Forschung und Anwendung der adaptiven Fertigungstechnologie zur Schadensreparatur von Turbinenspitzen von Strahltriebwerken

Die Reparatur beschädigter Turbinenschaufeln hat große Bedeutung für die Wartung und Lebensverlängerung von Flugzeugtriebwerken. Dieser Artikel untersucht den Fortschritt der Reparaturtechnologie einer bestimmten nikelbasierten Guss-Hochtemperaturlegierungs-Turbinenlaufblatt, wobei der Fokus auf der Reparaturmethode der anpassenden Bearbeitung an der Schaufelspitze liegt. Darüber hinaus wird der experimentelle Bearbeitungsprozess und die Verifizierungsergebnisse ausführlich erläutert und es werden die Entwicklungsperspektiven der Turbinenschaufel-Reparatertechnologie abgeschätzt.

Der Flugzeugmotor ist das Kraftwerk des Flugzeugs. Unter den verschiedenen Komponenten des Flugzeugmotors bestimmen die Funktion und die Arbeitscharakteristiken der Turbinenschaufeln, dass sie zu den rotierenden Teilen mit der schlechtesten Beanspruchung und der größten Belastung im Flugzeugmotor gehören, was auch zu den häufigen Versagen und Schäden der Turbinenschaufeln führt. Dabei hat ein Rissversagen die höchste Wahrscheinlichkeit aufzutreten und verursacht den größten Schaden, hauptsächlich durch Ermüdungsrisse, verursacht durch die Überlagerung von Zentrifugalkraft und Biegespannung, durch Schwingungen bedingte Ermüdungsrisse und durch Umgebungsmedien verursachte Korrosionsschäden, die zu Hochtemperaturermüdungsrisse führen. In dieser Phase ist es, um die Betriebskosten des Motors zu senken, von großer Bedeutung, beschädigte Turbinenschaufeln wiederherzustellen und zu reparieren.

Unter den Schlüsseltechnologien für die Reparatur von Turbinenschaufeln hat die adaptive Verarbeitungstechnologie die Aufmerksamkeit vieler Forscher als effektives Mittel zur Erreichung einer glatten Überlappung beschädigter Ränder und zur hochpräzisen Formgebung reparierter Bereiche gezogen. TTL, ein britisches Unternehmen, erhält Informationen über Querschnittslinien der Schaufel durch kontaktbasierte Messmethoden und verwendet die gemessenen Querschnittsprofilinformationen, um durch Verschiebung in Z-Richtung die Modellrekonstruktion des Spitzenverschleißbereichs abzuschließen und Verarbeitungscode zur Entfernung der Aufschussschicht zu generieren. Delcam, ebenfalls ein britisches Unternehmen, schlug eine Modellrekonstruktionsmethode für die Reparatur der Turbinenschaufelspitze vor, die durch Maschinenmessung arbeitet und das Problem der Positionierungsfehlerakkumulation durch Maschinenmessung reduzierte; zwei Querschnittsdaten nahe der Aufschussschicht wurden durch kontaktbasierte Messungen erhalten, und das geometrische Modell des zu reparierenden verschlissenen Schaufelspitzens der geraden Kristallstruktur wurde berechnet, um den gesamten Reparaturprozess durch Schleifen abzuschließen. Basierend auf der Grau-System-Theorie prognostizierte Ding Huapeng die Bogenlinie und die Dicke des Schaufelprofils im beschädigten Bereich und rekonstruierte dann das vollständige Schaufelmodell, wodurch durch Booleschen Unterschied das Reparaturdefektmuster abgerufen wurde, um so einen gewissen Reparatureffekt zu erzielen. Hou F et al. schlugen eine adaptive Reparaturmethode für den Schaufelkörper vor, einschließlich der Modellierung der Schweißoberfläche und der Optimierung der Zielreparaturoberfläche, und bewiesen abschließend durch Simulation die Effektivität der Reparaturmethode. Zhang X et al. schlugen ein automatisiertes Reparaturkonzept für beschädigte Bereiche von Triebwerksblättern vor, das direkt durch Materialaufschuss gebildet wird. Im Vergleich zu traditionellen Reparaturmethoden ist es bis zu einem gewissen Grad innovativ, aber es ist schwierig, Turbinenschaufeln mit komplexen Oberflächen zu reparieren.

Die obige Forschung zeigt, dass die Reparatur von Flugzeugtriebwerksblättern ein aktuelles Thema im In- und Ausland im Bereich der Luftfahrt ist. Im Bereich der Reparaturbearbeitung liegt der Fokus darauf, eine glatte Übergangsstelle zwischen dem reparierten Bereich und dem unbeschädigten Bereich zu erreichen sowie eine hochpräzise Formgebung nach der Reparatur. Daher wird in diesem Artikel, basierend auf der oben genannten Reparaturforschung, am Beispiel eines beschädigten Turbinen Arbeitsblatts eine Anwendungsstudie zur adaptiven Bearbeitungstechnologie für die Reparatur von Blattspitzenschäden durchgeführt, um sicherzustellen, dass der bearbeitete Bereich und der nicht bearbeitete Bereich des reparierten Blatts einen glatten Übergang aufweisen und die gesamte Reparaturfläche den endgültigen Toleranzen des reparierten Blatts entspricht.

1 Analyse der Bearbeitbarkeit der Reparatur von Blattspitzenschäden

Abbildung 1 zeigt einen typischen Rissdefekt am Turbinenschaufelspitzen. Darauf basierend wird eine Methode zur Remanufaktur und Reparatur der beschädigten Schaufelspitze einer Flugzeugturbinenschaufel vorgeschlagen. Eine Remanufaktur- und Reparationslösung wird etabliert, die das Entfernen des beschädigten Teils der Schaufelspitze – schmelzendes Fügen und Auftragen von Lötzinn (wie in Abbildung 2 dargestellt) – Erfassen der Schaufelpunktwolke – Rekonstruieren des digitalen Schaufelmodells – adaptive Bearbeitung der Schaufel umfasst, um die adaptive Reparatur der geometrischen Größe und Genauigkeit sowie die Wiederherstellung der Leistung der Schaufel zu erreichen. Die Qualität und Leistung der reparierten Schaufel erfüllen die Designanforderungen und können für Echtzeit-Reparaturen vor Ort genutzt werden, wodurch eine effektive Lösung für die Durchführung von Serienreparaturen an beschädigten Komponenten von Flugzeugtriebwerken bereitgestellt wird.

1.1 Analyse der Prozessschwierigkeiten

Aufgrund des Problems der Gießgenauigkeit gibt es individuelle Unterschiede zwischen der fertigen Klinge und dem theoretischen Designmodell. Die Umrisshöße der Klinge wird im neuen Zustand gebildet, und nach einem Arbeitszyklus wird es zu unterschiedlichen Grade von Verformungen und Fehlern kommen. Aufgrund der Individualität des verarbeiteten Objekts wird die Formgenauigkeit der ursprünglichen Klinge zerstört, wenn sie gemäß den theoretischen Abmessungen des Konstruktionszeichnungs repariert und verarbeitet wird. Wenn für jedes Stück eine neue Reihe von Bearbeitungs-Codes gemäß dem CAD-Modell generiert werden muss, wird dies erheblich auf den gesamten Bearbeitungszyklus des Teils wirken.

Die Klingen Spitze hat eine komplexe Struktur, mit einem Nocken und einer Deckplatte 2 bis 3 mm unterhalb der Klingenspitze, und die kleinste Breite der nachträglichen Naht am Trailing Edge beträgt nur 0,5 mm. Die Klinge ist eine Innenhohlräume-Struktur, und es gibt viele Luftfilm-Löcher auf der Klingenkörper-Oberfläche. Späne dringen leicht in die Innenhöhle und die Luftfilm-Löcher ein, was das Reinigen erschwert.

1.2 Haupttechnische Anforderungen

(1) Nach der Reparatur der Spitze stimmen die Konturen der inneren und äußeren gekrümmten Flächen mit dem Design-Bauplan überein und sind glatt mit der ursprünglichen Basis-Klinge-Form verbunden.

(2) Die minimale Wandstärke entlang der Klingenform am Trailing Edge der Spitze beträgt 0,41 mm, und die minimale Wandstärke entlang der Klingenform an anderen Stellen beträgt 0,51 mm (wie in Abbildung 3 gezeigt).

(3) Die Klingenhöhe-Dimension wird gewährleistet.

(4) Die Rauheit beträgt nicht mehr als Ra0,8 μm.

(5) Es sind keine Späne oder andere Fremdkörper in der Innenhöhle und den Luftfilm-Löchern zugelassen.

(6) Die reparierte Stelle wird durch Fluoreszenz überprüft, um sicherzustellen, dass keine Risse, Einschlüsse usw. vorhanden sind, und die Überprüfung erfolgt entsprechend den Fluoreszenzprüfstandards und den Akzeptanzkriterien.

2 Anpassungstechnologie für das Reparieren von Schäden an der Klingenspitze

Angesichts der Schwierigkeiten im Reparaturprozess der Turbinenschaufelspitze, nämlich: die Deformation jeder reparierten Schaufel ist ungleichmäßig, die Klemmposition und -winkel unterscheiden sich, und die ursprüngliche Präzisionsgusstoleranz ist problematisch. Solche praktischen Probleme können durch adaptive Bearbeitungstechnologie für jedes Teil oder zu bearbeitende Komponente online schnell erkannt werden, um die tatsächliche Form und Lageverteilung zu verstehen. Anschließend rekonstruiert das System mit den gemessenen Daten ein dem Design entsprechendes Zielmodell, generiert eine einzigartige, personalisierte Pfadtrajektorie, um den Produktionsanforderungen gerecht zu werden, und passt schließlich sowohl dem Design als auch dem realen Objekt an. Der adaptive Bearbeitungsprozess ist in Abbildung 4 dargestellt.

2.2 CAD-Modell-Dateneinordnungstechnologie

Aufgrund der personalisierten Merkmale des Blanks des verarbeiteten Objekts fehlt dem rekonstruierten CAD-Modell eine regelmäßige Referenzebene, um sein Koordinatensystem zu finden, und es ist notwendig, Registrierungstechnologie zu verwenden, um das Koordinatensystem auszurichten. Die beiden Punktmengen im Raum sind das theoretische Modell X{xi} und die Messinformationen P{pi} des verarbeiteten Objekts. Die Punktemenge P wird rotiert und verschoben, um den Abstand zur Punktemenge X zu minimieren, und die räumliche Transformationsbeziehung zwischen den Messinformationen P{pi} und den theoretischen Modellinformationen X{xi} wird hergestellt. Die räumliche Transformationsbeziehung umfasst die Drehmatrix R und die Translationsmatrix T. Anschließend wird die Methode der nächsten Punktpaarung verwendet, um in X einen Punkt zu finden, der jedem Punkt in P am nächsten liegt, um ihn zu paaren und so eine neue Punktemenge X' zu bilden, wie in Abbildung 5 gezeigt.

3 Verifikation der adaptiven Fertigungstechnologie für die Reparatur von Schaden an Kantenkuppen

Das adaptive Fertigungssystem umfasst adaptive Fertigungssoftware und Hardware-Systeme wie Werkzeugmaschinen und Schneidwerkzeuge. Die Integration beider ist der Schlüssel, um letztendlich adaptive Fertigung zu erreichen. Bei der Reparaturarbeit an einer bestimmten Art von Hochdruckturbinschaufel wurde das adaptive Fertigungssystem zur Reparaturbearbeitung der Schaufeln eingesetzt, und die Reparaturbearbeitung und Anwendungsverifizierung mehrerer Turbomotorschienen wurde abgeschlossen.

3.1 Testschritte

Schritt 1: Nachdem der beschädigte Bereich der zu reparierenden Schaufelspitze durch Aufschweißen und Überlagerungsschweißen gefüllt wurde, wird über eine in-situ-Messung die Messinformation des Bereichs nahe der beschädigten Schaufelspitze erhalten.

Schritt 2: Erhalten der theoretischen Modellinformationen vor der Reparatur der Schaufelspitze.

Schritt 3: Verwenden Sie die Dateneintragung, um die räumliche Transformationsbeziehung zwischen den Messinformationen und den theoretischen Modellinformationen herzustellen (die räumliche Transformationsbeziehung umfasst Rotation und Translation) und erhalten Sie die Korrektur für Rotation und Translation, d.h. die Rotations- und Translationsmenge nach der besten Anpassung.

Schritt 4: Generieren Sie die CLSF-Datei des Werkzeugpfads gemäß den theoretischen Modellinformationen und generieren Sie die korrigierte Werkzeugposition und den Werkzeugachsenvektor in der CLSF-Datei gemäß dem Korrekturbetrag in XYZ-Richtung, der im Schritt 3 erhalten wurde.

Schritt 5: Schleifen und Polieren Sie das beschädigte Gebiet der Klingenspitze der Turbinenschaufel mit dem modifizierten Werkzeugpfad, um eine vollständige Wiederherstellung der präzisen Klingenspitze zu erreichen.

Wie in Abbildung 6 gezeigt, wird eine RMP40-Sonde und eine φ6 mm Styluskugel für die Online-Messung verwendet. Durch die Optimierung der beiden Abschnitte in der Nähe der Klingenspitze werden zwölf Messpunkte erhalten. Die generierten Messdaten-Dateien können an das Computersoftware-System zurückübertragen werden, und auf Basis der Messdaten kann das Bearbeitungsmodell automatisch in UG generiert werden.

Der Test wurde mit einem dreiaxigen vertikalen Fräser führt durchgeführt, wobei die Klinge über ein Schnellwechsel-Werkzeugpalletten senkrecht am Tisch cantilevered war, was die Wiederholgenauigkeit des Spanens während der Bearbeitung und der Merkmalsbearbeitung im nachfolgenden Prozess erleichterte, wie in Abbildung 7 gezeigt.

Die generierte Bearbeitungswerkzeug-Trajektorie CLSF-Datei ist in Abbildung 8 dargestellt.

3.2 Innerer Hohlraum und Luftfilmlochschutz

Während des Tests wurde das technische Anforderungsprofil erfüllt, dass keine Späne oder andere Fremdstoffe im Inneren und in den Luftfilmöffnungen verbleiben dürfen. Während des Prozess-Tests wurden die Innenhöhle und mehrere Luftfilmöffnungen der Klinge geschützt. Diese technische Studie verwendet funktionsfähigen Klebstoff, um die Innenhöhle und die Luftfilmöffnungen abzudichten und so die Öffnungen zu schützen. Es ist bekannt, dass bei der Reparatur solcher Klingen im Ausland ein flüssiger „multifunktionaler Epoxidharz-Teigkleber“ verwendet wird, um die Hohlräume und Luftfilmöffnungen zu schützen. Nach dem Abkühlen erstarrt er und erreicht einen Schutzeffekt. Bei Erhitzung auf über 100°C schmilzt er und verwandelt sich in „Asche“, die durch Pusten oder Ultraschallreinigung entfernt werden kann. In den kleinen Löchern bleibt nichts zurück. In nachfolgenden Serienanwendungen wird der Schutz und die Reinigung von Hohlräumen und kleinen Löchern von besonderer Bedeutung sein, und es wird notwendig sein, weiterhin passendere Methoden zu finden, um das Eindringen von Spänen und Fremdstoffen zu verhindern.

3.3 Testergebnisse

Durch das Messen des Spitzenprofils der reparierten Turbinenschaufel, wie in Abbildung 9 gezeigt, entspricht die Form den Anforderungen der Prozesstechnologie. Aus der äußeren Inspektion geht hervor, dass sich die reparierte Schaufelzone und das ursprüngliche Profil nach der adaptiven Polierung glatt übergangen, wie in Abbildung 10 zu sehen ist. Die Wandstärke der inneren und äußeren Kavitäten ist qualifiziert, die Oberflächenrauheit liegt unter Ra0,8 μm, und andere technische Kennwerte erfüllen die prozessualen Anforderungen. Durch fluoreszierende Prüfung wurden keine neuen Risse oder andere Mängel durch den Bearbeitungsprozess verursacht.

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