Путем инноваций

«ОДК-Авиадвигатель» последовательно модернизирует свое производство

Сегодня в России делается многое, чтобы вернуть стране статус авиастроительной державы. Успешное развитие отечественного самолетостроения напрямую связано с производством современных и экономичных авиадвигателей, которое, в свою очередь, невозможно без широкого использования инновационных технологий.

Акционерное общество «ОДК-Авиадвигатель» – ведущее в России конструкторское бюро, разрабатывающее двигатели для авиации, а также промышленные газотурбинные установки (ГТУ) и электростанции на основе авиационных технологий. Конструкторское бюро входит в «Объединенную двигателестроительную корпорацию» («ОДК») и является головным разработчиком семейства двигателей пятого поколения для ближне– и среднемагистральных самолетов типа «МС-21» и промышленных ГТУ. Создание базового двигателя ПД-14 – один из приоритетов Государственной программы Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 гг.».

Современный роботизированный комплекс на участке производства опытных образцов

Будучи технологически совершенно новым и прогрессивным изделием, ПД14 обладает рядом конкурентных преимуществ по массе, экономичности и ресурсу. Запрос на этот двигатель уже давно сформировался на отечественном рынке, заинтересовался им и ряд зарубежных партнеров. Пропуском на мировой рынок является сертификация двигателя по международным правилам. В мировом авиастроении существует несколько стратегий сертификации изделий. Согласно одной из них исключается необходимость в испытаниях деталей двигателя как такового, испытываются только образцы материалов. По результатам испытаний делается заключение о возможности эксплуатировать деталь, узел, конструкцию в целом в течение обозначенного ресурсного срока. Такая стратегия применяется в «ОДК-Авиадвигателе».

Прежде опытные образцы изготавливались силами механического участка, оснащенного обычными станками. Универсальные станки хороши для штучного производства, в лучшем случае для изготовления сотен деталей. Но для наработки достоверной базы материалов требуются десятки тысяч образцов. Обеспечить необходимую стабильность качества и сократить сроки испытаний при таком объеме выпуска можно лишь посредством автоматизированной и роботизированной линии.

В «ОДК-Авиадвигателе» была сформулирована задача: в рамках модернизации производства в короткие сроки создать и сертифицировать современный автоматизированный участок по изготовлению образцов для исследования конструкционных свойств материалов. Участок должен базироваться на наиболее передовых технологических решениях, причем доля ручного труда на нем должна быть минимальной. Персонал должен только выполнять настройку, переналадку оборудования и системы управления на разные образцы.

Рис. 1

По результатам объявленного предприятием тендера на реализацию проекта была выбрана компания «ИНВЕРСИЯ». Стоит отметить, что среди известных европейских компаний не нашлось ни одной, готовой взяться за реализацию проекта в полном объеме. Слишком сложной и многоплановой была поставленная задача, и не было возможности тиражирования уже готовых решений. Усложняла проблему масса технологических трудностей, например, сопряжение самого разнообразного оборудования в единый комплекс, обеспечение его четкой и производительной работы, необходимость проведения огромной работы по созданию «умной» составляющей, обеспечивающей логику функционирования комплекса (рис. 1). У «ИНВЕРСИИ» же был наработан солидный опыт в реализации промышленных проектов: внедрении современных технологических процессов, высокотехнологичных станков, производственных участков, роботизации производств, проектировании и запуске с нуля новых механообрабатывающих производств. Целый ряд проектов «ИНВЕРСИЯ» реализовала для авиастроительных предприятий.

Инженерные консультанты представили концепцию будущего участка по производству образцов, были согласованы все необходимые договоры. Затем был разработан рабочий проект по внедрению участка, выполнены поставки оборудования. В комплексе было представлено оборудование из Германии, Австрии, Швейцарии, Франции, Англии и России. Однако автоматизированный участок включал в себя не только современнейшее станки и промышленные роботы, но и сложнейшую математическую составляющую, построенную на базе промышленного контроллера Siemens.

Проблема заключалась в том, что у разного оборудования разные интерфейсы связи (Profinet, Profibus, RS-232). Объем поставленного по техническому заданию оборудования превысил возможности существующих интерфейсов и программных модулей. Поэтому специалистами «ИНВЕРСИИ» были разработаны практически с нуля индивидуальные схемы взаимодействия всех единиц технологического оборудования, преодолены определенные сложности при увязке всех этих протоколов обмена данными в единый промышленно-логический контроллер. В результате система управления работает устойчиво и надежно в трехсменном режиме.

Рис. 2

Проект изначально содержал в себе огромное количество совершенно разных технологических переходов. К примеру, для раскроя заготовки на ряд малых заготовок-образцов необходимо было последовательно отработать до тысячи управляющих программ. Механическая обработка, начиная с захвата заготовки роботом и заканчивая ее упаковкой (рис. 2), – это еще порядка сотни управляющих программ. Цифры впечатляют!

Сегодня раскрой материала на гидроабразивной установке, лазерная маркировка образцов и считывание кодов, токарно-фрезерная обработка, шлифовальная, полировальная, продувка, мойка и сушка, термообработка, измерение и упаковка, сборка тары и упаковочная маркировка – все эти операции связаны в едином комплексе с применением промышленного робота.

Построенный производственный участок не имеет аналогов в мире. Теперь испытания образцов материалов ведутся в новых, современных, аккредитованных АР МАК лабораториях АО «ОДК-Авиадвигатель», ФГУП «ВИАМ» и ФГУП «ЦИАМ».

В результате внедрения и запуска нового производственного участка, совместно с технологическими службами «ОДК-Авиадвигатель», получено высокое качество, стабильные размеры и характеристики получаемых образцов. Это позволяет иметь на выходе объективную информацию о свойствах исследуемых материалов и реально приблизиться к той цели, ради которой и проектировался этот участок, – обеспечить систему сертификации стабильными по качеству высокоточными образцами материалов в сжатые сроки.

Помимо главного достижения от реализации проекта – стабильности созданной системы, есть не менее важное преимущество, которое прежде не удавалось получить. Например, одновременная обработка в комплексе сразу нескольких деталей позволила снизить такт выпуска. Оператору достаточно загрузить заготовки в комплекс и с тактом выпуска менее чем 30 минут получить упакованные и промаркированные образцы. Данный высокоточный комплекс позволил обеспечить изготовление образцов в требуемом объеме, необходимом для выполнения исследования материалов по программе испытаний «ОДК-Авиадвигатель».

Эффективность выполненного проекта важно оценивать не только в экономической плоскости. Безлюдное производство, безусловно, дорогостоящее удовольствие, однако именно оно позволяет сегодня предприятию в полном объеме решать актуальные задачи по изготовлению образцов для сертификации. Основной эффект дает и сам факт создания необходимой базы данных. Оценить этот эффект в деньгах, конечно, можно, но оценка будет неполной, если все свести только к простому сравнению себестоимости старой и новой технологий. Ведь сам по себе банк достоверных данных по механическим характеристикам материалов чрезвычайно ценен. Теперь он является ноухау «ОДК-Авиадвигателя», повышая конкурентоспособность самого предприятия и выпускаемой им продукции.

Производство трубопроводной продукции на мировом уровне

Инновационные преобразования были реализованы предприятием и в других направлениях. Одним из таковых, например, стала разработка проекта модернизации техпроцессов изготовления трубопроводной обвязки двигателя. Работы по нему осуществлялись с привлечением компаний «ИНВЕРСИЯ» и «Нью Лайн Инжиниринг».

Целью проекта было построение современного эффективного комплекса по производству трубопроводов авиационных двигателей и трубопроводной арматуры. Новое производство должно быть замкнутого цикла, с применением только современных станков и с минимумом ручных операций.

Рис. 3

«Нью Лайн Инжиниринг» и «ИНВЕРСИЯ» были задействованы на самом раннем этапе и участвовали в разработке всех необходимых предпроектных материалов, таких как инвестиционный план, технологическая концепция производства, предварительные планировки и техническое задание на проектирование. Поэтому конечным результатом начального этапа стал полный комплект необходимых материалов для инвестора и техническое задание для дальнейшего проектирования.

Современные газотурбинные двигатели и наземные установки имеют сложную сеть трубопроводных коммуникаций (рис. 3), насчитывающую сотни трубопроводов различных систем: воздушных, газовых, кислородных, масляных, топливных. Элементы трубопроводов работают при температурах от минус 60 до плюс 650оС и давлении до 300 кгс/см2, подвергаясь при этом широкому спектру статических и динамических нагрузок.

Проект нового производства трубопроводной продукции должен был учитывать не только изготовление самих трубопроводов, но и его составных и присоединительных деталей. Так, например, каждый трубопровод непосредственно состоит из самой трубы и деталей концевой арматуры (ниппелей, накидных гаек, штуцеров, угольников, фланцев и т.д.). Кроме того, трубопроводы могут содержать патрубки, компенсаторы и другие детали. К деталям присоединительной арматуры относятся переходники, тройники, крестовины и т.д. К деталям крепления – хомуты, кронштейны, колодки и т.д.

Материал трубопровода – это нержавеющие и легированные стали, а также титановые сплавы. Их низкая пластичность и высокая прочность затрудняют обработку и требуют большого числа дополнительных операций и контрольных процедур. Толщина стенки большинства труб составляет 0,8 и 1,0 миллиметр. Для обработки таких материалов необходимо применять самое точное оборудование и предъявлять высочайшие требования к организации и культуре производства.

«ОДК-Авиадвигатель», в отличие от множества других российских авиационных предприятий, уделяет повышенное и постоянное внимание производству трубопроводов.

На многих отечественных заводах до сих пор практикуется ручное изготовление труб по физическим эталонам, путем сложных слесарных операций, как это делалось еще в 1960-е и 1970-е годы. Это чрезвычайно трудоемкий процесс с огромной зависимостью от человеческого фактора, высокое и стабильное качество изделий при таких условиях недостижимо. Переход на современные технологии затруднен отсутствием необходимого оборудования, трудностями с внедрением PLM-систем и, самое главное, недооценкой заводскими технологами и конструкторами современных технологий производства трубопровода. На многих заводах отсутствуют цифровые модели трубопроводных деталей, и вся информация о геометрии изделий содержится в физических эталонах трубопроводов. Говорить о внедрении оборудования с ЧПУ в таких условиях просто не представляется возможным.

В «ОДК-Авиадвигателе» разработана и внедрена технология полностью цифрового производства трубопроводов с использованием современной PLM-системы и оборудования с ЧПУ. Перед специалистами ООО «ИНВЕРСИЯ» и «Нью Лайн Инжиниринг» не ставилась задача построения технологического процесса с нуля; более того, необходимо было сохранить уникальные для нашей страны наработки, созданные технологами завода за последние 20 лет, предложив разумные улучшения и оптимизацию существующих процессов. Поэтому было спроектировано производство, которое бы работало с уже используемой PLM-системой, но при этом значительно уменьшалась трудоемкость изготовления и повышалось качество продукции.

В числе других требований, предъявляемых к проекту, – модульность и высокая технологическая гибкость. Модульность важна для быстрого наращивания объемов выпуска при работе производства для задач других заводов «ОДК» или сторонних заказчиков. Выбранные технологии изначально являются серийными, и в случае необходимости значительного увеличения объемов производства достаточно просто масштабировать существующие участки без значительных изменений техпроцессов и переучивания персонала.

Технологическая гибкость дает возможность производства всей номенклатуры труб «ОДК» и не ограничивается ими. Используемое оборудование, складские системы и оснастка могут работать с широкой гаммой трубопроводов, в том числе из алюминия и титана.

В ходе проектных работ пришлось преодолеть ряд трудностей разного плана, обусловленных сложившимися реалиями. Одна из них – низкое качество заготовок. Другой фактор торможения – необходимость следовать различным отраслевым стандартам, которые не менялись с 1980-х годов и описывают уже устаревшие технологии.

Проблема с заготовками – хроническая для нашей промышленности. Еще в 20-е годы прошлого века А.Н. Туполев для того, чтобы иметь возможность строить самолеты, занимался организацией строительства заводов для производства алюминиевых листов и трубопроводов, так как необходимые для авиации тонкостенные материалы нужной прочности просто отсутствовали на рынке СССР. В наше время ситуация немного лучше – большую часть номенклатуры можно приобрести у отечественных производителей, однако качество и точность размеров таких труб не соответствуют современным стандартам. Например, допуск на наружный диаметр у труб составляет 0,1 – 0,3 мм, тогда как у западных и даже китайских аналогов – 0,05 мм. Это вызывает ряд трудностей, заставляя вводить операции калибровки, селективную оснастку на ряде техпроцессов, а также дополнительные контрольные операции.

Ситуация со стандартами в авиационной промышленности также нуждается в совершенствовании, так как существующие стандарты, с одной стороны, устарели, а с другой – жестко диктуют использование именно этих, устаревших техпроцессов. В изделиях с военной приемкой нет возможности отступить от старых и неоптимальных техпроцессов, так как в противном случае приемка просто не будет пройдена.

В качестве примера можно привести, например, маркировку труб. Во всем мире уже давно и успешно используются различные виды лазерной маркировки для полностью автоматического нанесения обозначений на детали. В нашем случае этого типа маркировки просто нет в существующих стандартах, а значит, ее использование запрещено, и приходится применять трудоемкую электрохимическую маркировку. Поэтому в проекте было использовано как электрохимическое оборудо вание – для проведения маркировки по действующим стандартам, так и современное лазерное оборудование – в расчете на изменение нормативной ба зы в ближайшем будущем.

Производство авиационного трубопровода состоит из сложной цепочки технологических операций – от организации хранения и раскроя заготовки до укупорки и хранения готовой продукции. В проекте были детально проработаны все этапы техпроцесса, и разработанная технологическая концепция содержит весь набор оборудования, необходимого для получения законченного изделия – авиационного трубопровода. Отметим наиболее интересные технологические решения, использованные в разработанной концепции.

Рис. 4

Важность организации правильного хранения заготовок, комплектующих и готовых изделий в авиационной промышленности очевидна. Ключевым фактором является не только экономия места путем организации высотного хранения в автоматизированных складах, но и обеспечение контроля доступа и учет изделий. Из-за малой толщины стенки и сложной геометрии трубопроводы очень легко повредить, поэтому важно оградить места их хранения от случайного доступа персонала. В проекте были использованы автоматизированные системы хранения лифтового и карусельного типов с системой управления складом.

Для получения необходимой геометрической формы трубопроводы гнутся на специализированных трубогибочных станках с ЧПУ (рис. 4). Для решения задачи были использованы специализированные многоуровневые станки с ЧПУ в паре с различными типами измерительных машин – для стопроцентного контроля геометрии трубопроводов и обеспечения обратной связи с трубогибочным оборудованием. Обратная связь со станком необходима для коррекции программы с учетом пружинения материала трубы.

Рис. 5

В данном переделе удалось достигнуть значительного снижения трудоемкости и повышения технологической гибкости за счет двух основных факторов – применения многоуровневых гибочных станков с ЧПУ и использования оптической измерительной машины для мгновенного измерения геометрии всего трубопровода (рис. 5). Многоручьевой станок позволяет согнуть трубу сложной конфигурации с разными радиусами гибов за один установ, а оптическая система измеряет трубу за 10 секунд, в то время как прежняя процедура контроля занимала 20-30 минут.

Другой передел, который подвергся существенной модернизации, – это сборка оснастки для сварного трубопровода. Ранее, когда для изготовления трубопроводов использовались эталоны, приспособление собиралось по эталонному трубопроводу без использования измерительных систем. Точность сборки в этом случае обеспечивалась величиной зазоров и измерялась с помощью контрольных щупов.

В настоящий момент в наиболее современных производствах, к которым относится и «ОДК-Авиадвигатель», от эталонов полностью отказались, и все данные о геометрии труб хранятся в их цифровых моделях. Это создает ряд трудностей, главная из которых – отсутствие физической привязки сварочной оснастки к цифровой модели трубопровода. До недавнего времени на рынке не существовало готовых систем, которые позволяли бы быстро и надежно выставлять элементы сварочной и сборочной оснастки по цифровой модели изделия. Существовало несколько вариантов решения, каждый из которых обладал своими недостатками:

• производство жесткой сварочной оснастки путем фрезерования, сварки или аддитивных технологий. Недостаток метода в том, что оснастку надо хранить, поверять, и при большой номенклатуре изделий (а в авиационном двигателе сотни сварных трубопроводов) ее количество требует специально предусмотренных масштабных по объему складов;
• сборка оснастки из элементов станочных универсально-сборных приспособлений (УСП) по схеме сборки с контролем «измерительной рукой». Данный способ исключает необходимость хранения большого количества оснастки и позволяет собирать оснастку по мере необходимости, однако есть ряд проблем, вызванных неприспособленностью стандартных станочных УСП к данной задаче

Время сборки и контроля одного комплекта приспособления составляло в среднем 3-4 часа, а время контроля собранного приспособления – около 15 минут. Это связано с тем, что станочные УСП не могут собираться быстро, в них отсутствуют быстрозажимные соединения. А количество элементов, которые необходимо собрать, достигает нескольких десятков. Контроль с использованием «измерительных рук» также занимает немало времени, контролировать приходится каждый элемент по очереди, не в режиме реального времени. Работа очень трудоемкая и требует высокой квалификации сборщика.

Рис. 6

Специалистам компании «Нью Лайн Инжиниринг» эта проблема знакома давно, так как за последние восесь лет ими были разработаны десятки проектов производств трубопроводов, в том числе авиационных. Поиск решения шел несколько лет, проводились НИОКРы на эту тему, изучались мировые патенты и наработки в ключевых западных компаниях. К сожалению, как уже отмечалось, поиск показал, что готового решения не существует, каждый крупный производитель решает эту проблемы по-своему, ориентируясь на особенности своего производства, его серийность и номенклатуру.

В процессе создания гибкой сварочной оснастки, выставляемой по трехмерной модели изделия, были проведены испытания с использованием роботов, различных измерительных систем и аддитивных технологий. В итоге была создана установка, которая является оптимальной по производительности, удобству использования и настройки, и не предъявляет чрезмерных требований в квалификации оператора (рис. 6).

Основной принцип работы установки – выставление сборщиком универсальных стоек УСП с контролем системой измерения в режиме реального времени. Используется оптическая система измерения, которая измеряет положение стоек до десяти раз в секунду и выдает сборщику текущее и заданное положение каждого элемента. Сами стойки сделаны максимально жесткими, имеют до шести степеней свободы и удобные органы настройки в виде маховиков (рис. 7). На фланец стойки можно установить как стандартный кулачковый патрон, так и специализированные приспособления для конкретного трубопровода, например, резьбовые пробки или цанговые зажимы. При этом обеспечивается подача сварочного газа внутрь трубы для проведения прихватки.

Рис. 7

Применение таких УСП позволяет уменьшить время выставления сварочной оснастки до 30 минут, снизив трудоемкость этого передела на порядок! Одновременно положение стоек контролируется системой измерения, что также обеспечивает размерный контроль оснастки.

Помимо описанных выше переделов были проработаны все техпроцессы по производству трубопроводов, в том числе резка, мойка, испытания, гальваническая обработка труб и трубной арматуры, токарно-фрезерная обработка трубной арматуры и другие. Важную часть проекта заняла разработка технологии обработки титановых труб, требующих сварки в защитной камере и специальной термообработки. В данный момент их количество в двигателях относительно невелико, однако с развитием технологий обработки титана и ужесточением требований к массе двигателя доля титановых трубопроводов будет непрерывно расти.

Рис. 8

В результате моделирования и расчетов техпроцессов для типовых изделий и групп изделий получены результаты, свидетельствующие о возможном снижении трудоемкости на 30 процентов от текущих значений, в зависимости от типа и размера трубопровода. Площадь, занимаемая новым производством, также максимально оптимизирована для сокращения инвестиций в строительную часть проекта (рис. 8). Производство может быть запущено в кратчайшие сроки благодаря созданной «ОДК-Авиадвигателем» системе конструкторской и технологической подготовки производства.

Проект по многим показателям является уникальным и создаваемое на его основе производство сможет достойно конкурировать с лучшими мировыми аналогами, выпуская качественные трубопроводы с минимальной себестоимостью и в короткие сроки. Его реализация создаст в «ОДК» центр компетенции производства трубопроводов.

Последовательно модернизируя производство, сегодня «ОДК-Авиадвигатель» является одним из наиболее инновационных отечественных авиапредприятий, где используются действительно прорывные, а зачастую уникальные технологии, которые можно уверенно тиражировать на других предприятиях корпорации.