Solutions efficaces pour l'usinage composite fraisage-tournage

 

L'efficacité et la précision sont les objectifs éternels dans le domaine du travail des métaux. Avec le développement continu de la technologie CNC, de la technologie informatique, des machines-outils et des processus d'usinage, les concepts d'usinage traditionnels ne répondent plus aux exigences de vitesse, d'efficacité et de précision. C’est dans ce contexte qu’est née la technologie d’usinage des composites. De manière générale, l'usinage composite fait référence à un ensemble de techniques d'usinage permettant de réaliser différents processus ou méthodes sur une seule pièce d'équipement. Les technologies actuelles d'usinage des composites sont principalement de deux types : l'une est basée sur différentes formes d'énergie ou de mouvement, et l'autre, principalement mécanique, est basée sur le principe de concentration des processus. Parmi celles-ci, l’usinage composite fraisage-tournage est devenu l’une des technologies à la croissance la plus rapide ces dernières années.

 

▲ Usinage composite fraisage-tournage

 

Les pièces aérospatiales sont de plus en plus caractérisées par de petits lots, des processus complexes et une utilisation intensive de structures intégrales à parois minces et de matériaux difficiles à usiner. Cela entraîne des goulots d'étranglement tels que des cycles de fabrication longs, des taux d'enlèvement de matière élevés, une faible efficacité de traitement et de graves déformations d'usinage. Pour améliorer l’efficacité et la précision des produits aérospatiaux complexes, les ingénieurs recherchent depuis longtemps des méthodes d’usinage plus efficaces et plus précises. L’avènement des équipements d’usinage composites fraisage-tournage offre une solution efficace pour améliorer la précision et l’efficacité des pièces aérospatiales.

 

Par rapport aux processus d'usinage CNC conventionnels, les avantages de l'usinage composite se reflètent principalement dans les domaines suivants :

 

(1) Raccourcir la chaîne du processus de fabrication et augmenter l’efficacité de la production

L'usinage composite fraisage-tournage permet de réaliser la plupart ou la totalité des étapes d'usinage en un seul serrage, raccourcissant ainsi considérablement la chaîne du processus de fabrication. Cela réduit le temps de production auxiliaire dû au repositionnement, raccourcit le cycle de fabrication des accessoires et augmente l'efficacité de la production.

 

(2) Réduire le nombre de pinces et améliorer la précision de l'usinage

Moins d'opérations de serrage réduisent les erreurs causées par les conversions de référence. Les machines de fraisage-tournage modernes disposent souvent de capacités de mesure en ligne, permettant une inspection sur place et un contrôle précis des données clés pendant le processus de fabrication, améliorant ainsi la précision des pièces.

 

(3) Réduction de l'espace au sol et réduction des coûts de production

Bien qu'une machine composite fraisée-tournée puisse avoir un prix individuel élevé, la chaîne de processus raccourcie et la réduction des équipements, des accessoires, de l'espace au sol et des coûts de maintenance requis peuvent réduire considérablement l'investissement global, les opérations de production et les coûts de gestion.

 

 

I Technologies clés dansCompositeUsinage

 

Malgré ses avantages par rapport à l'usinage conventionnel en un seul procédé, l'utilisation de l'usinage composite fraisage-tournage dans l'industrie aérospatiale n'a pas encore atteint son plein potentiel. La raison principale réside dans le temps d'application relativement court de cette technologie dans la fabrication aérospatiale, ainsi que dans l'exploration continue des processus de fraisage-tournage, de programmation CNC, de post-traitement et de technologies de simulation adaptés aux caractéristiques structurelles des processus de pièces aérospatiales. Pour exploiter pleinement les capacités des équipements composites fraisage-tournage et améliorer l’efficacité et la précision, il est essentiel de surmonter ces défis et de réaliser des applications intégrées.

 

1. Technologie des processus d'usinage composites fraisage-tournage

Contrairement aux équipements d’usinage conventionnels, un centre d’usinage composite fraisage-tournage est essentiellement une ligne de production. Un usinage efficace et précis dépend de la qualité de la planification du processus, de la manière dont le serrage est effectué et de la manière dont les outils sont sélectionnés en fonction des caractéristiques du processus de la pièce et des caractéristiques de l'usinage fraisage-tournage.

 

La concentration du processus est la caractéristique la plus distinctive de l’usinage des composites. Par conséquent, un processus scientifique et rationnel est essentiel pour améliorer l’efficacité et la précision de l’usinage fraisage-tournage. Lorsque les barres sont utilisées comme ébauche pour la fabrication de la roue, l'usinage conventionnel consiste à tourner le profil externe de la roue sur un tour CNC, suivi d'un tournage de précision pour les surfaces de référence, d'un usinage CNC à cinq axes pour le rainurage, d'un usinage d'ébauche, d'une semi-finition, et l'usinage final des surfaces et des moyeux, et enfin le perçage sur un centre d'usinage à cinq axes ou un équipement de perçage. Grâce au centre de tournage-fraisage S192F, l'ensemble du processus peut être réalisé en un seul serrage, et lors du traitement des barres, la machine peut même automatiser la coupe, l'alimentation et la production en série de turbines sans intervention humaine. Le parcours du processus peut être configuré comme suit :

 

Serrage par broche de barres → Tournage d'ébauche du profil extérieur → Tournage de précision du profil extérieur → Fraisage à cinq axes pour le rainurage → Usinage grossier du canal d'écoulement → Semi-finition du canal d'écoulement → Usinage de précision du canal d'écoulement → Perçage → Serrage de la broche arrière → Tournage du plan inférieur de la roue → Perçage.

 

Comme illustré, un seul serrage complète toutes les étapes d'usinage de la roue, améliorant considérablement l'efficacité et la précision.

Pour les centres de fraisage-tournage équipés de deux tours d'outils, les équipements à double tour sont livrés avec des systèmes de contrôle à double canal, où les tours d'outils supérieure et inférieure peuvent être contrôlées indépendamment. L'usinage simultané peut être réalisé grâce à des commandes synchronisées dans le code. Pour exploiter pleinement les capacités de l'équipement, un fonctionnement synchrone de plusieurs processus sur la pièce peut être réalisé, permettant, par exemple, le tournage d'ébauche simultané du profil externe et l'alésage d'ébauche du trou intérieur, améliorant ainsi l'efficacité de l'usinage. Le mouvement synchrone des tours d'outils supérieure et inférieure permet le traitement efficace d'une série de trous, améliorant l'efficacité tout en minimisant la déformation de la pièce grâce à l'équilibrage des forces de perçage axiales. Pour obtenir cette fonctionnalité, une recherche approfondie sur la séquence et la synchronisation des itinéraires de processus est nécessaire pendant la phase initiale de conception du processus.

 

2. Technologie de programmation CNC pour l'usinage fraisage-tournage

Les progrès de la technologie d'usinage fraisage-tournage exigent des normes plus élevées en matière de programmation CNC, ce qui est devenu un goulot d'étranglement dans l'application des équipements de fraisage-tournage dans la production réelle. Sans solutions spécialisées d'usinage de composites, un logiciel de FAO général est généralement utilisé pour planifier une partie du programme d'usinage, qui est ensuite intégrée manuellement par les ingénieurs de procédés pour répondre aux exigences de l'usinage de composites. Cette méthode impose des exigences élevées aux ingénieurs de procédés. Par rapport à la programmation CNC traditionnelle, la programmation fraisage-tournage pose plusieurs défis :

 

 

(1)Diprocessus de vers

Pour les ingénieurs procédés, il est essentiel non seulement de maîtriser les méthodes de programmation de diverses méthodes d'usinage telles que le tournage CNC, le fraisage multi-axes et le perçage, mais également de définir avec précision la connexion entre les opérations et les trajectoires d'approche et de retrait. Par conséquent, lors de la programmation CNC, les ingénieurs doivent avoir une compréhension claire du modèle de processus et de la répartition des surépaisseurs d'usinage après chaque opération afin de faciliter la programmation et les paramètres de trajectoire d'outil pour l'opération suivante.

 

(2) Dissuaderl'exploitation minière, la séquence des opérations parallèles et en série doit suivre strictement le parcours du processus

De nombreuses pièces peuvent être entièrement usinées, de la matière première au produit fini, sur un centre d'usinage composite fraisage-tournage. Ainsi, le programme CNC final doit s'aligner sur le parcours du processus. De plus, l'usinage parallèle multicanal doit être soigneusement pris en compte lors du processus de programmation CNC. Par conséquent, pour obtenir un usinage composite efficace, des solutions intégrées combinant processus, programmation et simulation doivent être développées.

 

(3) Certaines fonctions de l'usinage composite fraisage-tournage ne sont pas encore prises en charge par les logiciels de FAO généraux actuels.

Comparé à l’usinage conventionnel sur une seule machine, l’usinage composite fraisage-tournage comporte des mouvements de machine et des fonctions de traitement plus complexes. Les logiciels de FAO généraux actuels sont encore insuffisants pour prendre pleinement en charge les fonctionnalités avancées telles que la mesure en ligne, la découpe, l'alimentation automatique et le contrôle de la poupée mobile. En conséquence, les programmes générés par les logiciels de FAO généraux nécessitent souvent une intervention manuelle ou interactive substantielle avant de pouvoir être appliqués à l'usinage automatisé de composites fraisage-tournage.

 

(4) Intégration du programme

Les programmes CN générés par les logiciels de FAO généraux sont indépendants les uns des autres. Pour l’usinage composite fraisage-tournage automatisé et complexe, ces programmes indépendants doivent être intégrés. Cette intégration doit être guidée par le parcours de processus de la pièce, en déterminant d'abord quels programmes sont parallèles, puis en définissant la séquence d'usinage pour différents processus. Des instructions précises pour les changements d'outils, les remplacements de serrage, les conversions de référence et les mouvements d'approche/rétraction doivent également être fournies.

 

Il est évident que la programmation CNC pour l'usinage composite fraisage-tournage est très difficile, et il existe encore de nombreuses lacunes et déficiences dans l'utilisation d'un logiciel de FAO général pour ce processus. Pour résoudre ces problèmes, une solution plus pratique consiste à développer des systèmes de programmation spécialisés basés sur les logiciels CAO/FAO généraux existants qui s'adressent aux processus de produits et aux équipements d'usinage des composites. Cette approche réduit non seulement les investissements logiciels redondants, mais évite également des problèmes tels que l'incapacité de réutiliser les connaissances sur les processus et la complexité du personnel causée par des plates-formes de programmation non unifiées.

 

 

3. Technologie de post-traitement pour l'usinage fraisage-tournage

 

Correspondant à la technologie de programmation CNC, l'usinage composite fraisage-tournage, en raison de ses processus complexes et de ses nombreuses pièces mobiles, impose des exigences plus élevées aux logiciels et technologies de post-traitement actuels. Par rapport aux équipements CNC conventionnels, les défis du post-traitement pour l'usinage composite fraisage-tournage se reflètent principalement dans les aspects suivants :

 

(1) Transitions de mouvement précises et strictes entre les processus

Compte tenu de la variété des processus sur les équipements composites fraisage-tournage, une fois l'opération en cours terminée, la machine doit changer automatiquement et avec précision les méthodes d'usinage, les outils et les composants mobiles en temps opportun pour garantir l'exactitude et la sécurité. Pour y parvenir, il est nécessaire de définir des trajectoires d'approche et de retrait d'outil appropriées, ainsi que le timing des changements d'outils automatiques et de l'activation/désactivation du liquide d'arrosage. Plus important encore, les positions des composants immobiles pendant l'opération en cours doivent être spécifiées pour éviter les collisions entre les pièces mobiles et immobiles lors des changements d'outils et de l'usinage, garantissant ainsi un processus sûr et stable.

 

(2) Détermination automatisée des séquences de processus et des programmes CNC

Dans l'usinage composite, le processus est relativement long, et l'organisation et l'intégration manuelles du code NC après le post-traitement sont non seulement inefficaces, mais également sujettes aux erreurs. Une solution idéale consiste pour le système de post-traitement à déterminer automatiquement la séquence d'usinage et les méthodes de processus intégrées dans les fichiers de parcours d'outil, garantissant ainsi qu'elles sont conservées dans le code CN après le post-traitement. Par conséquent, le fichier de parcours d'outil généré après la programmation CNC doit non seulement contenir des méthodes de processus et des données de position d'outil, mais également inclure des séquences d'usinage, des types d'outils et des numéros d'outils. Cela permet une détermination automatisée des séquences de processus, des méthodes et des outils pendant le post-traitement.

 

(3) Post-traitement pour différentes méthodes d'usinage

Le programme de post-traitement pour l'usinage composite fraisage-tournage doit gérer le fraisage, le tournage et le perçage CNC multi-axes, ainsi que des fonctions telles que la découpe, l'alimentation automatique, le contrôle de la poupée mobile et les appels de boucle de programme. L'algorithme de post-traitement pour l'usinage composite fraisage-tournage doit englober toutes les méthodes de traitement CNC existantes et intégrer et coordonner de manière transparente les différentes méthodes et mouvements d'usinage.

 

(4) Maximiser les fonctionnalités avancées des systèmes de contrôle

Les systèmes CNC utilisés dans les centres d'usinage composites fraisage-tournage sont très avancés, comme le système FANUC 31i utilisé dans le Bumotec S192FT et le système SINUMERIK 840D utilisé dans le WFL 150. Ces systèmes de contrôle avancés offrent des fonctionnalités telles que l'optimisation automatique de l'avance, le lissage des vecteurs d'outils, une anticipation supérieure et une interpolation à grande vitesse et de haute précision. Par conséquent, il est crucial de refléter ces fonctions avancées du système CNC dans les sections appropriées du code d'usinage généré pendant le post-traitement afin d'utiliser pleinement les capacités des équipements composites de fraisage-tournage.

 

(5) Gestion et appel de fonctions non coupantes

En plus des fonctions de tournage, de fraisage, de perçage et d'alésage, les centres d'usinage composites disposent de fonctions non coupantes nécessaires aux transitions de processus, telles que l'alimentation automatique, le déchargement, l'amarrage de la broche et le contrôle de la poupée mobile. Ces fonctions doivent être traitées comme des modules communs dans la phase de post-traitement, appelables par le programme. La séquence et le moment de ces appels doivent être déterminés en fonction du parcours du processus. Actuellement, les logiciels de post-traitement ne prennent pas entièrement en charge ces fonctionnalités.

 

 

4. Technologie de simulation pour l'usinage fraisage-tournage

 

En raison des nombreuses pièces mobiles et des fonctionnalités complexes de l’usinage composite fraisage-tournage, la simulation post-programmation devient particulièrement critique. L'adoption de l'usinage composite fraisage-tournage dans l'industrie aérospatiale chinoise étant relativement récente, il n'existe actuellement aucune technologie d'application de simulation mature. La plupart des fabricants s'appuient sur des essais de découpe pour vérifier et optimiser les programmes, ce qui entraîne de longs cycles de préparation des processus, des risques de développement élevés et une augmentation des coûts d'usinage.

 

Pour améliorer l’application de l’usinage composite fraisage-tournage et améliorer l’efficacité de la programmation, l’adoption de la technologie de simulation doit être considérablement encouragée. Actuellement, les principaux logiciels utilisés pour la simulation d'usinage composite fraisage-tournage comprennentTopSolideetGibbs, mais ceux-ci sont généralement coûteux et moins couramment introduits dans le domaine de la fabrication aérospatiale chinoise. En fait, la simulation d'usinage composite fraisage-tournage peut également être réalisée à l'aide d'un logiciel de simulation CNC général tel queVericutouNCSimul. En personnalisant et en développant des macro-fonctions basées sur la structure de la machine, les caractéristiques de mouvement, les fonctions spéciales et les systèmes CNC, il est possible de simuler le processus d'usinage.

 

Pour réaliser une simulation d'usinage composite fraisage-tournage à l'aide d'un logiciel de simulation CNC général, il est d'abord nécessaire de construire un environnement machine relativement réaliste au sein du système de simulation. L'accent doit être mis sur l'établissement des relations de mouvement relatif et des positions géométriques des différentes pièces mobiles de la machine. Sur cette base, une bibliothèque d'outils et les numéros d'outils correspondants utilisés dans le processus d'usinage doivent être mis en place. Ensuite, configurez le système CNC et les références d'usinage de la machine, et chargez le code NC généré par l'étape de post-traitement dans le système de simulation pour exécuter la simulation du processus d'usinage. Contrairement à l'usinage CNC conventionnel, certaines fonctions (telles que l'usinage multicanal ou le contrôle de la poupée mobile) peuvent nécessiter le développement et la personnalisation de macro-fonctions pour être pleinement mises en œuvre.

 

 

II Perspectives d'application et suggestions de développement pour la technologie d'usinage fraisage-tournage

 

 

Ces dernières années, les centres d'usinage composites fraisage-tournage ont été introduits dans l'industrie aérospatiale chinoise, notamment dans les usines d'avions, de moteurs d'avion et d'accessoires. L'équipement comprend principalement des produits deWFL autrichiennesérie etBumotec de Suissecentres de fraisage-tournage. Cependant, comme leur application en production est relativement récente, il existe un manque général de processus d'usinage, de techniques de programmation et de technologies de post-traitement matures qui correspondent aux caractéristiques du produit et de l'équipement. En conséquence, l’équipement d’usinage composite fraisage-tournage introduit fonctionne actuellement avec un niveau d’efficacité relativement faible.

 

Les principaux défis de la fabrication de produits aérospatiaux sont les longs parcours de processus, les procédures complexes, la faible efficacité d'usinage, les déformations importantes et les coûts élevés. Les domaines de la fabrication d'avions et de moteurs présentent un vaste potentiel pour l'application de l'usinage composite fraisage-tournage.

 

Par exemple, le fraisage d'un cadre de fuselage implique des dizaines d'étapes : préparation des matériaux, usinage grossier et fin des formes intérieures et extérieures, perçage des trous, finition manuelle et inspection, nécessitant de multiples resserrages. De même, l’usinage des disques aubagés intégrés dans les moteurs aérospatiaux commence par le forgeage des ébauches et implique le tournage, le fraisage, le polissage, le traitement de surface et la détection des défauts. Ces pièces ont de longs cycles de production, occupant souvent des machines pendant des centaines d'heures, et nécessitent différents types de machines CNC, ainsi que de nombreux montages, outils et instruments de mesure. Le resserrage fréquent prolonge non seulement les temps d'attente, mais accumule également les erreurs de positionnement, ce qui a un impact sur la précision des pièces et la qualité finale.

 

L'usinage composite fraisage-tournage, avec sa capacité à réaliser la plupart ou la totalité des opérations en une seule configuration, offre une nouvelle voie pour l'usinage efficace et précis de composants aérospatiaux complexes. Les avantages se traduisent principalement par :

 

• Réduction significative des temps de serrage, améliorant l'efficacité tout en éliminant les erreurs causées par le changement de machines ou de méthodes de serrage.
• Concentration du processus, raccourcissant la chaîne du processus d'usinage et réduisant les temps d'attente et les périodes d'arrêt des machines.
• Polyvalence dans les opérations d'usinagetels que le tournage, le fraisage et le perçage sans modifier le positionnement, réduisant ainsi le nombre de fixations requises et garantissant une précision dimensionnelle constante.
• Capacités de mesure sur machine, permettant des mesures en cours de processus et inter-processus pour contrôler la précision tout au long du cycle d'usinage.

 

Ces avantages peuvent remédier efficacement aux lacunes actuelles de la fabrication de pièces aérospatiales, en améliorant considérablement la précision et l’efficacité des produits.

 

Pour exploiter pleinement le potentiel des équipements d’usinage composites avancés et améliorer encore l’efficacité et la qualité de la fabrication des produits aérospatiaux, plusieurs domaines clés nécessitent une attention particulière :

 

• Recherche sur les procédés d'usinage des compositesqui correspondent aux caractéristiques des pièces aérospatiales, y compris la détermination des itinéraires de processus, des méthodes de serrage, des outils, des stratégies de refroidissement et des paramètres de coupe.
• Développement et personnalisation de systèmes de programmation CNC, de post-traitement et de simulationqui correspondent aux caractéristiques structurelles et de processus de l'équipement, créant une solution intégrée pour la simulation de programmation-post-traitement-processus, réduisant ainsi le recours à un personnel hautement qualifié.
• Établissement de normes de processusgrâce à l'accumulation d'expériences issues de la simulation, des essais de découpe et de la production réelle, qui peuvent servir de guide pour la fabrication ultérieure des pièces.
• Culture des talents, puisque l'usinage composite représente une technologie de pointe dans le domaine de l'usinage. La programmation des processus et la maintenance opérationnelle sont plus complexes que les équipements conventionnels, ce qui rend une équipe R&D de haut niveau essentielle pour garantir un fonctionnement efficace et sain des équipements.

 

 

 

IIIConclusion

 

 

Actuellement, les équipements d'usinage composites évoluent vers des capacités de processus plus larges, une efficacité plus élevée, des opérations à plus grande échelle et une modularisation. Le secteur de la fabrication aérospatiale a toujours été une étape cruciale pour les technologies de fabrication avancées, et avec le rythme accéléré de la mise à niveau des produits aérospatiaux, les équipements de traitement dispersés seront progressivement remplacés par des équipements flexibles et automatisés avec des processus concentrés. Ce changement offre à la technologie d’usinage des composites un espace de développement et d’application plus large.

 

La tendance vers des systèmes de fabrication plus intégrés et plus flexibles s’aligne bien avec les exigences de la fabrication aérospatiale moderne. À mesure que les composants aéronautiques et aérospatiaux deviennent plus sophistiqués et que les délais de production se raccourcissent, les fabricants s'appuieront de plus en plus sur des technologies d'usinage avancées telles que les systèmes composites fraisage-tournage pour rationaliser les processus, améliorer la précision et réduire les coûts. Le développement continu de l'automatisation et de la modularisation des équipements améliorera encore la flexibilité, permettant aux fabricants de s'adapter rapidement aux nouvelles conceptions et exigences de production, garantissant ainsi que l'industrie aérospatiale reste à la pointe de l'innovation technologique.