Технологическая подготовка производства

в самолетостроении 

     Работы, предшествующие серийному  изготовлению самолетов называют технической подготовкой производства, которая делится на конструкторскую и технологическую. В процессе конструкторской подготовки производства осуществляется создание проекта и опытного образца самолета данного класса, соответствующего современному уровню развития авиационной науки и техники. В задачу технологической подготовки производства (ТПП) входит обеспечение качественного серийного изготовления вертолетов при наименьших затратах труда и средств и в требуемых количествах. 

Рис. 4.1. Структура технической подготовки производства 

     Технологическая подготовка производства  включает в себя следующие  работы:

   - отработку конструкции на технологичность при проектировании вертолета, изготовлении его опытного образца и первых серий;

   -    разработку директивных технологических материалов;

   - проектирование и изготовление  контрольно-эталонной оснастки (шаблонов, макетов, объемных эталонов поверхностей  агрегатов, контрольных эталонов, монтажных эталонов и др.);

   - проектирование технологических  процессов, техническое нормирование технологических процессов, определение трудоемкости по видам работ, агрегатам и вертолету в целом;

   -     проектирование и изготовление  технологического оснащения и  средств контроля;

   - определение числа основных рабочих,  потребности в оборудовании, технологических приспособлениях, инструменте, средствах механизации, производственных помещениях, материалах, полуфабрикатах и др.;

   - распределение всего объема работ  по изготовлению самолетов по  цехам основного производства;

   - разработку документации для  реконструкции цехов завода под новый самолет. 

     Задачи технологической подготовки  производства решаются поэтапно. Можно выделить три наиболее  крупных этапа: конструкторский,  технологический и организационный.

     На организационном этапе решаются  задачи стандартизации и унификации элементов конструкции. Одним из решающих факторов, определяющих успех и качество подготовительных работ, является ориентация на международные стандарты ISO 9000 и другие стандарты.

     На технологическом этапе совершенствуются технологические процессы; проектируется и изготовляется технологическая оснастка; разрабатываются технологические нормативы.

     На организационном этапе выбираются  наиболее рациональные формы  организации производства; определяются  структуры служб ТПП, методы планирования, кооперирования. Выбор организационных форм зависит от объема производства и программы выпуска.

     Схема  технологической подготовки производства  с учетом множества внешних  факторов показана на рис. 4.2.

Рис.4.2. Технологическая  подготовка производства 
 
 
 
 
 

4.1. Принципы образования форм и размеров

4.1.1. Формы взаимозаменяемости

           В конструктивных свойствах  ЛА как объекта производства отмечается, что детали и сборные единицы  обладают рядом особенностей, среди которых:

     - сложность форм,

     - малая жесткость,

     - большие габаритные размеры,

     - высокие требования точности  изготовления и точности увязки.

     В свете этих особенностей конструкции  для удовлетворения требований, предъявляемых  к ЛА, необходима не только его рациональная конструкция, но и возможность осуществления (реализации) этой конструкции с заданной целевой отдачей (потребительскими свойствами). Поэтому особое внимание в производстве ЛА уделяется вопросам обеспечения взаимозаменяемости.

     Под полной взаимозаменяемостью понимается следующий принцип конструирования и производства изделия:

1. при независимом изготовлении деталей и сборочных единиц обеспечение требуемого качества ЛА (потребительских свойств или целевой отдачи);
2. возможность сборки без подгонки;
3. возможность ремонта без подбора запасных частей по месту.

     Однако  во многих случаях полную взаимозаменяемость частей ЛА либо не удается получить по техническим причинам, либо это  невыгодно в экономическом отношении. В таких случаях говорят, что данные объекты обладают одной из форм неполной взаимозаменяемости.

     К формам неполной взаимозаменяемости относят:

     1) эксплуатационную взаимозаменяемость, характеризующуюся выполнением первого требования полной взаимозаменяемости и имеющую место в тех случаях, когда точность изготовления частей ЛА обеспечивает их качественную работу при эксплуатации. При этом сборка и ремонт могут сопровождаться выполнением подгоночных и доводочных работ;

     2) производственную  взаимозаменяемость, характеризующуюся выполнением второго требования полной взаимозаменяемости. В этом случае конструкция и точность рассматриваемых частей ЛА обеспечивают возможность их сборки с другими частями без подбора и подгонки по месту;

     3) ремонтную взаимозаменяемость, характеризующуюся третьим признаком полной взаимозаменяемости, т.е. возможностью замены изношенных частей новыми, без подгонки их по месту.

     Из  трех рассмотренных форм взаимозаменяемости эксплуатационная взаимозаменяемость является наиболее ответственной, хотя производственная и ремонтная взаимозаменяемости также имеют большое значение для нормального производства и эксплуатации ЛА. 

   4.1.2. Точность изготовления и точность увязки

     Различают понятия точность изготовления и точность увязки.

     Под точностью изготовления (формы, размера детали, узла и т.п.) понимается степень геометрического соответствия идеальному объекту, определенному в проекте. Чем выше это соответствие, тем выше точность изготовления изделия. Точность изготовления характеризуется производственной погрешностью геометрических параметров, определяющих его размеры и форму:

DР = Р_Д - Р₀ ,

     где DР - производственная погрешность; Р_Д - действительный размер изделия; Р₀ -идеальное значение геометрического параметра.

     Под точностью увязки двух объектов понимают степень согласованности их параметров.

     Точность  увязки параметров Р₁ и Р₂ двух объектов характеризуется погрешностью увязки Ñ = dР₁ - dР₂ , где dР₁  - погрешность изготовления параметра Р₁ ; dР₂ - погрешность изготовления параметра Р₂. Точность изготовления и точность увязки оказывают различное влияние на взаимозаменяемость. Точность изготовления влияет, главным образом, на эксплуатационную взаимозаменяемость. Точность увязки частей ЛА оказывает влияние на все формы неполной взаимозаменяемости: эксплуатационную, производственную и ремонтную.

     Точность  изготовления формы и размеров изделия (например, точность формы и размеров диаметров, величина ступеньки h, рис.1) оказывает влияние на лобовое сопротивление, т.е. качество. От точности же увязки геометрических параметров (например, диаметров стыка D₁ и D₂ отсеков агрегата) зависит как лобовое сопротивление, возрастающее с высотой ступеньки h в месте разъема, так и возможность стыковки без подгонки или доработки сопрягаемых поверхностей в процессе производства и ремонта. Место стыковки отъемной части крыла с центропланом показано на рис. 2.

     Из  условий минимальных затрат производства и эксплуатации нет необходимости устанавливать жесткие допуски на выполнение размеров L_ц и L_очк.  Однако точность взаимной увязки этих размеров непосредственно влияет как на возможность стыковки агрегатов без подгонки, так и на высоту ступеньки h, с увеличением которой ухудшается качество изделия.

     Из  этих примеров наглядно видно, что к  точности увязки объектов предъявляют более высокие требования, чем к точности изготовления. Поэтому, например, к величине ступеньки h предъявляют более высокие требования, чем к колебанию размеров L_ц и L_очк.

4.1.3. Принципы взаимной  увязки

     По  способу образования форм и размеров детали ЛА можно разбить на две  группы: ограниченные поверхностями  простой формы и образованные поверхностями сложной формы. Взаимную увязку этих деталей можно осуществить тремя методами:

• по принципу независимого образования форм и размеров,
• по принципу связанного образования форм и размеров,
• по принципу компенсации при сборке.

     В общем машиностроении, а для жестких  деталей и в производстве ЛА (шасси, гидроциллиндры и т.п.) обеспечение взаимозаменяемости достигается путем изготовления всей продукции по единому исходному эталону, в качестве которого используется прототип международного метра. Созданные средства последовательного перенесения долей размера эталона на продукцию - образцовые и рабочие метры, измерительные приборы, станки и т.д. - обеспечивают заданную точность изготовления деталей.

     При изготовлении различных размеров деталей  процессы перенесения осуществляются в этом случае с помощью различных  экземпляров мер, измерительных приборов и станков, на различных рабочих местах, цехах или на заводах. Поэтому они по существу независимы (рис. 3).

     При независимом образовании форм и размеров их точность определяется суммой погрешностей, возникающих на каждом этапе процесса перенесения. Точность согласования двух сопрягаемых при сборке деталей (точность посадки) в общем случае значительно ниже точности каждой детали, так как определяется (как будет показано ниже) суммой погрешностей обеих сопрягаемых деталей. По этому принципу построена система допусков и посадок общего машиностроения.

     Наибольшие  погрешности возникают на этапах, при выполнении которых осуществляется переход от размеров к форме детали, т.е. при образовании непрерывной поверхности. Возникающие на этом этапе погрешности, как правило, возрастают с усложнением формы обрабатываемой детали и с увеличением ее габаритных размеров.

   Рис. 4.4. Принцип независимого образования геометрических параметров

   сопрягаемых элементов конструкции

     Вследствие  этих причин в условиях производства изделия сложной формы, больших габаритов и малой жесткости система эталонирования, основанная на принципе независимого образования форм и размеров, не обеспечивает достаточную точность взаимной увязки элементов изделия. Поэтому в производстве такой продукции применяется система эталонирования, основанная на принципе связанного образования форм и размеров объектов производства (рис. 4).

Рис. 4.5.  Принцип связанного образования геометрических параметров

сопрягаемых элементов конструкции

     При осуществлении этой системы на практике для каждого изделия изготавливают различные жесткие носители форм и размеров его элементов   (плазы, шаблоны, макеты и т. п.), с которых затем размеры и форму переносят на соответствующие элементы конструкции. Частными формами такой системы являются плазово-шаблонный и эталонно-шаблонный методы обеспечения взаимозаменяемости, широко распространенные в производстве ЛА.

     Вариант процесса перенесения исходных геометрических данных (при плазово-шаблонном методе) на два сопрягаемых элемента конструкции (нервюру и обшивку) представлен на рис. 5.

     Все этапы этого процесса увязки можно  разделить на две группы: общие  для увязываемых деталей (связанные) и индивидуальные (несвязанные), относящиеся только к данной детали.

     Погрешности, возникающие при выполнении связанных этапов, не сказываются на точности сопряжения поверхностей деталей. Они влияют только на точность изготовления деталей. Погрешности же, возникающие при выполнении несвязанных этапов, отражаются  как на точности изготовления деталей, так и на точности их увязки. 

Рис. 4.6.  Плазово- шаблонный метод увязки геометрических параметров

сопрягаемых элементов конструкции

     Так, в рассматриваемом случае на точность изготовления размеров и формы обшивки будут влиять погрешности этапов с 1 по n+3 включительно, на точность изготовления размеров нервюры - погрешности этапов с 1 по n и с n+4 по n+6 включительно. На точность же увязки нервюры и обшивки - только погрешности этапов с n+1 по n+3 (обшивка) и с n+4 по n+6 (нервюра). В то же время погрешности этапов с 1 по n на точности и увязки никак не отразятся, так как у ветвей обеих деталей эти погрешности связанные (общие), что позволяет получать высокую точность увязки объектов производства даже при сравнительно низкой точности их изготовления, что особенно важно для деталей малой жесткости и больших габаритов, т.е. для обеспечения взаимозаменяемости деталей производства ЛА. Действительно,  согласно    основному   уравнению   теории   размерных   цепей , погрешность изготовления какого-то замыкающего звена обшивки представлена на рис. 5.

     Погрешность замыкающего звена сопрягаемого размера изготовления нервюры

     Погрешность же увязки этих размеров, согласно определению,

  и, окончательно, .

     В тех случаях, когда точность изготовления деталей по принципам независимого и связанного образования форм и размеров не обеспечивает требуемую точность сборки (увязки), применяется метод компенсации (рис. 6). Точность увязки в этом случае определяется точностью одного этапа перенесения первичного размера объекта увязки А на объект В. Номенклатура необходимой технологической оснастки и шаблонов зависит от структуры применяемого метода увязки, так как в отдельных вариантах плазово-шаблонного метода обеспечения взаимозаменяемости функции шаблонов частично выполняются другими носителями форм и размеров - макетами и эталонами.

4.5. Методы увязки размеров при технологической подготовке

производства 

   Существует несколько различных  методов увязки размеров:

• плазово-шаблонный метод (ПШМ);
• эталонно-шаблонный метод (ЭШМ);
• метод объемной увязки (МОУ);
• метод бесплазовой увязки (МБУ).

    Схема увязки по принципу связанного  образования форм и размеров позволяет обеспечить взаимозаменяемость изделий малой жесткости, сложной формы и больших габаритных размеров. Именно этот принцип связанного образования форм и размеров является теоретической основой плазово-шаблонного метода увязки заготовительной и сборочной оснастки, применяемой в авиастроении.

      При плазово-шаблонном методе увязки операции построения поверхностей сложной формы, отличающиеся сравнительно низкой точностью, включаются в число общих этапов процесса перенесения первичного размера. Практически эту задачу решают путем изготовления всей оснастки, относящейся к этой группе, по единому жесткому носителю формы и размеров. Основным жестким носителем форм и размеров в плазово-шаблонном методе является теоретический плаз.

   Теоретический плаз – это теоретический чертеж агрегата, выполненный в масштабе 1:1 с высокой степенью точности на стойком против изменения форм и размеров материале. Плаз- хранитель теоретических контуров плоских сечений и конструктивных баз агрегата, в качестве которых выступают базовые отверстия. Он вычерчивается в необходимом числе проекций несмываемой тушью на металлических панелях и является исходным эталоном формы и размеров. Исходными материалами для выполнения работ по созданию плаза являются:

• теоретические чертежи ЛА или его частей;
• техническое задание на вычерчивание плаза;
• монтажная схема плаза.

   Плаз разбивается на дюралевых  листах с габаритами 1000x2000 мм, после специальной обработки. Разбивка плаза, т.е. увязка теоретических контуров и взаимная увязка отсеков и деталей осуществляется в натуральную величину с помощью геометрических построений.

   Нанесение координатной сетки  и выполнение базовых отверстий  (носителей конструктивных баз)  на плазовых панелях осуществляется  с помощью плаз-кондуктора.

   Плаз-кондуктор представляет собой с массивной чугунной плитой. По контуру плиты установлены продольные и поперечные линейки и отверстием Æ 18 мм и шагом 50 мм, образующих систему координат точно расположенных отверстий. Плаз-кондуктор оснащается головками радиально-сверлильных станков, с помощью которых через кондукторные втулки сверлятся базовые и другие отверстия в панелях плаза.

   Координатная сетка служит началом  отсчета при построении на  плазе теоретических обводов.

   Теоретический плаз – носитель формы и размеров агрегата и содержит лишь конструктивные базы и контуры отдельных плоских сечений поверхности агрегата и реализует увязку объектов первой группы – увязку отдельных плоских сечений для получения непрерывной поверхности. Но для увязки деталей, входящих в каждое плоское сечение, необходима система жестких носителей формы и размеров, фиксирующих контуры внутренних деталей, входящих в состав данного сечения, положение конструктивных и технологических баз. Наносить эти данные на теоретический плаз нецелесообразно: плаз оказался бы загроможденным множеством линий и отверстий. Поэтому их наносят на другие носители формы и размеров, каждый из которых фиксирует геометрию лишь одного плоского сечения.

4.6. Шаблоны

     Теоретический плаз - носитель формы и размера агрегата и содержит лишь конструктивные базы и контуры отдельных плоских сечений поверхности агрегата, реализуя увязку объектов первой группы, т.е. увязку отдельных плоских сечений для получения непрерывной поверхности. Но для увязки деталей, входящих в каждое плоское сечение, необходима система жестких носителей, фиксирующих контуры внутренних деталей, входящих в состав данного сечения, положение конструктивных и технологических баз. Наносить эти данные на теоретический плаз нецелесообразно: плаз оказался бы загроможденным множеством линий и отверстий. Поэтому их наносят на другие носители формы и размеров, каждый из которых фиксирует геометрию лишь одного плоского сечения.

     К числу таких носителей относят  шаблоны. По назначению шаблоны подразделяются на основные и производственные (первичные и вторичные).

     Основные  шаблоны предназначены для обеспечения  увязки геометрических параметров деталей, входящих в рассматриваемое плоское сечение, и для изготовления по ним производственных шаблонов. Они содержат геометрию плоского сечения: конструктивные и технологические базы, контуры и оси внутренних деталей, попавших в данное сечение, различные конструктивные и технологические отверстия.

     К основным шаблонам относят конструктивный плаз (КП), отпечаток контурный (ОК) и шаблон контрольно-контурный (ШКК).

     Перенос  теоретического обвода на КП осуществляется фотоконтактным копированием либо с  помощью координатографов с ЧПУ, когда поверхность агрегата описана  математическим методом и есть универсальная программа образования поверхности.

     Фотоконтактное  копирование осуществляется рефлексным способом, основанным на различной способности светлой поверхности плаза и черной поверхности, вычерченных тушью линий отражать световой поток. Материал, на который снимаются обводы теоретического плаза, должен быть оптически прозрачен. В качестве такого материала применяется прозрачный выпускаемый в виде листов пластик - винипроз, который не изменяет свои размеры во времени. Одна сторона его - матовая, а другая глянцевая. Листы допускается склеивать специальным клеем. Пленку винипроза с нанесенной фотоэмульсией укладывают на поверхность теоретического плаза и засвечивают (Рис.4.8).

     Попадая на светлую поверхность теоретического плаза, свет почти полностью отражается (через эмульсию КП проходит двойной световой поток),  происходит задубливание эмульсии на КП. Попадая на черную линию плаза,  свет поглощается (в этих местах через эмульсию КП света проходит в два раза меньше), эмульсия не задубливается.  Задубленный светочувствительный слой смывается струей воды.

     Процесс фотоконтактного копирования обладает рядом положительных особенностей:

• теоретический плаз участвует в копировании лишь несколько минут, что позволяет копировать с него большое количество контуров в короткий промежуток времени;
• процесс допускает почти полную механизацию, что способствует достижению высокой и стабильной точности;
• получаемые копии обладают высокой точностью и стойкостью во времени.

     Копия считается точной, если отклонения линий от плаза не превышают ± 0.10...0.15 мм.

     После получения отпечатка теоретического контура на КП вычерчивают все  входящие в данное плоское сечение детали внутреннего набора - продольные (обшивка, лонжероны, стрингеры, балки) и поперечные (нервюры, стенки, перегородки и др.) элементы конструкции. Вычерчивание контуров сечений продольных элементов производят с учетом малки, т. е. угла, под которым продольный элемент подходит к данному нормальному сечению.

     Кроме конструктивного плаза источником формы и размеров для изготовления производственных шаблонов может служить шаблон контрольно-контурный (ШКК). Его применяют когда нельзя пользоваться КП ввиду потери точности при копировании кривых больших размеров. Это объясняется тем, что в местах клеевых швов возникает волнистость, что приводит к погрешности. Поэтому большие по габаритам размеры приходится увязывать на металле, т. е. на ШКК.

     В производстве на одно и то же сечение  применяют либо один, либо другой, так как они тождественны. Более того, при изготовлении КП и ШКК одного сечения невозможно сделать их абсолютно идентичными по форме и размерам, что отрицательно сказывается на увязке оснастки. Различие их в том, что КП изготовлен на прозрачном пластике - винипрозе, а ШКК - на листовой стали толщиной 1.5...2.0 мм, а также в характере выполнения внешнего контура (у ШКК контур опилен, а  на КП представлен вычерченной линией). На КП можно также показать развертки деталей, входящих в сечение.