Präzisionsbearbeitungstechnologie und -ausrüstung für dünnwandige, speziell geformte und komplexe Schaufeln von Flugzeugtriebwerken

Als Schlüsselkomponente für die Leistung von Flugzeugtriebwerken weisen Rotorblätter typische Merkmale auf, wie z. B. dünne Wände, spezielle Formen, komplexe Strukturen, schwierig zu verarbeitende Materialien und hohe Anforderungen an Verarbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität. Die präzise und effiziente Verarbeitung von Rotorblättern stellt im Bereich der aktuellen Herstellung von Flugzeugtriebwerken eine große Herausforderung dar. Durch die Analyse der Schlüsselfaktoren, die die Verarbeitungsgenauigkeit von Rotorblättern beeinflussen, wird der aktuelle Stand der Forschung zu Technologie und Ausrüstung für die Präzisionsverarbeitung von Rotorblättern umfassend zusammengefasst und der Entwicklungstrend der Technologie zur Verarbeitung von Rotorblättern für Flugzeugtriebwerke prognostiziert.

Leichte, hochfeste dünnwandige Teile werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig verwendet und sind Schlüsselkomponenten für die Leistung wichtiger Geräte wie Flugzeugtriebwerke [1]. Beispielsweise können die Lüfterblätter aus Titanlegierung von Flugzeugtriebwerken mit großem Nebenstromverhältnis (siehe Abbildung 1) bis zu 1 Meter lang sein und komplexe Blattprofile und Dämpfungsplattformstrukturen aufweisen. Die Dicke des dünnsten Teils beträgt nur 1.2 mm, was ein typisches großformatiges dünnwandiges Sonderformteil ist [2]. Als typisches dünnwandiges Sonderformteil mit schwacher Steifigkeit neigt das Blatt während der Verarbeitung zu Verformungen und Vibrationen [3]. Diese Probleme beeinträchtigen die Verarbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität des Blattes erheblich.

Die Leistung des Triebwerks hängt weitgehend vom Fertigungsniveau der Schaufeln ab. Während des Triebwerksbetriebs müssen die Schaufeln unter extremen Betriebsbedingungen wie hohen Temperaturen und hohem Druck stabil arbeiten. Dies erfordert, dass das Schaufelmaterial eine gute Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweist und strukturelle Stabilität gewährleistet [2]. Normalerweise werden für Schaufeln von Flugzeugtriebwerken Titanlegierungen oder Hochtemperaturlegierungen verwendet. Titanlegierungen und Hochtemperaturlegierungen sind jedoch schlecht bearbeitbar. Während des Schneidvorgangs ist die Schneidkraft groß und das Werkzeug verschleißt schnell. Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß wird die Schneidkraft weiter zunehmen, was zu stärkeren Verformungen und Vibrationen bei der Bearbeitung führt, was wiederum zu geringer Maßgenauigkeit und schlechter Oberflächenqualität der Teile führt. Um die Leistungsanforderungen des Triebwerks unter extremen Arbeitsbedingungen zu erfüllen, sind die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität der Schaufeln extrem hoch. Nehmen wir als Beispiel die Lüfterschaufeln aus Titanlegierung, die in einem im Inland produzierten Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis verwendet werden: Die Gesamtlänge der Schaufel beträgt 681 mm, während die Dicke weniger als 6 mm beträgt. Die Profilanforderung beträgt -0.12 bis +0.03 mm, die Maßgenauigkeit der Ein- und Austrittskanten beträgt -0.05 bis +0.06 mm, der Torsionsfehler des Schaufelblattes liegt innerhalb ±10'und der Oberflächenrauheitswert Ra ist besser als 0.4μm. Dies erfordert normalerweise eine Präzisionsbearbeitung auf einer fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschine. Aufgrund der geringen Steifigkeit, der komplexen Struktur und der schwer zu verarbeitenden Materialien der Klinge muss das Prozesspersonal jedoch die Schnittparameter während des Bearbeitungsprozesses mehrmals anpassen, um die Bearbeitungsgenauigkeit und -qualität sicherzustellen, was die Leistung des CNC-Bearbeitungszentrums erheblich einschränkt und zu enormen Effizienzverlusten führt [4]. Angesichts der rasanten Entwicklung der CNC-Bearbeitungstechnologie ist es daher für fortschrittliche Fertigungsunternehmen zu einem dringenden Bedarf geworden, Verformungskontrolle und Vibrationsunterdrückung bei der Bearbeitung dünnwandiger Teile zu erreichen und die Bearbeitungskapazitäten von CNC-Bearbeitungszentren voll auszuschöpfen.

Die Forschung zur Deformationskontrolltechnologie dünnwandiger, schwacher, starrer Teile hat schon lange die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Forschern auf sich gezogen. In der frühen Produktionspraxis wird häufig die Wasserlinienstrategie des abwechselnden Fräsens auf beiden Seiten dünnwandiger Strukturen verwendet, wodurch die nachteiligen Auswirkungen von Deformationen und Vibrationen auf die Maßgenauigkeit bis zu einem gewissen Grad leicht reduziert werden können. Darüber hinaus gibt es auch eine Möglichkeit, die Verarbeitungssteifigkeit durch das Einsetzen vorgefertigter Opferstrukturen wie Verstärkungsrippen zu verbessern.

Schneidtechnologie für schwer zerspanbare Werkstoffe

Um den Anforderungen an einen stabilen Betrieb bei hohen Temperaturen und hohem Druck gerecht zu werden, werden für Flugzeugtriebwerksschaufeln üblicherweise Titanlegierungen oder Hochtemperaturlegierungen verwendet. In den letzten Jahren haben sich auch intermetallische Titan-Aluminium-Verbindungen zu einem Schaufelmaterial mit großem Anwendungspotenzial entwickelt. Titanlegierungen haben die Eigenschaften einer geringen Wärmeleitfähigkeit, geringen Plastizität, eines geringen Elastizitätsmoduls und einer starken Affinität, wodurch sie beim Schneiden Probleme wie große Schnittkräfte, hohe Schnitttemperaturen, starke Kaltverfestigung und hohen Werkzeugverschleiß aufweisen. Sie sind typische Materialien, die sich schwer schneiden lassen (Mikrostrukturmorphologie siehe Abbildung 2a) [7]. Die Hauptmerkmale von Hochtemperaturlegierungen sind eine hohe Plastizität und Festigkeit, eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und ein großer Anteil dichter fester Lösungen im Inneren [8]. Die plastische Deformation beim Schneiden verursacht eine starke Gitterverzerrung, einen hohen Deformationswiderstand, große Schnittkräfte und starke Kaltverfestigungserscheinungen, was auch typische Materialien sind, die sich schwer schneiden lassen (Mikrostrukturmorphologie siehe Abbildung 2b). Daher ist es sehr wichtig, eine effiziente und präzise Schneidtechnologie für schwer zu schneidende Materialien wie Titanlegierungen und Hochtemperaturlegierungen zu entwickeln. Um eine effiziente und präzise Bearbeitung schwer zu schneidender Materialien zu erreichen, haben in- und ausländische Wissenschaftler eingehende Forschungen unter den Gesichtspunkten innovativer Schneidmethoden, optimaler Materialien für Bearbeitungswerkzeuge und optimierter Schneidparameter durchgeführt.

2.1 Innovation spanender Bearbeitungsverfahren

Im Hinblick auf innovative Forschung und Entwicklung von Schneidmethoden haben Wissenschaftler Hilfsmittel wie Lasererhitzung und Kryogenkühlung eingeführt, um die Bearbeitbarkeit von Materialien zu verbessern und ein effizientes Schneiden zu erreichen. Das Funktionsprinzip der durch Lasererhitzung unterstützten Verarbeitung [9] (siehe Abbildung 3a) besteht darin, einen Hochleistungslaserstrahl auf die Werkstückoberfläche vor der Schneide zu fokussieren, das Material durch lokale Erwärmung des Strahls zu erweichen und die Streckgrenze des Materials zu reduzieren, wodurch Schnittkraft und Werkzeugverschleiß verringert und die Qualität und Effizienz des Schneidens verbessert werden. Bei der durch Kryogenkühlung unterstützten Verarbeitung [10] (siehe Abbildung 3b) werden flüssiger Stickstoff, unter hohem Druck stehendes Kohlendioxidgas und andere Kühlmittel auf das Schneidteil gesprüht, um den Schneidprozess zu kühlen und das Problem übermäßiger lokaler Schneidtemperaturen aufgrund schlechter Wärmeleitfähigkeit des Materials zu vermeiden. Außerdem wird das Werkstück lokal kalt und spröde gemacht, wodurch der Spanbrucheffekt verbessert wird. Das britische Unternehmen Nuclear AMRC setzte erfolgreich unter hohem Druck stehendes Kohlendioxidgas zur Kühlung des Verarbeitungsprozesses von Titanlegierungen ein. Im Vergleich zum Trockenschnitt zeigt die Analyse, dass die durch kryogene Kühlung unterstützte Verarbeitung nicht nur die Schnittkraft verringern und die Qualität der Schnittfläche verbessern, sondern auch den Werkzeugverschleiß wirksam verringern und die Lebensdauer des Werkzeugs erhöhen kann. Darüber hinaus ist die durch Ultraschallvibration unterstützte Verarbeitung [11, 12] (siehe Abbildung 3c) ebenfalls eine wirksame Methode zum effizienten Schneiden schwer zu bearbeitender Materialien. Durch Anlegen hochfrequenter Vibrationen mit kleiner Amplitude an das Werkzeug wird während des Bearbeitungsprozesses eine intermittierende Trennung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erreicht, wodurch der Materialentfernungsmechanismus geändert, die Stabilität des dynamischen Schneidens verbessert, Reibung zwischen dem Werkzeug und der bearbeiteten Oberfläche wirksam vermieden, Schnitttemperatur und Schnittkraft verringert, die Oberflächenrauheitswerte verringert und der Werkzeugverschleiß reduziert wird. Seine hervorragenden Prozesseffekte haben breite Aufmerksamkeit erregt.

2.2 Auswahl der Werkzeugmaterialien

Bei schwer zu schneidenden Materialien wie Titanlegierungen kann die Optimierung der Werkzeugmaterialien die Schneidergebnisse effektiv verbessern [8, 13]. Studien haben gezeigt, dass für die Bearbeitung von Titanlegierungen je nach Bearbeitungsgeschwindigkeit unterschiedliche Werkzeuge ausgewählt werden können. Für das Schneiden mit niedriger Geschwindigkeit wird Schnellarbeitsstahl mit hohem Kobaltgehalt verwendet, für das Schneiden mit mittlerer Geschwindigkeit werden Hartmetallwerkzeuge mit Aluminiumoxidbeschichtung verwendet und für das Schneiden mit hoher Geschwindigkeit werden Werkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN) verwendet; für die Bearbeitung von Legierungen mit hoher Temperatur sollten Schnellarbeitsstahl mit hohem Vanadiumgehalt oder YG-Hartmetallwerkzeuge mit hoher Härte und guter Verschleißfestigkeit verwendet werden.

2.3 Optimale Schnittparameter

Auch die Schnittparameter sind ein wichtiger Faktor, der sich auf die Bearbeitungsleistung auswirkt. Durch die Verwendung geeigneter Schnittparameter für die entsprechenden Materialien können die Bearbeitungsqualität und -effizienz effektiv verbessert werden. Am Beispiel des Parameters Schnittgeschwindigkeit kann eine niedrige Schnittgeschwindigkeit leicht zu einer Aufbaukante auf der Materialoberfläche führen, was die Genauigkeit der Oberflächenbearbeitung verringert; eine hohe Schnittgeschwindigkeit kann leicht zu einer Hitzestauung führen, die zu Verbrennungen an Werkstück und Werkzeug führt. In diesem Zusammenhang analysierte das Team von Professor Zhai Yuansheng an der Harbin University of Science and Technology die mechanischen und physikalischen Eigenschaften häufig verwendeter, schwer zu bearbeitender Materialien und stellte durch orthogonale Bearbeitungsexperimente eine empfohlene Tabelle mit Schnittgeschwindigkeiten für schwer zu bearbeitende Materialien zusammen [14] (siehe Tabelle 1). Die Verwendung der in der Tabelle empfohlenen Werkzeuge und Schnittgeschwindigkeiten für die Bearbeitung kann Bearbeitungsfehler und Werkzeugverschleiß effektiv reduzieren und die Bearbeitungsqualität verbessern.

3 Präzise CNC-Bearbeitungstechnologie für komplexe Schaufeloberflächen

In den letzten Jahren sind mit der rasanten Entwicklung der Luftfahrtindustrie und der steigenden Marktnachfrage die Anforderungen an eine effiziente und präzise Verarbeitung dünnwandiger Rotorblätter immer höher geworden, und die Nachfrage nach präziserer Deformationskontrolltechnologie ist dringlicher geworden. Im Kontext intelligenter Fertigungstechnologie ist die Kombination moderner elektronischer Informationstechnologie zur intelligenten Kontrolle von Deformation und Vibration bei der Verarbeitung von Flugzeugtriebwerksrotoren zu einem heißen Thema für viele Forscher geworden. Die Einführung intelligenter CNC-Systeme in die Präzisionsverarbeitung komplexer gekrümmter Oberflächen von Rotorblättern und die aktive Kompensation von Fehlern im Verarbeitungsprozess auf der Grundlage intelligenter CNC-Systeme können Deformation und Vibration wirksam unterdrücken.

Um eine aktive Fehlerkompensation im Bearbeitungsprozess zu erreichen und Bearbeitungsparameter wie den Werkzeugweg zu optimieren und zu steuern, muss zunächst der Einfluss der Prozessparameter auf die Verformung und Vibration der Bearbeitung ermittelt werden. Es gibt zwei häufig verwendete Methoden: Eine besteht darin, die Ergebnisse jedes Werkzeugdurchgangs durch Messungen und Fehleranalysen auf der Maschine zu analysieren und zu begründen [15]. Die andere besteht darin, ein Vorhersagemodell für die Verformung und Vibration der Bearbeitung durch Methoden wie dynamische Analyse [16], Finite-Elemente-Modellierung [17], Experimente [18] und neuronale Netzwerke [19] zu erstellen (siehe Abbildung 4).

Basierend auf dem oben genannten Vorhersagemodell oder der Messtechnologie an der Maschine können die Bearbeitungsparameter in Echtzeit optimiert und sogar gesteuert werden. Die gängige Methode besteht darin, die durch Verformung und Vibration verursachten Fehler durch Neuplanung des Werkzeugwegs auszugleichen. Die in dieser Richtung häufig verwendete Methode ist die „Spiegelkompensationsmethode“ [20] (siehe Abbildung 5). Diese Methode gleicht die Verformung eines einzelnen Schnitts aus, indem sie die nominale Werkzeugbahn korrigiert. Eine einzelne Kompensation erzeugt jedoch eine neue Bearbeitungsverformung. Daher ist es notwendig, durch mehrere Kompensationen eine iterative Beziehung zwischen der Schnittkraft und der Bearbeitungsverformung herzustellen, um die Verformung nacheinander zu korrigieren. Neben der Methode der aktiven Fehlerkompensation basierend auf der Werkzeugwegplanung untersuchen viele Wissenschaftler auch, wie Verformung und Vibration durch Optimierung und Steuerung der Schnittparameter und Werkzeugparameter kontrolliert werden können. Für das Schneiden eines bestimmten Typs von Flugzeugtriebwerksschaufeln wurden die Bearbeitungsparameter für mehrere Runden orthogonaler Tests geändert. Basierend auf den Testdaten wurde der Einfluss jedes Schnittparameters und Werkzeugparameters auf die Verformung und Vibrationsreaktion der Schaufelbearbeitung analysiert [21-23]. Es wurde ein empirisches Vorhersagemodell entwickelt, um die Bearbeitungsparameter zu optimieren, Bearbeitungsverformungen wirksam zu reduzieren und Schnittvibrationen zu unterdrücken.

Basierend auf den oben genannten Modellen und Methoden haben viele Unternehmen die CNC-Systeme von CNC-Bearbeitungszentren entwickelt oder verbessert, um eine adaptive Echtzeitsteuerung der Bearbeitungsparameter dünnwandiger Teile zu erreichen. Das optimale Frässystem der israelischen Firma OMAT [24] ist ein typischer Vertreter auf diesem Gebiet. Es passt hauptsächlich die Vorschubgeschwindigkeit durch adaptive Technologie an, um das Ziel des Fräsens mit konstanter Kraft zu erreichen und eine hocheffiziente und qualitativ hochwertige Bearbeitung komplexer Produkte zu realisieren. Darüber hinaus hat Beijing Jingdiao eine ähnliche Technologie im klassischen technischen Fall der Fertigstellung der Eierschalen-Oberflächenmustergravur durch adaptive Messkompensation auf der Maschine angewendet [25]. THERRIEN von GE in den Vereinigten Staaten [26] schlug eine Echtzeit-Korrekturmethode für CNC-Bearbeitungscodes während der Bearbeitung vor, die ein grundlegendes technisches Mittel für die adaptive Bearbeitung und Echtzeitsteuerung komplexer dünnwandiger Schaufeln bot. Das automatisierte Reparatursystem für Turbinenkomponenten von Flugzeugtriebwerken (AROSATEC) der Europäischen Union realisiert adaptives Präzisionsfräsen nach der Reparatur der Schaufel durch additive Fertigung und wurde auf die Schaufelreparaturproduktion der deutschen Firma MTU und der irischen Firma SIFCO angewendet [27].

4. Verbesserung der Prozessstabilität durch intelligente Prozessausrüstung

Der Einsatz intelligenter Prozessausrüstung zur Verbesserung der Steifigkeit des Prozesssystems und der Dämpfungseigenschaften ist ebenfalls ein effektiver Weg, um Verformungen und Vibrationen bei der Bearbeitung dünnwandiger Schaufeln zu unterdrücken, die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern und die Oberflächenqualität zu steigern. In den letzten Jahren wurden bei der Bearbeitung unterschiedlicher Arten von Triebwerksschaufeln zahlreiche unterschiedliche Prozessausrüstungen eingesetzt [28]. Da Triebwerksschaufeln im Allgemeinen dünnwandig und unregelmäßig strukturiert sind, nur eine kleine Klemm- und Positionierfläche bieten, eine geringe Bearbeitungssteifigkeit aufweisen und sich unter Schnittlasten lokal verformen, stützt die Schaufelbearbeitungsausrüstung das Werkstück in der Regel zusätzlich ab. Dabei wird das Sechs-Punkt-Positionierungsprinzip [29] eingehalten, um die Steifigkeit des Prozesssystems zu optimieren und Verformungen während der Bearbeitung zu unterdrücken. Dünnwandige und unregelmäßig gekrümmte Oberflächen stellen zwei Anforderungen an die Positionierung und Klemmung des Werkzeugs: Erstens muss die Klemmkraft bzw. Kontaktkraft des Werkzeugs möglichst gleichmäßig auf der gekrümmten Oberfläche verteilt werden, um starke lokale Verformungen des Werkstücks unter der Einwirkung der Klemmkraft zu vermeiden. zweitens müssen die Positionierungs-, Klemm- und zusätzlichen Stützelemente des Werkzeugs besser an die komplex gekrümmte Oberfläche des Werkstücks angepasst sein, um an jedem Kontaktpunkt eine gleichmäßige Oberflächenkontaktkraft zu erzeugen. Als Antwort auf diese beiden Anforderungen haben Wissenschaftler ein flexibles Werkzeugsystem vorgeschlagen. Flexible Werkzeugsysteme können in flexible Phasenwechselwerkzeuge und adaptive flexible Werkzeuge unterteilt werden. Flexible Phasenwechselwerkzeuge machen sich die Änderungen in Steifigkeit und Dämpfung vor und nach dem Phasenwechsel der Flüssigkeit zunutze: Die Flüssigkeit in der flüssigen oder mobilen Phase weist eine geringe Steifigkeit und Dämpfung auf und kann sich bei geringem Druck an die komplex gekrümmte Oberfläche des Werkstücks anpassen. Anschließend wird die Flüssigkeit durch äußere Kräfte wie Elektrizität/Magnetismus/Wärme in eine feste Phase umgewandelt oder verfestigt. Dabei werden Steifigkeit und Dämpfung erheblich verbessert, wodurch eine gleichmäßige und flexible Unterstützung des Werkstücks gewährleistet und Verformungen und Vibrationen unterdrückt werden.

Die Prozessausrüstung in der traditionellen Verarbeitungstechnologie von Flugzeugtriebwerksschaufeln besteht darin, Phasenwechselmaterialien wie niedrigschmelzende Legierungen zum Füllen von Hilfsstützen zu verwenden. Das heißt, nachdem der Werkstückrohling an sechs Punkten positioniert und festgeklemmt wurde, wird die Positionierungsreferenz des Werkstücks durch die niedrigschmelzende Legierung in einen Gussblock gegossen, um eine Hilfsstütze für das Werkstück bereitzustellen, und die komplexe Punktpositionierung wird in eine reguläre Oberflächenpositionierung umgewandelt, und dann wird die Präzisionsverarbeitung des zu verarbeitenden Teils durchgeführt (siehe Abbildung 6). Diese Prozessmethode weist offensichtliche Mängel auf: Die Umwandlung der Positionierungsreferenz führt zu einer Verringerung der Positionierungsgenauigkeit; die Produktionsvorbereitung ist kompliziert und das Gießen und Schmelzen der niedrigschmelzenden Legierung führt auch zu Rückständen und Reinigungsproblemen auf der Werkstückoberfläche. Gleichzeitig sind die Gieß- und Schmelzbedingungen auch relativ schlecht [30]. Um die oben genannten Prozessmängel zu beheben, besteht eine gängige Methode darin, eine Mehrpunkt-Stützstruktur in Kombination mit einem Phasenwechselmaterial einzuführen [31]. Das obere Ende der Stützstruktur berührt das Werkstück zur Positionierung und das untere Ende wird in die Kammer der niedrigschmelzenden Legierung eingetaucht. Die flexible Hilfsunterstützung wird auf der Grundlage der Phasenwechseleigenschaften der niedrigschmelzenden Legierung erreicht. Obwohl die Einführung einer Stützstruktur Oberflächenfehler vermeiden kann, die durch den Kontakt der niedrigschmelzenden Legierung mit den Klingen verursacht werden, können flexible Werkzeuge für Phasenwechsel aufgrund der Leistungsbeschränkungen von Phasenwechselmaterialien die beiden Hauptanforderungen hoher Steifigkeit und hoher Reaktionsgeschwindigkeit nicht gleichzeitig erfüllen und sind für eine hocheffiziente automatisierte Produktion schwer anwendbar.

Um die Nachteile von flexiblen Werkzeugen mit Phasenwechsel zu beheben, haben viele Wissenschaftler das Konzept der Anpassung in die Forschung und Entwicklung flexibler Werkzeuge integriert. Adaptive flexible Werkzeuge können komplexe Klingenformen und mögliche Formfehler durch elektromechanische Systeme adaptiv anpassen. Um sicherzustellen, dass die Kontaktkraft gleichmäßig auf die gesamte Klinge verteilt wird, verwendet das Werkzeug normalerweise mehrpunktige Hilfsstützen, um eine Stützmatrix zu bilden. Wang Huis Team an der Tsinghua-Universität schlug eine mehrpunktige flexible Hilfsstützprozessausrüstung vor, die für die Verarbeitung von nahezu endformigen Klingen geeignet ist [32, 33] (siehe Abbildung 7). Das Werkzeug verwendet mehrere flexible Materialklemmelemente, um die Klingenoberfläche der nahezu endformigen Klinge zu stützen und die Kontaktfläche der Klinge zu vergrößern. â € <â € <jeder Kontaktbereich und stellt sicher, dass die Klemmkraft gleichmäßig auf jeden Kontaktteil und die gesamte Klinge verteilt wird, wodurch die Steifigkeit des Prozesssystems verbessert und lokale Verformungen der Klinge effektiv verhindert werden. Das Werkzeug verfügt über mehrere passive Freiheitsgrade, die sich adaptiv an die Form der Klinge und deren Fehler anpassen und gleichzeitig eine Überpositionierung vermeiden können. Neben der Erzielung einer adaptiven Unterstützung durch flexible Materialien wird das Prinzip der elektromagnetischen Induktion auch bei der Forschung und Entwicklung von adaptiven flexiblen Werkzeugen angewendet. Das Team von Yang Yiqing an der Universität für Luft- und Raumfahrt in Peking hat eine Hilfsunterstützungsvorrichtung erfunden, die auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert [34]. Das Werkzeug verwendet eine flexible Hilfsunterstützung, die durch ein elektromagnetisches Signal angeregt wird und die Dämpfungseigenschaften des Prozesssystems ändern kann. Während des Klemmvorgangs passt sich die Hilfsunterstützung unter Einwirkung eines Permanentmagneten adaptiv der Form des Werkstücks an. Während der Verarbeitung wird die vom Werkstück erzeugte Vibration auf die Hilfsunterstützung übertragen und die umgekehrte elektromagnetische Kraft wird gemäß dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion angeregt, wodurch die Vibration der Verarbeitung dünnwandiger Werkstücke unterdrückt wird.

Derzeit werden bei der Konstruktion von Prozessgeräten im Allgemeinen Methoden wie Finite-Elemente-Analyse, genetische Algorithmen usw. verwendet, um die Anordnung von Mehrpunkt-Hilfsstützen zu optimieren [35]. Das Optimierungsergebnis kann jedoch normalerweise nur sicherstellen, dass die Verarbeitungsverformung an einem Punkt minimiert wird, und kann nicht garantieren, dass der gleiche Verformungsunterdrückungseffekt an anderen Verarbeitungsteilen erreicht werden kann. Beim Klingenverarbeitungsprozess werden normalerweise mehrere Werkzeugdurchgänge am Werkstück auf derselben Werkzeugmaschine durchgeführt, aber die Spannanforderungen für die Verarbeitung verschiedener Teile sind unterschiedlich und können sogar zeitlich variieren. Wenn bei der statischen Mehrpunkt-Unterstützungsmethode die Steifigkeit des Prozesssystems durch Erhöhung der Anzahl der Hilfsstützen verbessert wird, erhöhen sich einerseits die Masse und das Volumen des Werkzeugs, und andererseits wird der Bewegungsraum des Werkzeugs komprimiert. Wenn die Position der Hilfsstütze bei der Verarbeitung verschiedener Teile neu eingestellt wird, wird der Verarbeitungsprozess zwangsläufig unterbrochen und die Verarbeitungseffizienz verringert. Daher wurde eine Folgeprozessausrüstung [36-38] vorgeschlagen, die die Stützanordnung und die Stützkraft automatisch online entsprechend dem Verarbeitungsprozess anpasst. Die nachfolgende Prozessausrüstung (siehe Abbildung 8) kann eine dynamische Unterstützung durch die koordinierte Zusammenarbeit des Werkzeugs und der Werkzeuge erreichen, die auf der Werkzeugbahn und den Änderungen der Arbeitsbedingungen des zeitabhängigen Schneidprozesses basieren, bevor ein Verarbeitungsvorgang beginnt: Bewegen Sie zuerst die Hilfsunterstützung in eine Position, die dazu beiträgt, die aktuelle Verarbeitungsverformung zu unterdrücken, so dass der Verarbeitungsbereich von Das Werkstück wird aktiv gestützt, während andere Teile des Werkstücks mit möglichst wenig Kontakt in Position bleiben. Dadurch wird den zeitlich variierenden Spannanforderungen während des Bearbeitungsprozesses entsprochen.

Um die adaptive dynamische Unterstützungsfähigkeit der Prozessausrüstung weiter zu verbessern, den komplexeren Spannanforderungen im Verarbeitungsprozess gerecht zu werden und die Qualität und Effizienz der Schaufelverarbeitungsproduktion zu verbessern, wird die nachfolgende Hilfsunterstützung zu einer Gruppe aus mehreren dynamischen Hilfsunterstützungen erweitert. Von jedem dynamischen Hilfssupport wird erwartet, dass er Aktionen koordiniert und den Kontakt zwischen Supportgruppe und Werkstück entsprechend den zeitlich variierenden Anforderungen des Fertigungsprozesses automatisch und schnell rekonstruiert. Der Rekonstruktionsprozess beeinträchtigt die Positionierung des gesamten Werkstücks nicht und verursacht keine lokalen Verschiebungen oder Vibrationen. Die auf diesem Konzept basierende Prozessausrüstung wird als selbstrekonfigurierbare Gruppenvorrichtung bezeichnet [39], welche die Vorteile von Flexibilität, Rekonfigurierbarkeit und Autonomie bietet. Die selbstrekonfigurierbare Gruppenvorrichtung kann entsprechend den Anforderungen des Herstellungsprozesses mehrere Hilfsstützen an verschiedenen Positionen auf der Stützfläche anordnen und sich an komplex geformte Werkstücke mit großer Fläche anpassen, während gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit gewährleistet und redundante Stützen vermieden werden. Die Funktionsweise der Vorrichtung besteht darin, dass der Controller Anweisungen entsprechend dem programmierten Programm sendet und die mobile Basis das Trägerelement entsprechend den Anweisungen an die Zielposition bringt. Das Stützelement passt sich der örtlichen geometrischen Form des Werkstücks an, um eine nachgiebige Unterstützung zu erreichen. Die dynamischen Eigenschaften (Steifigkeit und Dämpfung) des Kontaktbereichs zwischen einem einzelnen Stützelement und dem lokalen Werkstück können durch Ändern der Parameter des Stützelements gesteuert werden (beispielsweise kann bei hydraulischen Stützelementen normalerweise der hydraulische Eingangsdruck geändert werden, um die Kontakteigenschaften zu ändern). Die dynamischen Eigenschaften des Prozesssystems werden durch die Kopplung der dynamischen Eigenschaften des Kontaktbereichs zwischen mehreren Stützelementen und dem Werkstück gebildet und hängen mit den Parametern jedes Stützelements und dem Layout der Stützelementgruppe zusammen. Bei der Gestaltung des Mehrpunkt-Stützrekonstruktionsschemas der selbstrekonfigurierbaren Gruppenvorrichtung müssen die folgenden drei Aspekte berücksichtigt werden: Anpassung an die geometrische Form des Werkstücks, schnelle Neupositionierung der Stützelemente und koordinierte Zusammenarbeit mehrerer Stützpunkte [40]. Daher ist es bei der Verwendung der selbstrekonfigurierbaren Gruppenvorrichtung erforderlich, die Werkstückform, die Lasteigenschaften und die inhärenten Randbedingungen als Eingabe zu verwenden, um das Mehrpunkt-Stützlayout und die Stützparameter unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen zu lösen, den Mehrpunkt-Stützbewegungspfad zu planen, Steuercode aus den Lösungsergebnissen zu generieren und ihn in die Steuerung zu importieren. Gegenwärtig führen in- und ausländische Wissenschaftler einige Untersuchungen und Versuche zu selbstrekonfigurierbaren Gruppenvorrichtungen durch. Im Ausland wurde im Rahmen des EU-Projekts SwarmItFIX ein neues, hochgradig anpassbares und selbstrekonfigurierbares Vorrichtungssystem entwickelt [41], das einen Satz mobiler Hilfsstützen verwendet, die sich frei auf der Werkbank bewegen und in Echtzeit neu positionieren können, um die bearbeiteten Teile besser zu stützen. Der Prototyp des SwarmItFIX-Systems wurde in diesem Projekt implementiert (siehe Abbildung 9a) und am Standort eines italienischen Flugzeugherstellers getestet. In China hat das Team von Wang Hui an der Tsinghua-Universität eine Werkbank mit Vierpunktklemmung entwickelt, die koordiniert mit einer Werkzeugmaschine gesteuert werden kann [42] (siehe Abbildung 9b). Diese Werkbank kann den freitragenden Zapfen stützen und dem Werkzeug bei der Feinbearbeitung des Zapfens einer Turbinenschaufel automatisch ausweichen.

5 Diskussion über zukünftige Entwicklungstrends

5.1 Neue Materialien

Da die Konstruktionsanforderungen an das Schub-Gewichts-Verhältnis von Flugzeugtriebwerken immer weiter steigen, wird die Anzahl der Teile schrittweise reduziert und das Spannungsniveau der Teile wird immer höher. Die Leistung der beiden wichtigsten traditionellen Hochtemperatur-Strukturmaterialien ist an ihre Grenzen gestoßen. In den letzten Jahren haben sich neue Materialien für Flugzeugtriebwerksschaufeln rasant entwickelt, und zur Herstellung dünnwandiger Schaufeln werden immer mehr Hochleistungsmaterialien verwendet. Unter ihnen: γ-TiAl-Legierung[43] weist hervorragende Eigenschaften wie hohe spezifische Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und gute Oxidationsbeständigkeit auf. Gleichzeitig beträgt ihre Dichte 3.9 g/cm3, was nur der Hälfte der Dichte von Hochtemperaturlegierungen entspricht. In Zukunft hat sie großes Potenzial als Klinge im Temperaturbereich von 700-800℃. Obwohl γ-TiAl-Legierung hat hervorragende mechanische Eigenschaften, seine hohe Härte, geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Bruchzähigkeit und hohe Sprödigkeit führen zu schlechter Oberflächenintegrität und geringer Präzision von γ-TiAl-Legierungsmaterial beim Schneiden, was die Lebensdauer der Teile erheblich beeinträchtigt. Daher ist die Verarbeitungsforschung von γ-TiAl-Legierungen haben eine wichtige theoretische Bedeutung und einen wichtigen Wert und stellen eine wichtige Forschungsrichtung in der aktuellen Klingenverarbeitungstechnologie dar.

5.2 Zeitabhängige adaptive Verarbeitung

Triebwerksschaufeln haben komplexe gekrümmte Oberflächen und erfordern eine hohe Formgenauigkeit. Derzeit werden bei ihrer Präzisionsbearbeitung hauptsächlich geometrische adaptive Bearbeitungsmethoden verwendet, die auf Bahnplanung und Modellrekonstruktion basieren. Diese Methode kann die Auswirkungen von Fehlern, die durch Positionierung, Klemmen usw. verursacht werden, auf die Bearbeitungsgenauigkeit der Schaufel effektiv reduzieren. Aufgrund der ungleichmäßigen Dicke des Gesenkschmiedeschaufelrohlings ist die Schnitttiefe in verschiedenen Bereichen des Werkzeugs während des Schneidvorgangs jedoch je nach geplantem Pfad unterschiedlich, was Unsicherheiten in den Schneidvorgang bringt und die Verarbeitungsstabilität beeinträchtigt. In Zukunft sollten während des adaptiven CNC-Bearbeitungsprozesses die tatsächlichen Änderungen des Bearbeitungszustands besser verfolgt werden [44], wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit komplexer gekrümmter Oberflächen deutlich verbessert und eine zeitvariable, steuerungsadaptive Bearbeitungsmethode entwickelt wird, die die Schnittparameter basierend auf Echtzeit-Feedbackdaten anpasst.

5.3 Intelligente Prozessausrüstung

Da es sich bei Schaufeln um den größten Teiletyp eines Motors handelt, wirkt sich die Fertigungseffizienz von Schaufeln direkt auf die Gesamtfertigungseffizienz des Motors aus, und die Fertigungsqualität der Schaufeln wirkt sich direkt auf Leistung und Lebensdauer des Motors aus. Daher ist die intelligente Präzisionsbearbeitung von Schaufeln heutzutage weltweit die Entwicklungsrichtung bei der Herstellung von Motorschaufeln. Die Forschung und Entwicklung von Werkzeugmaschinen und Prozessausrüstung ist der Schlüssel zur Realisierung einer intelligenten Schaufelbearbeitung. Mit der Entwicklung der CNC-Technologie hat sich der Intelligenzgrad von Werkzeugmaschinen rapide verbessert und die Bearbeitungs- und Produktionskapazität wurde erheblich gesteigert. Daher ist die Forschung und Entwicklung sowie Innovation von intelligenter Prozessausrüstung eine wichtige Entwicklungsrichtung für die effiziente und präzise Bearbeitung dünnwandiger Schaufeln. Hochintelligente CNC-Werkzeugmaschinen werden mit Prozessausrüstung kombiniert, um ein intelligentes Schaufelbearbeitungssystem zu bilden (siehe Abbildung 10), das eine hochpräzise, ​​hocheffiziente und anpassungsfähige CNC-Bearbeitung dünnwandiger Schaufeln ermöglicht.