Výzkum a aplikace adaptivní technologie řezání pro opravu poškození špiček turbínových listů leteckého motoru

Oprava poškozených větrných listů má velký význam pro údržbu a prodloužení života letadlových motorů. Tento článek přehlíží výzkumný pokrok v oblasti technologie opravy určitého niklového litého vysokoteplotného slitinového pracovního větrného lopatky, s důrazem na metodu opravy adaptním frézem na špičce lopatky, hluboce vysvětluje experimentální zpracovávací proces a ověření výsledků a vyhlíží do budoucích možností rozvoje technologie opravy větrných lopatek.

Motor letadla je energetickým jádrem letounu. Mezi různými součástmi motoru letadla určují funkční úloha a pracovní charakteristiky vrtule, že jedná se o jednu z rotujících částí s nejhorším napětím a největší zátěží v motoru letadla, což také způsobuje běžné selhání a poškození vrtulí. Mezi nimi má trhlina nejvyšší pravděpodobnost výskytu a největší škodu, hlavně únavné trhliny způsobené centrifugální silou přidanou na ohniskové napětí, únavné trhliny způsobené kmitáním prostředí a vysokoteplotné únavné trhliny způsobené korozionní škodou způsobenou environmentálními médii. V tomto stadiu je pro snížení nákladů na používání motoru velkým významem regenerace a oprava poškozených vrtulí.

Mezi klíčovými technologiemi pro opravu vrtule se adaptivní zpracování stalo předmětem pozornosti mnoha vědců jako účinné prostředky k dosažení hladkého propojení poškozených hranic a vysoce přesnému tvarování opravených oblastí. Společnost TTL ze Spojeného království získává informace o průřezech listů pomocí kontaktních měřících metod a používá měřené údaje o průřezovém profilu k dokončení rekonstrukce modelu opotřebovaného okraje listu posunem ve směru Z, a generuje zpracovatelné kódy pro odstranění nánosné vrstvy. Společnost Delcam ze Spojeného království navrhla metodu rekonstrukce modelu pro opravu špiček vrtulí pomocí měření na stroji, která snížila problém akumulace polohových chyb prostřednictvím měření na stroji; dvě údajové sady blízko nánosné vrstvy byly získány pomocí kontaktního měření a geometrický model k opravě opotřebované špičky rovnoběžných vrtulí byl vypočten tak, aby byl celý proces opravy dokončen jehlicováním. Na základě teorie šedých systémů Ding Huapeng předpověděl obloukovou čáru a tloušťku profilu listu v poškozené oblasti a poté rekonstruoval kompletní model listu, a pak získal model poruchy k opravě pomocí booleovské diference, čímž dosáhl určitého opravného efektu. Hou F a kol. navrhl adaptivní metodu opravy těla listu, včetně modelování povrchu sváření a optimalizačního modelování cílového opravného povrchu, a nakonec použil simulaci k prokázání účinnosti metody opravy. Zhang X a kol. navrhl automatizovaný plán opravy poškozených oblastí motorových listů, který je přímo tvarován nánosem materiálu. Ve srovnání s tradičními metodami opravy je tento přístup inovativní v jisté míře, ale je obtížné ho aplikovat na vrtule s komplexními povrchy.

Výzkum uvedený výše ukazuje, že oprava lopatek letadlových motorů je aktuálním tématem v letecké oblasti jak doma, tak i v zahraničí. V oblasti opravného zpracování se zaměřuje na dosažení hladkého přechodu mezi opravenou oblastí a neškodnou oblastí, stejně jako na přesné formování po opravě. Proto, na základě uvedeného výzkumu, tento článek bere za příklad poškozenou pracovní lopatku turbíny a provádí aplikaci adaptivní technologie pro opravu škody na špičce lopatky, aby bylo zajištěno, že zpracovaná oblast a nezpracovaná oblast opravené lopatky mohou dosáhnout hladkého přechodného překryvu a celková opravná plocha splňuje konečné toleranční požadavky opravené lopatky.

1 Analýza možnosti opravy škody na špičce lopatky

Obrázek 1 ukazuje typický defekt trhliny na špičce vějířového listu. Na základě tohoto je navržena metoda pro regeneraci a opravu poškozené špičky vějířového listu letadlového motoru. Bylo vypracováno řešení pro regeneraci a opravu, které zahrnuje odstranění poškozené části špičky listu - mokré svařování a aplikaci solderu (jak je znázorněno na obrázku 2) - získání bodového mraku listu - rekonstrukci digitálního modelu listu - adaptní zpracování listu za účelem dosažení adaptní opravy geometrické přesnosti a obnovení výkonnosti listu. Kvalita a výkonnost opraveného listu splňují návrhové požadavky a lze ji použít pro opravu v reálném čase na místě opravy, což poskytuje efektivní řešení pro realizaci dávkového zpracování a opravy poškozených součástí letadlových motorů.

1.1 Analýza obtíží procesu

V důsledku problému s přesností odlévání existují individuální rozdíly mezi dokončenou čepelí a teoretickým návrhovým modelem. Rozměry čepele jsou tvořeny v novém stavu a po jednom pracovním cyklu vykážou různé stupně deformací a vad. Vzhledem k individualitě zpracovávaného materiálu, pokud je oprava a zpracování provedena podle teoretických rozměrů konstrukčního nákresu, bude ničena tvarová přesnost původní čepele. Pokud je nutné pro každou kusovou zpracování znovu generovat sadu zpracovatelských kódů podle modelu CAD, bude to mít významný dopad na celkový čas zpracování součásti.

Konstrukce špičky lopatky je složitá, s nábojem a krycí deskou 2 až 3 mm pod špičkou lopatky, a nejúžší šířka švu zadní hrany je pouze 0,5 mm. Lopatka má dutou vnitřní strukturu a na povrchu těla lopatky se nachází mnoho děr pro vzduchovou plenu. Střepy snadno pronikají do vnitřní dutiny a děr pro vzduchovou plenu, což komplikuje čištění.

1.2Hlavní technické požadavky

(1) Po opravě špičky odpovídají kontury vnitřních a vnějších zakřivených ploch nákresu a jsou hladce propojeny s původním tvarem základní lopatky.

(2) Minimální stěnová tloušťka podél tvaru lopatky na zadní hrana špičky je 0,41 mm a minimální stěnová tloušťka podél tvaru lopatky na ostatních částech je 0,51 mm (jak je znázorněno na obrázku 3).

(3) Je zajištěna výšková rozměrnost lopatky.

(4) Hrubost není vyšší než Ra0,8 μm.

(5) V dutině a děrách pro vzduchovou plenu nesmí zůstat žádné střepy ani jiné nepožadované látky.

(6) Opravená oblast je prozkoumána fluorescenční metodou, aby se zajistilo, že nejsou přítomny žádné trhliny, zahrnuté látky atd., a prohlídka je prováděna v souladu s normami fluorescenčního testování a kritérii přijetí.

2 Adaptivní technologie obrábění pro opravu poškození na špičce lopatky

Vzhledem k obtížím při opravném procesu špičky pracovního listu turbíny, konkrétně: deformace každého opraveného listu není konzistentní, pozice a úhel svazování se liší a původní přesnost litiny je problematická. Tyto praktické problémy lze prostřednictvím adaptivní technologie zpracování rychle detekovat online pro každou součást nebo součást, která má být zpracována, a mohou být pochopeny skutečné tvarové a polohové rozložení. Poté systém rekonstruuje cílový digitální model shodný s návrhem pomocí měřených dat, vygeneruje jedinečnou personalizovanou trasy trajektorie, aby bylo splněno výrobní požadavky, a nakonec odpovídá návrhu a skutečnému objektu. Adaptivní technologická trať zpracování je znázorněna na obrázku 4.

2.2 Technologie registrace datového modelu CAD

Z důvodu personalizovaných charakteristik bílého kovu zpracovaného objektu chybí rekonstruovanému CAD modelu pravidelná referenční rovina pro nalezení jeho souřadnicového systému a je nutné použít registraci technologie pro zarovnání jeho souřadnicového systému. Dvě množiny bodů v prostoru jsou teoretickým modelem X{xi} a měřicími informacemi P{pi} zpracovaného objektu. Množina bodů P je otočena a přeložena tak, aby byla minimalizována vzdálenost s množinou bodů X, a navázán je prostorový transformační vztah mezi měřicími informacemi P{pi} a teoretickými informacemi modelu X{xi}. Prostorový transformační vztah zahrnuje rotanční matici R a translanční matici T. Poté je použita metoda párování nejbližších bodů k nalezení bodu v X, který je nejblíže každému bodu v P, aby se párovaly a vytvořila nová množina bodů X', jak je znázorněno na obrázku 5.

3 Ověření adaptivní technologie řezání pro opravu poškození špiček lopatek

Adaptivní systém obrábění zahrnuje adaptivní software a hardwarové systémy pro obrábění, jako jsou strojní nástroje a řezací nástroje. Integrace obou je klíčem k dosažení adaptivního obrábění. Při opravných pracích na určitém typu vysokotlakého turbinového listu byl použit adaptivní systém obrábění k opravě listů a byla dokončena oprava a aplikativní ověření více motorových listů.

3.1 Testovací postup

Krok 1: Po zaplnění poškozené oblasti vrcholu lopatky krytím a povrchovým svařováním je měřicí informace o oblasti poblíž poškozeného vrcholku lopatky získána prostřednictvím vnitrostrojové detekce.

Krok 2: Získejte teoretické informace o modelu před opravou vrcholu lopatky.

Krok 3: Použijte registraci dat k vytvoření prostorového transformačního vztahu mezi měřícími informacemi a teoretickým modelem (prostorový transformační vztah zahrnuje rotaci a posun), a získejte opravu rotace a posunu, tj. velikost rotace a posunu po nejlepším přizpůsobení.

Krok 4: Vygenerujte soubor CLSF s umístěním nástroje podle teoretického modelu a vygenerujte opravené umístění nástroje a osový vektor nástroje v souboru CLSF podle opravy získané ve směrech XYZ v kroku 3.

Krok 5: Obrábění a lakování poškozené oblasti špičky listvy turbinového listu pomocí upravené dráhy nástroje, aby bylo dosaženo úplného obnovení přesné špičky listvy.

Jak je znázorněno na obrázku 6, používá se sonda RMP40 a míček stylu o průměru φ6 mm pro online měření. Dvanáct měřicích bodů je získáno optimalizací dvou částí poblíž špičky lopatky. Vygenerované soubory měřicích dat lze přenést zpět do počítačového softwarového systému a na základě měřicích dat lze v UG automaticky vygenerovat zpracovávací model.

Test byl proveden na tříosém vertikálním frézním stroji, kde byla lopatka vertikálně připevněna na stoličce pomocí rychlého nástrojového spoje, což usnadňovalo opakovanou přesnost při zavěšování během frézování a zpracování charakteristik v následujícím procesu, jak je znázorněno na obrázku 7.

Vygenerovaná trajektorie nástroje pro frézování ve formátu CLSF je znázorněna na obrázku 8.

3.2 Ochrana vnitřní dutiny a vzduchového filmu

Během testu byl splněn technický požadavek, který zakazuje zbyvání střepů nebo jiných nepožadovaných látek vnitřní dutině a dírkách vzduchového filmu. Během procesního testu byla chráněna vnitřní dutina a několik dírek vzduchového filmu listy. Tato technická studie používá funkční lepidlo k uzavření vnitřní dutiny a dírek vzduchového filmu, čímž tyto díry chrání. Je známo, že při opravě takových lopatek v zahraničí se používá kapalné "funkční epoxydové pryskyřice" k ochrany dutiny a dírek vzduchového filmu. Po ochlazení tvrdne a dosahuje ochranného účinku. Když je zahřát na více než 100°C, taje a přechází do "popela", který lze odstranit pomocí vzduchu nebo ultrazvukového očištění. V malých dírkách nezůstávají žádné zbytky. V dalším aplikaci dávkového inženýrství bude ochrana a čištění dutin a malých dírek zvláště důležité a bude nutné pokračovat ve vyhledávání vhodnějších způsobů zabránění vniknutí střepů a nepožadovaných látek.

3.3 Výsledky testů

Měřením profilu špičky opravené turbinové listy, jak je znázorněno na obrázku 9, vyhovuje tvar požadavkům procesní technologie. Z vizuální kontroly je vidět, že oblast opravy listu a původní profil jsou hladce přecházeny po adaptivním leštění, jak je znázorněno na obrázku 10. Hrubost stěn vnitřních a vnějších dutin je kvalifikovaná, povrchová hrubost je nižší než Ra0.8 μm a ostatní technické ukazatele vyhovují procesním požadavkům. Fluorescenční kontrola prokázala, že během zpracování nedošlo k vzniku nových trhlín či jiných defektů.

Kontaktujte nás

Děkujeme za váš zájem o naši společnost! Jako profesionální výrobce součástek pro plynové turbíny se budeme nadále věnovat inovacím technologií a zlepšování služeb, abychom mohli nabízet více kvalitních řešení pro zákazníky po celém světě. Pokud máte jakékoliv otázky, návrhy nebo záměry spolupráce, rádi vám pomůžeme. Kontaktujte nás prosím následujícím způsobem:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
E-mail: [email protected]