Применение цифровых технологий для изготовления трубопроводов обвязки ЖРД

УДК 629.7:004

Применение цифровых технологий для изготовления трубопроводов обвязки ЖРД

Application of digital technologies for LPRE pipelines manufacturing

Трубопроводы обвязки жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) являются одними из особо ответственных составляющих пневмогидравлической системы. К изготовлению трубопроводов предъявляется ряд требований, обеспечивающих герметичность, чистоту внутренних полостей, необходимую прочность в условиях работы ЖРД, коррозионную стойкость, а также технологичность конструкции, позволяющую изготавливать трубопроводы с минимальной себестоимостью изготовления.

На сегодня большинство предприятий ракетно-космической промышленности (РКП) используют метод эталонирования для изготовления трубопроводов обвязки ЖРД. В качестве эталонов для изготовления и приёмки трубопровода используются эталонный трубопровод и соответствующий шаблон. При проектировании изделий инженеры-конструкторы работают с физическими образцами, примеряя их на макете изделия, а по результатам примерки вносят в случае необходимости корректировки в конструкторскую документацию (КД). Изготовление трубопроводов с таким подходом требует организации участка для хранения эталонов, проведения работ по проверке и ремонту эталонов и шаблонов, что не обеспечивает сокращения циклов разработки и постановки на производство перспективных ЖРД, а также не соответствует современным мировым тенденциям по внедрению цифровых технологий в производственные процессы.

Учитывая политику АО «НПО Энергомаш» в направлении повышения качества выпускаемой продукции, сокращения циклов разработки и постановки на производство перспективных ЖРД при сокращении затрат, принято техническое решение о переходе предприятия на перспективные технологии изготовления трубопроводов обвязки ЖРД.  

Предпосылки для реализации проекта:

• отсутствие КД на трубопроводы, отражающей конфигурацию геометрических характеристик;
• изготовление трубопроводов по шаблонам и эталонам;
• необходимость хранения большого количества оснастки для изготовления трубопроводов (шаблонов и эталонов трубопроводов, около 900 ед.);
• потребность в снижении трудоёмкости изготовления деталей сборочных единиц (ДСЕ);
• потребность в точных конструкторских 3D моделях двигателей с учётом обвязки для решения компоновочных задач;
• необходимость в контроле изготовления ДСЕ на протяжении производственного цикла изготовления (цифровой двойник).

В рамках проектных мероприятий рабочей группой с участием независимых экспертов на предприятии проведен технический аудит производственного участка изготовления трубопроводов. По результатам аудита сделаны следующие выводы:

• оборудование, применяемое для изготовления трубопроводов, имеет моральный и физический износ;
• большая номенклатура трубопроводов изготавливается вручную, с высокой трудоемкостью подгибочных и слесарных работ;
• операции сборки сварных трубопроводов выполняются на большом количестве стапельной оснастки с высокой трудоемкостью.

Цель проекта – повышение качества выпускаемой продукции за счёт внедрения сквозной цифровой технологии изготовления трубопроводов по электронным моделям с применением современного прогрессивного оборудования.

Задачи проекта:

• освоить изготовление трубопроводов по сквозной цифровой технологии на новом оборудовании;
• отказаться от применения физических шаблонов и эталонных образцов, внедрить технологию с цифровым эталоном;
• создать нормативную базу и конструкторско-технологическую документацию (КД и ТД) для работы по новой технологии;
• перевод всей возможной номенклатуры трубопроводов на машинную гибку;
• сократить долю ручного труда.

Для решения указанных задач принято решение по внедрению перспективных методов изготовления трубопроводов обвязки ЖРД, обеспечивающих автоматизацию процесса изготовления за счёт применения технологий 3D моделирования и специализированного технологического оборудования. Данные методы позволяют существенно сократить цикл «подготовка производства – изготовление трубопроводов» обвязки ЖРД. Ниже приведено сравнение традиционной и перспективной технологии.

Традиционный маршрут «технологическая подготовка – изготовление трубопроводов» технологии, использующей эталонные образцы и шаблоны.

Из проволоки изготавливается шаблон (трасса), по которому изготавливается макетная труба. К макетной трубе прихватываются сваркой концевые элементы, после чего выполняется примерка макета на двигателе, ориентация концевых элементов с учётом расположения ответных интерфейсов и их окончательная сварка с трубой. Далее по макетному трубопроводу изготавливается шаблон. Шаблон используется для изготовления и контроля трубопровода. По результатам сборки трубопровода его примеряют на макете и в случае необходимости выполняют подгибку по месту. После примерки трубопровода на макете он окончательно сваривается, места сварки зачищаются, трубопровод проходит испытания и контроль на соответствие требованиям КД и ТД.

Альтернативный маршрут «технологическая подготовка – изготовление трубопроводов» технологии с применением цифровых технологий

Специалисты КБ разрабатывают 3D модель (в случае перевода на технологию трубопроводов действующих изделий может быть применён реверсивный инжиниринг), используемую для разработки управляющей программы гибочного станка с числовым программным управлением (ЧПУ). По разработанной программе гнётся трубная заготовка. С применением конструкторской 3D модели инженер-технолог разрабатывает карту сборки трубопровода, используемую для сборки трубопровода на универсальном-сборном приспособлении (УСП), где концевые элементы прихватываются сваркой. Далее трубопровод окончательно сваривается, проходит испытание и контроль на соответствие требованиям КД и ТД с применением контрольно-измерительных машин.

Рассмотрим детально отличие двух технологий изготовления трубопроводов – изготовление с применением эталонов и изготовление по 3D моделям в разрезе звеньев цикла «технологическая подготовка – изготовление трубопровода».

Разработка КД

При изготовлении трубопроводов с применением цифровых технологий разрабатывается цифровая электронная конструкторская документация (ЭКД) как на трубопровод (рис. 1), так и на трубную заготовку. При изготовлении трубопроводов с применением эталонов разрабатывается плоская КД только на трубопровод. Применение 3D моделирования позволяет сократить цикл разработки КД, сократить затраты на изготовление опытных образцов трубопроводов, шаблонов и эталонов, а также исключить потребность в организации участка складирования эталонов.

Рис. 1. ЭКД на трубопровод

Изготовление трубы

По традиционной технологии 66% труб для трубопроводов обвязки ЖРД изготавливалось с применением ручной гибки, что накладывает определённые риски, связанные с человеческим фактором, а также является трудозатратным методом изготовления трубы. Часть труб изготавливалась на станке с ЧПУ захолаживанием трубопровода для обеспечения отсутствия гофры в зоне гиба.

По результатам внедрения технологии изготовления трубы по 3D моделям на современном станке с ЧПУ более 90% ручных операций гибки переведены на станок с ЧПУ (рис. 2), что снизило влияние человеческого фактора на производственный процесс, повысило качество выпускаемой продукции при снижении затрат на изготовление. За счёт применения гибки на станке с ЧПУ с применением дорна снизилось количество трубопроводов, изготавливаемых на станке с ЧПУ с захолаживанием. Возможность симуляции процесса гибки трубной заготовки в специализированном программном обеспечении, а также на стойке гибочного станка с ЧПУ позволяет снизить затраты на отработку технологии гибки. Комплексное решение применения автоматизации производства труб с выстраиванием эффективного планирования производства обеспечивает снижение трудоёмкости изготовления номенклатуры труб для трубопроводов обвязки ЖРД до 20%.

Рис. 2. Многоуровневый трубогибочный станок с ЧПУ

Сборка трубопровода

Для обеспечения сборки трубопровода по традиционной технологии слесарь-сборщик применяет необходимый шаблон, устанавливает в него трубы, концевые элементы, обеспечивает необходимый для сварки зазор между свариваемыми деталями посредством подрезки трубы. Далее выполняется прихватка концевых элементов в шаблоне, извлечение трубопровода из шаблона с последующей сваркой и контролем на отсутствие поводки после сварки посредством повторной установки трубопровода в шаблон.

При сборке трубопровода с применением цифровых технологий из автоматизированной системы управления жизненным циклом изделия выгружается соответствующая карта сборки. Карта сборки отражает средства технологического оснащения (стойки), необходимые к использованию при сборке, правила сборки средств технологического оснащения, а также расположение средств технологического оснащения на рабочем столе. Слесарь-сборщик выставляет средства технологического оснащения на рабочем столе, выполняется автоматизированный контроль корректности их установки на соответствие требований карты сборки посредством контрольно-измерительной системы, формируется соответствующий протокол (рис. 3). Трубопровод собирается с применением выставленных стоек, выполняется прихватка с помощью сварки концевых элементов трубопроводов (рис. 4). После чего выполняется окончательная сварка трубопровода и контроль трубопровода на соответствие требованиям КД и ТД с применением контрольно-измерительной системы. Формируется соответствующий протокол.

Рис. 3. Рабочее место сборщика трубопроводов по 3D модели

Рис. 4. Оснастка для сборки трубопроводов по 3D модели

Применение технологии сборки трубопроводов по 3D моделям обеспечивает объективную фиксацию программно-аппаратным способом результата сборки трубопровода, в том числе по промежуточным контрольным точкам, что повышает качество изготовления продукции, снижает влияние человеческого фактора на выполнение технологического процесса, а также обеспечивает возможность работы с данной информацией в случае необходимости.

Контроль изготовленного трубопровода

Контроль трубопроводов, изготавливаемых по традиционной технологии, выполняется визуальным способом на соответствие эталонному образцу.

При изготовлении трубопровода по цифровым моделям контроль как труб, так и трубопроводов осуществляется с применением контрольно-измерительных машин с формированием соответствующих протоколов, что снижает влияние человеческого фактора на выполнение контрольных операций, повышая качество изготавливаемой продукции (рис. 5).

Хранение шаблонов и эталонных образцов

До реализации проекта шаблоны и эталонные образцы хранились в специальном помещении с ограниченным доступом. Площадь хранения составляла 30% от производственной площади участка трубопроводов (рис. 6). Ежегодно проводилась проверка эталонных трубопроводов путем примерки образцов на макете двигателя.

После реализации проекта все эталонные образцы представлены в виде электронных моделей, которые хранятся в автоматизированной системе управления жизненным циклом изделия и не требуют производственных помещений для хранения.

Рис. 6. Хранение эталонных образцов

Выводы

В процессе реализации проекта достигнуты следующие результаты:

1. Оцифрованы все трубопроводы двух модификаций ЖРД. Разработано 304 3D моделей трубопроводов для перспективных ЖРД.
2. Разработана и изготовлена оснастка для гибки на станке с ЧПУ и сборки трубопроводов по 3D моделям.
3. Трубопроводы для одного из перспективных ЖРД полностью изготовлены с применением цифровых технологий без выполнения эталонирования.
4. Хранение эталонных образцов и шаблонов для одного из перспективных ЖРД не требуется.
5. Ежегодная примерка эталонных образцов и шаблонов для одного из перспективных ЖРД не требуется.
6. Достигнуто снижение трудоёмкости изготовления трубопроводов до 20%.

В будущем планируются работы по изготовлению трубопроводов обвязки других перспективных ЖРД с применением цифровых технологий для изготовления трубопроводов обвязки ЖРД.

Таким образом, несмотря на то, что технология изготовления трубопроводов обвязки ЖРД по эталонам всё ещё распространена на предприятиях РКП внедрение современных высокотехнологичных методов машинной гибки трубопроводов с использованием специализированных станков с ЧПУ обладает рядом значительных преимуществ.

Благодаря созданию ЭКД с использованием программ для 3D моделирования значительно ускоряется подготовка производства, и, как следствие, уменьшаются сроки изготовления готовой продукции. Возможности современного оборудования позволяют исключить метод эталонирования трубопроводов, что обеспечивает сокращение доли ручного труда в процессе производства и позволяет повысить точность изготовления, сборки и улучшить эксплуатационные характеристики ракетно-космической техники.

Воронежский Евгений Валерьевич – главный технолог АО «НПО Энергомаш». Тел.: +7 (495) 286-91-13. E-mail: energo@npoem.ru / Voronezhskii Evgenii Valerevich – Chief Technologist of JSC «NPO Energomash» Tel.: +7 (495) 286-91-13. E-mail: energo@npoem.ru

Максимов Олег Вячеславович – заместитель главного технолога по развитию производства АО «НПО Энергомаш». Тел.: +7 (495) 286-91-13. E-mail: energo@npoem.ru / Maksimov Oleg Viacheslavovich – Deputy Chief Technologist for production development of JSC «NPO Energomash». Tel.: +7 (495) 286-91-13. E-mail: energo@npoem.ru

Бреев Евгений Юрьевич – начальник сектора технического развития АО «НПО Энергомаш». Тел.: +7 (495) 286-91-13. E-mail: energo@npoem.ru / Breev Evgenii Iurevich – Head of Technical Development Section of JSC «NPO Energomash». Tel.: +7 (495) 286-91-13. E-mail: energo@npoem.ru