. Model farm after linking fasteners and location of pipe fittings Алгоритм построения модели трубопровода. Создание модели трубопровода в CAD-системе SolidWorks состоит из следующих этапов: 1. Прокладка трассы трубопровода с учетом зон обхода зон отсеков, минимальных зазоров и возможности их дополнительного крепления, с определением началь- ных, конечных точек трассы трубопровода (рис. 8, 9). 2. Уточнение компоновки изделия по результатам анализа и оптимизации трассы трубопровода. 3. Создание библиотеки ДСЕ трубопровода и эле- ментов его крепления: уголка для крепления трубо- провода, шпильки для крепления трубопровода, при- жима для крепления трубопровода, наконечника тру- бопровода, компенсатора трубопровода, компенсато- ра трубопровода. 4. Поэлементное разнесение сборки трубопровода (рис. 10). 5. Анализ, оптимизация трассы трубопровода и проверка на допустимые зазоры и пересечение с трас- сами близлежащих трубопроводов после размещения ДСЕ в трубопроводе и элементов его крепления. 6. Проработка этапов сборки изделия и технологи- ческой возможности изготовления трубопровода, оп- ределение мест разъема трубопровода и разбиение трубопровода на несколько с определением положе- ния монтажных стыков с учетом возможности сборки, сварки, рентгеноконтроля и испытаний (рис. 11). 7. Уточнение компоновки изделия по результатам анализа и оптимизации трассы трубопровода (рис. 12). 8. Определение мест нанесения маркировки на трубопроводе (рис. 13, 14). 9. Получение окончательной модели трубопровода после уточнения компоновки изделия (рис. 15). Рис. 8. Определение дополнительного места крепления Fig. 8. Determination of additional attachment point Рис. 9. Определение начальных и конечных точек трассы трубопровода Fig. 9. Determination of the start and end points of the pipeline route Рис. 10. Размещение ДСЕ в трубопроводе и элементов его крепления Fig. 10. Layout of DSE in the pipeline and its fasteners Рис. 11. Определение положения монтажных стыков и увязка с окружающими конструкциями Fig. 11. Determining the position of the mounting joints and linking with the surrounding structures Рис. 12. Уточненная компоновка изделия Fig. 12. Refined product layout Рис. 13. Маркировка стыка трубопровода Fig. 13. Pipeline joint marking Рис. 14. Маркировка трубопровода Fig. 14. Pipeline marking Рис. 15. 3D-модель трубопровода Fig. 15. 3D model of the pipeline Общее описание программного модуля для станка с ЧПУ гибки трубопроводов. Международ- ный стандарт ISO 6983 [8], регламентирующий разработку программного модуля для станков с ЧПУ, представляет собой описание последовательности под- готовительных и вспомогательных команд-функций. Подготовительные команды (содержат символ G) транслируются стойкой ЧПУ в перемещения рабочего инструмента оборудования относительно заготовки детали. Это команда линейной интерполяции (G101), команды круговой интерполяции (G102 - по часовой стрелке, G103 - против часовой стрелки). Вспомогательные команды управляют режимами работы системы управления станком. Слова вспомо- гательных команд состоят из символа M, за которым следуют две цифры, определяющие тип команд. Например, признак окончания управляющей про- граммы - M30. Управляющая программа представляет собой пол- ное описание технологических и геометрических па- раметров детали. Отработка на станке с числовым программным управлением такой программы позволяет получить соответствующую ей деталь. При со- ставлении управляющей программы также нет необ- ходимости записывать команды управления станоч- ной автоматикой (зажим-разжим цанги, гибочной и зажимной матрицы; возврат шаблона в исходное со- стояние; перемещения дорна и т. д.), так как данные команды запрограммированы в системе ЧПУ трубо- гибочного станка. Все вспомогательные перемещения (возврат гибочного кронштейна - координата С; по- ворот цангового патрона при изменении направления гиба - координата B), а также пересчет угла поворота трубной заготовки в перемещение продольной карет- ки (координата Y) выполняются за счет использова- ния макропроцедур без дополнительных указаний в управляющей программе. В трубогибочном станке SB-63х4А-3S-V реализо- ваны следующие специализированные программные циклы (макропроцедуры): а) G100 - функция, определяющая: - режим гиба трубы A (A1 - намотка, A2 - обкат- ка, A3 - проталкивание); - радиус шаблона R; - длину заготовки трубы L; - скорость рабочей подачи F; б) G101 - функция, задающая перемещении заго- товки по линейной координате Y; в) G102 - функция, задающая перемещения заго- товки по часовой стрелке поворотных координат B и C; г) G103 - функция, задающая перемещения заго- товки против часовой стрелки поворотных коорди- нат B и C. Ниже приведен текст примера управляющей про- граммы, предназначенной для гибки трубной заготов- ки методом намотки: %O11111 (TEST GIBKA1) (начало программы) N1 G100 A1 R50 L2000.9 F300 (A1 - намотка) N2 G101 Y200 (перемещение по координате Y на 200 мм) N3 G102 C30 (загиб трубы на угол 30 градусов по часовой стрелке) N4 G101 Y100 N5 G103 C45 (загиб трубы на угол 45 градусов против часовой стрелки) N6 G101 Y50 N7 G102 B120 (поворот трубы вокруг оси Y на 120 градусов по часовой стрелке) N8 G101 Y22.8 N9 G103 C10.5 N10 G101 C300 N11 M30 (окончание программы) % %O11111 - оформление начала и номер управ- ляющей программы (TEST GIBKA1) - название программы, заключа- ется в круглые скобки N1…N11 - номера кадров F450 - скорость рабочих ходов гибки M30 - окончание управляющей программы % - окончание файла. Создание исполнительного программного модуля (должен соответствовать международному стандарту ISO 6983) для обеспечения автоматизированной работы трубогибочного станка состоит из следующих эта- пов (рис. 16): 1. Технолог-программист с помощью программно- го обеспечения Solid Works создает чертеж трубопро- вода. 2. Далее стандартными средствами Solid Works необходимо сохранить узловые точки в текстовый файл. Важно отметить, что при сохранении узловых точек необходимо выбирать вариант «точки касатель- ности». 3. Постпроцессор трубогиба рассчитывает управ- ляющую программу для станка. 4. Программный модуль постпроцессирования осуществляет преобразование входных данных в формат управляющей программы, понятный систе- ме ЧПУ станка с сохранением на жесткий диск или переносной носитель. 5. Загрузка программы гибки на стойке ЧПУ через меню ввода. Заключение. Из представленных рисунков видна сложная конфигурация значительного количества трубопроводов. Учитывая большое число трубопро- водов (разных диаметров и траекторий), используе- мых при создании БМРБ, сложность и трудоёмкость технологического процесса изготовления их эталонов и самих изделий ведёт к увеличению сроков внедре- ния КД в производство, что, в свою очередь, увеличи- вает сроки изготовления БМРБ. Учитывая безусловность выполнения гособоронзаказа, сокращение временных издержек постоянной отработки технологии изготов- ления на трубогибах разных 3D-трубопроводов, из разных материалов, диаметров и партий поставки, исключит риски временных задержек изготовления выпускаемого изделия. Выполнение вышеуказанных задач требует созда- ния универсальной технологической методики запус- ка изготовления трубопровода 3D-конфигурации, ко- торая должна включать в себя решение всех возмож- ных причин внештатных ситуаций работы станка - трубогиба, позволять минимальными временными и материальными затратами выходить в режим штат- ной работы [9-15]. Подпись: Станок №1 №2 №3 №4 №5 Рис. 16. Структурная схема создания управляющей программы Подпись: Machine №1 №2 №3 №4 №5 Fig. 16. Structural diagram of the control program creation Решение упомянутой задачи возможно путём: - создания универсального техпроцесса гибки ТСК, позволяющего не создавать новый техпроцесс для трубопроводов с другими диаметрами и длинами, учитывающего разные материалы и разные партии труб, пружинение, проскальзывание труб и прочие проблемные моменты работы станка; - создания (разработки КД и изготовления) уни- версального технологического перехвата гибки ТСК и специальной гибочной головки с индукционной функцией, позволяющего исключить проскальзыва- ние трубопровода на станке-трубогибе, исключить требование наличия прямолинейных участков для крепления технологической оснастки гиба, а также позволяющего из труб разной плотности, плавки материала и толщины стенки (влияющих на пружине- ние) изготавливать трубопроводы с требуемыми габа- ритными размерами, радиусами гиба с допустимыми утонениями стенок и допустимыми отклонениями размеров ответственных участков; - практического внедрения в производство двух первых пунктов, накопления статистики работы, обнаружения узких мест (неучтенных факторов) с последующей корректировкой техпроцесса и дора- боткой оснастки гиба.

About the authors

S. V. Titenkov

JSC “Krasnoyarsk machine-building plant”

29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660123, Russian Federation

V. Yu. Zhuravlev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: vz@sibsau.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files