Отработка технологии изготовления пресс-формы для литья восковых моделей турбинных лопаток

Константин Евченко, Анатолий Машков, Сергей Нестеров

Пензенский государственный институт был основан в 1943 году во время Второй мировой войны как индустриальный институт и имел тогда три факультета: механико­технологический, точной механики и теплотехнический. Обучение проходило по трем специальностям: технология машиностроения, металлорежущие станки и литейное производство. В 1944 году, после освобождения Украины и возобновления работы Индустриального института в Одессе, решением Совнаркома вуз в Пензе получил название Пензенский индустриальный институт. С тех пор он прошел большой путь становления и развития: от индустриального института до классического университета. Сегодня в стенах ПГУ обучаются будущие инженеры, экономисты, медики, юристы, а также специалисты естественно­научного профиля. Поэтому в настоящее время ПГУ — один из самых крупных многопрофильных вузов Поволжья, обеспечивающий  формирование интеллектуального потенциала и способствующий социально­экономическому развитию всего региона. Руководителями большинства пензенских промышленных предприятий и НИИ являются воспитанники бывшего политеха.

С 2007 года на базе факультета автоматизации машиностроения ПГУ работает Центр компьютерного проектирования «Делкам­Пенза», возглавляемый профессором А.Н. Машковым и доцентом С.А. Нестеровым. Задачей ЦКП «Делкам­Пенза» является обучение студентов методам эффективной работы в CAD/CAM­решениях компании Delcam. Для этого ЦКП «Делкам­Пенза» оснащен необходимым учебным оборудованием, в том числе трехосевым гравировально­фрезерным станком.

Выпускники кафедры технологии машиностроения, имеющие сертификаты ЦКП «Делкам­Пенза» и получившие дипломы инженеров по специализации «Компьютерное проектирование и технология производства изделий», успешно работают на таких крупных пензенских предприятиях, как ОАО «Пензадизельмаш», ФГУП «ПО «Старт», ОАО «Пензтяжпромарматура» и ОАО «СКБТ».

С 2008 года ЦКП «Делкам­Пенза» начал тесно сотрудничать с ОАО «Пензадизельмаш» (www.pdmz.ru) — крупным специализированным предприятием по производству дизелей и турбокомпрессоров, а также комплектующих узлов для дизелестроительных заводов. В 2009­2011 годах результаты проделанной работы представлялись на ежегодных конкурсах студенческих работ, проводимых компанией Delcam среди российских и украинских университетов. Выполненные под руководством А.Н. Машкова и С.А. Нестерова работы¹ неоднократно занимали призовые места, а студенты Николай Чернышев и Артем Тарабрин были приглашены на шестимесячную стажировку в головной офис компании Delcam (Бирмингем, Великобритания).

Результаты сотрудничества привели к тому, что в 2011 году ОАО «Пензадизельмаш» приобрело коммерческие лицензии на программное обеспечение компании Delcam. Основная заслуга в этом принадлежала преподавателям и студентам ПГУ, сумевшим доказать специалистам предприятия высокую эффективность CAD/CAM­решений Delcam.

В 2011 году руководство ОАО «Пензадизельмаш» поставило перед университетом задачу подготовки группы выпускников по специализации «Инженеры для дизелестроения» с хорошим знанием СAD/CAM­решений Delcam и обладающих практическим опытом использования программных продуктов PowerSHAPE Pro и PowerMILL. Представленная в данной статье работа является одним из самостоятельно выполненных выпускных учебных проектов студента кафедры технологии машиностроения Михаила Шурупова, направленного предприятием ОАО «Пензадизельмаш» на целевую подготовку в ЦКП «Делкам­Пенза».

Целью проекта являлось конструирование пресс­формы для литья восковой заготовки турбинной лопатки и отработка технологии ее изготовления из воска на станке с ЧПУ (этот «учебный» материал предотвращает поломку учащимися дорогостоящего инструмента, а кроме того, все отходы и испорченные детали могут быть легко переплавлены в новую заготовку). Финальной стадией проекта являлось изготовление по ранее отработанной технологии пресс­формы и последующее литье реального изделия. Отметим, что в процессе выполнения проекта можно было использовать только те программные продукты Delcam, которые на тот момент уже имелись на предприятии.

Для сокращения сроков технологической подготовки в проекте была реализована такая последовательность проектирования обработки турбинной лопатки:

1. создание 3D­модели турбинной лопатки в CAD­системе PowerSHAPE Pro;
2. 3D­моделирование элементов пресс­формы для литья лопатки (с применением модуля Mold Die Wizard);
3. отработка технологии изготовления деталей пресс­формы на станке с ЧПУ при помощи CAM­системы PowerMILL.

Конструктивно лопатку можно условно разделить на три части: перо, хвостовик и технологическую полку. Построение профиля пера лопатки производилось по трем сечениям. Для этого на основе чертежа потребовалось задать координаты точек профилей, а также координаты окружностей кромки лопаток. После соединения построенных точек сплайном выяснилось, что теоретический профиль с чертежа имел ошибки.

Возможности анализа кривизны поверхностей в PowerSHAPE Pro наглядно показали, что после вытягивания поверхность пера получилась недостаточно гладкой (рис. 1а). Приемлемая гладкость поверхности (рис. 1б) была достигнута путем редактирования профилей в PowerSHAPE Pro при помощи функции сглаживания сплайнов и удаления из контуров заведомо ошибочных точек.

Рис. 1

Создание в PowerSHAPE Pro при помощи средств поверхностного моделирования хвостовика и технологической полки никаких затруднений не вызвало. Готовая CAD­модель заготовки лопатки (с учетом 2%­ной литейной усадки) показана на рис. 2.

Рис. 2

Рис. 3

Проектирование пресс­формы для литья восковой модели начиналось с построения линии разъема пера лопатки (рис. 3) в модуле Mold Die Wizard. Кривые разъема на технологической полке и хвостовике создавались вручную исходя из технологических особенностей изготовления формообразующих элементов. Заметим, что в CAD­системе PowerSHAPE Pro поверхность разъема может быть построена как в автоматическом, так и в ручном режиме, с тонкой настройкой всех параметров геометрии до получения необходимого результата. Готовые CAD­элементы пресс­формы показаны на рис. 4.

Рис. 4

Далее на основе готовых CAD­моделей формообразующих элементов пресс­формы в CAM­системе PowerMILL были разработаны управляющие программы для обработки их масштабных восковых прототипов (в масштабе 1:2) на учебном фрезерном станке с ЧПУ PAG 0501 (рис. 5). Для фрезерования использовался набор из двух концевых и двух шаровых фрез диаметром от 1,0 до 6,0 мм.

Рис. 5

Реализованная в данном проекте «восковая» технология отладки предназначена для того, чтобы научить студентов работать с CAM­системой и станком с ЧПУ. Кроме того, обработка восковых деталей была выбрана исходя из относительной дешевизны технологического процесса и минимизации возможных потерь (поломки инструмента, порчи заготовок, повреждения технологической оснастки и стола станка). Хотя при обучении без потерь всё же не обошлось. Старая добрая пословица «Если мастер не сломал ни одного инструмента — значит, он плохо учился!» оказалась актуальной и в XXI веке. В процессе первой в жизни отладки работы ЧПУ­программы учащимся были испорчены три заготовки и сломана одна шаровая фреза диаметром 1,0 мм. Испорченные восковые заготовки вместе со стружкой были переплавлены и повторно использованы, а недорогую фрезу сразу заменили на новую.

Рис. 6

Рис. 7

После успешной отработки пробной «восковой» технологии студенту была поставлена задача изготовить из металла по спроектированным CAD­моделям уже реальную пресс­форму. Для этого использовался установленный на ОАО «Пензадизельмаш» станок фирмы ЕМСО, оснащенный ЧПУ­стойкой FANUC. Разработка всех управляющих программ для станка с ЧПУ также производилась в CAM­системе PowerMILL. На рис. 6 показаны фотографии готовой пресс­формы, уже прошедшей тестовую проверку на отливку восковой модели заготовки лопатки.

Изготовленные таким образом восковые заготовки лопатки были отправлены в литейный цех, где по технологии выплавляемых моделей были сформированы литейные формы (рис. 7) и отлиты уже металлические заготовки турбинных лопаток (рис. 8).

Рис. 8

***

Представленный в данной статье проект позволил ЦКП «Делкам­Пенза» апробировать эффективную методику подготовки молодых специалистов на учебном оборудовании с ЧПУ. Кроме того, после пройденного курса обучения выпускник смог на практике самостоятельно реализовать в ОАО «Пензадизельмаш» технологию изготовления реального изделия — турбиной лопатки модели 122506. 

• «Производство деталей турбокомпрессора дизельного двигателя локомотива с применением программных продуктов компании Delcam» (http://www.delcam.ru/public/sg_11.01_1.pdf);
• «CAM­система PowerMILL: изготовление моноколеса турбины за 2 часа!» (http://www.delcam.ru/public/sg_09.10_2.pdf);
• «Разработка технологии изготовления заготовки турбинной лопатки для ОАО “Пензадизельмаш”» (http://www.delcam.ru/public/sg_09.09_2.pdf);
• «Центр компьютерного проектирования “Делкам­Пенза” в действии» (http://www.delcam.ru/public/sg_09.08_2.pdf).

САПР и графика 4`2012