Investigación y aplicación de la tecnología de mecanizado adaptativo para la reparación de daños en las puntas de las palas de la turbina del motor aeroespacial

La reparación de palas de turbina dañadas tiene una gran importancia para el mantenimiento y la extensión de la vida de los motores aeronáuticos. Este artículo revisa los avances en la investigación de la tecnología de reparación de una pala de turbina de cierto aleación de alto temperatura fundida a base de níquel, centrándose en el método de reparación mediante mecanizado adaptativo en la punta de la pala, y expone profundamente el proceso experimental de mecanizado y los resultados de verificación, además de abordar las perspectivas de desarrollo de la tecnología de reparación de palas de turbina.

El motor de la aeronave es el núcleo de potencia del avión. Entre los diversos componentes del motor de la aeronave, la misión funcional y las características de trabajo de las palas de la turbina determinan que sea una de las piezas rotativas con el peor estado de estrés y la mayor carga en el motor de la aeronave, lo que también provoca fallos y daños comunes en las palas de la turbina. Entre ellos, el fallo por fisuras tiene la probabilidad más alta de ocurrir y el mayor daño, principalmente fisuras por fatiga causadas por la fuerza centrífuga superpuesta sobre el estrés de flexión, fisuras por fatiga de vibración causadas por el entorno vibratorio, y fisuras por fatiga a alta temperatura causadas por daños corrosivos provocados por medios ambientales. En esta etapa, para reducir el costo de uso del motor, la remanufactura y reparación de las palas de turbina dañadas tiene una gran importancia.

Entre las tecnologías clave para la reparación de palas de turbina, la tecnología de procesamiento adaptativo ha atraído la atención de muchos investigadores como un medio efectivo para lograr una superposición suave de los bordes dañados y una conformación de alta precisión de las áreas reparadas. TTL, una empresa británica, obtiene información sobre las líneas de sección transversal de la pala mediante métodos de medición por contacto y utiliza la información del perfil de la línea de sección medida para completar la reconstrucción del modelo del área desgastada en la punta, desplazándose a lo largo de la dirección Z, y genera códigos de procesamiento para eliminar la capa de recubrimiento. Delcam, otra empresa británica, propuso un método de reconstrucción de modelos para la reparación de la punta de las palas de turbina mediante mediciones en máquina, lo que redujo el problema de acumulación de errores de posicionamiento mediante mediciones en máquina; se obtuvieron dos datos de secciones transversales cerca de la capa de recubrimiento mediante medición por contacto, y se calculó el modelo geométrico a reparar de la punta desgastada de la pala de grano recto, con el fin de completar todo el proceso de reparación mediante pulido. Basado en la teoría del sistema gris, Ding Huapeng predijo la línea de arco y el grosor del perfil de la pala en el área dañada, y luego reconstruyó el modelo completo de la pala, obteniendo el modelo de defecto de reparación mediante diferencia booleana, logrando así un cierto efecto de reparación. Hou F et al. propusieron un método de reparación adaptativa para el cuerpo de la pala, incluyendo modelado de la superficie de soldadura y modelado de optimización de la superficie objetivo de reparación, y finalmente utilizaron simulación para probar la efectividad del método de reparación. Zhang X et al. propusieron un esquema automatizado de reparación para áreas dañadas de las palas del motor, que se forma directamente mediante el recubrimiento de material. En comparación con los métodos tradicionales de reparación, es innovador hasta cierto punto, pero es difícil reparar palas de turbina con superficies complejas.

La investigación anterior muestra que la reparación de las palas de los motores aeronáuticos es un tema candente en el campo de la aviación, tanto dentro como fuera del país. En el ámbito del mecanizado de reparación, el enfoque está en lograr una transición suave entre la zona reparada y la zona no dañada, así como una alta precisión en la conformación después de la reparación. Por lo tanto, basado en la investigación de reparación mencionada anteriormente, este artículo toma como ejemplo una pala de turbina dañada para realizar una investigación aplicada sobre la tecnología de mecanizado adaptativo para la reparación de daños en las puntas de las palas, asegurando que la zona mecanizada y la zona no mecanizada de la pala reparada puedan alcanzar una transición suave y superpuesta, y que la superficie de reparación total cumpla con los requisitos de tolerancia finales de la pala reparada.

1 Análisis de la procesabilidad de la reparación de daños en las puntas de las palas

La figura 1 muestra un defecto típico de grieta en la punta de una hoja de turbina. Basándose en esto, se propone un método para la remanufacturación y reparación del extremo dañado de una hoja de turbina de motor aeronáutico. Se establece una solución de remanufacturación y reparación que incluye eliminar la parte dañada de la punta de la hoja - soldadura fundida y depósito de estaño (como se muestra en la figura 2) - adquisición de nube de puntos de la hoja - reconstrucción del modelo digital de la hoja - procesamiento adaptativo de la hoja, para lograr la reparación adaptable de la precisión dimensional geométrica de la hoja y la recuperación del rendimiento. La calidad y el rendimiento de la hoja reparada cumplen con los requisitos de diseño y pueden utilizarse para reparaciones en tiempo real en el lugar de reparación, proporcionando una solución efectiva para la realización de procesos de reparación por lotes de componentes dañados de motores aeronáuticos.

1.1 Análisis de las dificultades del proceso

Debido al problema de precisión en el proceso de fundición, existen diferencias individuales entre la hoja terminada y el modelo de diseño teórico. El tamaño del contorno de la hoja se forma en su estado nuevo, y después de un ciclo de trabajo, producirá diferentes grados de deformación y defectos. Debido a la individualidad del objeto procesado, si se repara y se procesa según el tamaño teórico del dibujo de diseño, se destruirá la precisión dimensional de la hoja original. Si es necesario regenerar un conjunto de códigos de procesamiento según el modelo CAD para cada pieza procesada, esto afectará considerablemente todo el ciclo de procesamiento de la pieza.

La punta de la hoja tiene una estructura compleja, con un boss y una placa de cubierta a 2 a 3 mm por debajo de la punta de la hoja, y el ancho más estrecho de la costura del borde trasero es solo de 0.5 mm. La hoja es una estructura de cavidad interna, y hay muchos orificios de película de aire en la superficie del cuerpo de la hoja. Los virutas entran fácilmente en la cavidad interna y los orificios de la película de aire, lo que dificulta la limpieza.

1.2 Requisitos técnicos principales

(1) Después de reparar la punta, los contornos de las superficies curvas internas y externas se ajustan al dibujo de diseño y están suavemente conectados a la forma original de la hoja base.

(2) El espesor mínimo de la pared a lo largo de la forma de la hoja en el borde trasero de la punta es de 0.41 mm, y el espesor mínimo de la pared a lo largo de la forma de la hoja en otras partes es de 0.51 mm (como se muestra en la Figura 3).

(3) Se garantiza la dimensión de la altura de la hoja.

(4) La rugosidad no debe ser mayor a Ra0.8 μm.

(5) No se permiten que queden virutas u otras impurezas en la cavidad interna y los orificios de la película de aire.

(6) El área reparada se inspecciona por fluorescencia para asegurar que no hay grietas, inclusiones, etc., y la inspección se lleva a cabo de acuerdo con los estándares de inspección por fluorescencia y los estándares de aceptación.

Tecnología de mecanizado adaptativo para la reparación del daño en la punta de la hoja

Dada la dificultad en el proceso de reparación de la punta de la hoja de la turbina, es decir: la deformación de cada hoja reparada no es consistente, la posición y el ángulo de sujeción son diferentes, y la precisión del fundido original es problemática. Estos problemas prácticos pueden ser detectados rápidamente en línea mediante la tecnología de procesamiento adaptativo para cada pieza o parte a procesar, y se puede comprender la forma y distribución espacial real. Luego, el sistema reconstruye el modelo digital objetivo coherente con el diseño a través de los datos medidos, genera una trayectoria personalizada única para cumplir con la fabricación del producto, y finalmente se ajusta al diseño y al objeto real. La ruta de la tecnología de procesamiento adaptativo se muestra en la Figura 4.

2.2 Tecnología de registro de datos del modelo CAD

Debido a las características personalizadas del objeto en bruto del objeto procesado, el modelo CAD reconstruido carece de un plano de referencia regular para encontrar su sistema de coordenadas, y es necesario utilizar la tecnología de registro para alinear su sistema de coordenadas. Los dos conjuntos de puntos en el espacio son el modelo teórico X{xi} y la información de medición P{pi} del objeto procesado. El conjunto de puntos P se rota y traslada para minimizar la distancia con el conjunto de puntos X, y se establece la relación de transformación espacial entre la información de medición P{pi} y la información del modelo teórico X{xi}. La relación de transformación espacial incluye la matriz de rotación R y la matriz de traslación T. Luego, se utiliza el método de emparejamiento de puntos más cercanos para encontrar un punto en X que esté lo más cerca posible de cada punto en P para emparejarlo, formando un nuevo conjunto de puntos X', como se muestra en la Figura 5.

3 Verificación de la tecnología de mecanizado adaptativo para la reparación de daños en la punta de la paleta

El sistema de mecanizado adaptativo incluye software y hardware de mecanizado adaptativo, como herramientas de máquina y herramientas de corte. La integración de ambos es clave para lograr finalmente el mecanizado adaptativo. En el trabajo de reparación de una cierta tipo de aspa de turbina de alta presión, se utilizó el sistema de mecanizado adaptativo para llevar a cabo la reparación de las aspas, y se completó la reparación y la verificación de aplicación de múltiples aspas de motor.

3.1 Pasos de prueba

Paso 1: Después de que la zona dañada de la punta de la aspa por reparar sea rellenada mediante revestimiento y soldadura, se obtiene la información de medición del área cercana a la punta de la aspa dañada a través de la detección en máquina.

Paso 2: Obtener la información del modelo teórico antes de la reparación de la punta de la aspa.

Paso 3: Utilice el registro de datos para establecer la relación de transformación espacial entre la información de medición y la información del modelo teórico (la relación de transformación espacial incluye rotación y traslación) y obtenga la corrección de rotación y traslación, es decir, la cantidad de rotación y traslación después del mejor ajuste.

Paso 4: Genere el archivo CLSF de la trayectoria de ubicación de la herramienta de acuerdo con la información del modelo teórico, y genere la ubicación corregida de la herramienta y el vector del eje de la herramienta en el archivo CLSF según la cantidad de corrección obtenida en el paso 3 en las direcciones XYZ.

Paso 5: Pulir y pulir el área dañada de la punta de la hoja de la turbina utilizando la trayectoria de herramientas modificada, para lograr una restauración completa de la precisión de la punta de la hoja.

Como se muestra en la Figura 6, se utiliza una sonda RMP40 y una bola estilada de φ6 mm para la detección en línea. Se obtienen doce puntos de medición optimizando las dos secciones cercanas al borde de la hoja. Los archivos de datos de medición generados pueden transmitirse de vuelta al sistema de software del computador, y el modelo de procesamiento puede generarse automáticamente en UG basado en los datos de medición.

La prueba utilizó un centro de mecanizado vertical de tres ejes, y la hoja fue sujeta verticalmente en el banco de trabajo mediante un portaherramientas rápido, lo que facilitó la precisión de sujeción repetida durante el mecanizado y el procesamiento de características en el proceso posterior, como se muestra en la Figura 7.

El archivo CLSF de trayectoria de herramienta de mecanizado generado se muestra en la Figura 8.

3.2 Protección de la cavidad interna y el orificio de película de aire

Durante la prueba, se cumplió con el requisito técnico de que no se permiten restos de virutas u otras impurezas en la cavidad interna y los orificios del film de aire. Durante la prueba de proceso, se protegió la cavidad interna y varios orificios del film de aire de la hoja. Este estudio técnico utiliza un adhesivo funcional para sellar la cavidad interna y los orificios del film de aire, protegiendo así los orificios. Se entiende que al reparar este tipo de hojas en el extranjero, se utiliza un adhesivo "masilla epoxi multifuncional" líquida para proteger la cavidad y los orificios del film de aire. Después del enfriamiento, se solidifica para lograr un efecto protector. Al calentarse a más de 100°C, se derrite y se convierte en "ceniza", que puede ser eliminada por soplado o limpieza ultrasónica. No queda residuo en los pequeños orificios. En las aplicaciones de ingeniería por lotes posteriores, la protección y limpieza de cavidades y pequeños orificios será particularmente importante, y es necesario seguir buscando maneras más adecuadas para evitar la entrada de virutas e impurezas.

3.3 Resultados de la prueba

Mediante la medición del perfil de la punta de la hoja de turbina reparada, como se muestra en la Figura 9, la forma cumple con los requisitos de la tecnología del proceso. A través de la inspección visual, se puede observar que la zona reparada de la hoja y el perfil original están suavemente transicionados después del pulido adaptativo, como se muestra en la Figura 10. El espesor de las cavidades internas y externas es adecuado, la rugosidad superficial es inferior a Ra0.8 μm, y otros indicadores técnicos cumplen con los requisitos del proceso. A través de la inspección fluorescente, el proceso de mecanizado no causó nuevas grietas u otros defectos.

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