Recherche et application de la technologie d'usinage adaptatif pour la réparation des dommages aux extrémités des pales de turbine de moteur aérospatial

La réparation des pales de turbine endommagées est d'une grande importance pour l'entretien et l'allongement de la durée de vie des moteurs d'avion. Cet article passe en revue les progrès de la recherche sur la technologie de réparation d'une certaine pale de turbine en alliage au nickel obtenu par fonderie, en se concentrant sur la méthode de réparation par usinage adaptatif à l'extrémité de la pale, et expose en détail le processus de traitement expérimental et les résultats de vérification, tout en prospectant les perspectives de développement de la technologie de réparation des pales de turbine.

Le moteur d'avion est le cœur de puissance de l'aéronef. Parmi les différents composants du moteur d'avion, la mission fonctionnelle et les caractéristiques de travail des pales de turbine déterminent qu'elles sont l'une des pièces rotatives soumises au pire stress et à la plus grande charge dans le moteur d'avion, ce qui entraîne également les pannes et dommages courants des pales de turbine. Parmi eux, l'échec par fissuration présente la probabilité d'occurrence la plus élevée et les conséquences les plus graves, principalement des fissures de fatigue causées par la force centrifuge superposée à la contrainte de flexion, des fissures de fatigue dues aux vibrations de l'environnement, et des fissures de fatigue à haute température causées par des dommages corrosifs dus aux milieux environnementaux. À ce stade, afin de réduire le coût d'utilisation du moteur, la remanufacture et la réparation des pales de turbine endommagées revêtent une grande importance.

Parmi les technologies clés pour la réparation des pales de turbine, la technologie de traitement adaptatif a attiré l'attention de nombreux chercheurs comme un moyen efficace d'obtenir une jonction lisse des bords endommagés et une mise en forme précise des zones réparées. TTL, une entreprise britannique, obtient des informations sur les lignes de section des pales par des méthodes de mesure au contact et utilise les données de profil des sections mesurées pour reconstruire le modèle de la zone d'usure du bord par un décalage le long de l'axe Z, puis génère des codes de traitement pour enlever la couche de dépôt. Delcam, une autre entreprise britannique, a proposé une méthode de reconstruction de modèle pour la réparation des pointes de pales de turbine par mesure in-situ, ce qui a réduit le problème d'accumulation d'erreurs de positionnement grâce à cette mesure directe ; deux ensembles de données de section près de la couche de dépôt ont été obtenus par mesure au contact, et le modèle géométrique à réparer de la pointe usée d'une pale à grains droits a été calculé, permettant ainsi de terminer tout le processus de réparation par usinage. Basé sur la théorie des systèmes gris, Ding Huapeng a prédit la ligne d'arc et l'épaisseur du profil de la pale dans la zone endommagée, puis a reconstruit le modèle complet de la pale, et a ensuite obtenu le modèle de défaut à réparer par différence booléenne, permettant ainsi d'atteindre un certain effet de réparation. Hou F et al. ont proposé une méthode de réparation adaptative pour le corps de la pale, incluant la modélisation de la surface soudée et l'optimisation de la modélisation de la surface cible à réparer, et ont finalement utilisé une simulation pour prouver l'efficacité de la méthode de réparation. Zhang X et al. ont proposé un schéma de réparation automatisé pour les zones endommagées des pales de moteur, qui est directement formé par dépôt de matériaux. Comparé aux méthodes traditionnelles de réparation, cela est innovant dans une certaine mesure, mais il est difficile de réparer des pales de turbine avec des surfaces complexes.

La recherche ci-dessus montre que la réparation des pales de moteur d'avion est un sujet brûlant dans le domaine aéronautique, tant à l'étranger qu'en Chine. Dans le domaine du traitement de réparation, l'accent est mis sur l'obtention d'une transition lisse entre la zone réparée et la zone non endommagée, ainsi que sur une mise en forme précise après réparation. Par conséquent, sur la base des recherches de réparation mentionnées ci-dessus, cet article prend comme exemple une pale de turbine endommagée pour mener des recherches sur l'application de la technologie de fraisage adaptatif pour la réparation des dommages aux pointes de pales, en s'assurant que la zone de fraisage et la zone non fraisée de la pale réparée peuvent atteindre une transition lisse, et que la surface de réparation globale répond aux exigences finales de tolérance de la pale réparée.

1 Analyse de la faisabilité de la réparation des pointes de pales

La figure 1 montre un défaut typique de fissure à l'extrémité de la lame de turbine. À partir de cela, une méthode de remanufacturage et de réparation de l'extrémité endommagée d'une lame de turbine de moteur d'avion est proposée. Une solution de remanufacturage et de réparation est établie, qui inclut le retrait de la partie endommagée de l'extrémité de la lame - le soudage fondu et le dépôt du solder (comme illustré à la figure 2) - l'acquisition du nuage de points de la lame - la reconstruction du modèle numérique de la lame - le traitement adaptatif de la lame, afin d'atteindre une réparation adaptative de la précision des dimensions géométriques de la lame et du récupération de ses performances. La qualité et les performances de la lame réparée répondent aux exigences de conception et peuvent être utilisées pour une réparation en temps réel sur le site de réparation, offrant une solution efficace pour réaliser le traitement de réparation en série des composants endommagés des moteurs d'avions.

1.1 Analyse des difficultés du processus

En raison du problème de précision de la fonderie, il existe des différences individuelles entre la lame finie et le modèle de conception théorique. La taille de la lame est formée dans son état neuf, et après un cycle de travail, elle subira des déformations et des défauts à différents degrés. En raison de la particularité de l'objet traité, si on le répare et le traite selon les dimensions théoriques du dessin de conception, la précision de forme de la lame d'origine sera détruite. Si un ensemble de codes de traitement doit être régénéré pour chaque pièce en fonction du modèle CAD, cela affectera considérablement tout le cycle de traitement de la pièce.

L'extrémité de la lame a une structure complexe, avec un bossage et une plaque de protection situés à 2 à 3 mm sous l'extrémité de la lame, et la largeur minimale de la couture de l'arête postérieure est de seulement 0,5 mm. La lame est une structure de cavité interne, et il y a de nombreux trous de film d'air sur la surface du corps de la lame. Les copeaux pénètrent facilement dans la cavité interne et les orifices du film d'air, ce qui rend le nettoyage difficile.

1.2 Principales exigences techniques

(1) Après la réparation de l'extrémité, les contours des surfaces courbes intérieures et extérieures correspondent au dessin de conception et sont connectés en douceur à la forme originale de la lame de base.

(2) L'épaisseur minimale de paroi le long de la forme de la lame à l'arête postérieure de l'extrémité est de 0,41 mm, et l'épaisseur minimale de paroi le long de la forme de la lame aux autres parties est de 0,51 mm (comme indiqué à la figure 3).

(3) La dimension de la hauteur de la lame est garantie.

(4) La rugosité n'est pas supérieure à Ra0,8 μm.

(5) Il n'est pas permis que des copeaux ou d'autres impuretés restent dans la cavité interne et les orifices de film d'air.

(6) La zone réparée est inspectée par fluorescence pour s'assurer qu'il n'y a pas de fissures, d'inclusions, etc., et l'inspection est effectuée conformément aux normes d'inspection par fluorescence et aux critères d'acceptation.

Technologie d'usinage adaptatif 2 pour la réparation des dommages à l'extrémité de la pale

Eu égard aux difficultés du processus de réparation de l'extrémité de la lame de la turbine, à savoir : la déformation de chaque lame réparée est incohérente, la position et l'angle de serrage sont différents, et la précision du moulage initial pose problème. De tels problèmes pratiques peuvent être rapidement détectés en ligne grâce à la technologie de traitement adaptatif pour chaque pièce ou pièce à usiner, permettant ainsi de comprendre la forme réelle et la distribution des positions. Ensuite, le système reconstruit le modèle numérique cible cohérent avec la conception à partir des données mesurées, génère une trajectoire de chemin unique et personnalisée pour répondre aux exigences de fabrication du produit, et finit par correspondre à la conception et à l'objet réel. Le schéma de la technologie de traitement adaptatif est présenté à la figure 4.

2.2 Technologie d'enregistrement des données du modèle CAD

En raison des caractéristiques personnalisées de la pièce brute de l'objet traité, le modèle CAD reconstitué manque d'une référence plane régulière pour trouver son système de coordonnées, et il est nécessaire d'utiliser une technologie de registration pour aligner son système de coordonnées. Les deux ensembles de points dans l'espace sont le modèle théorique X{xi} et les informations de mesure P{pi} de l'objet traité. L'ensemble de points P est tourné et déplacé pour minimiser la distance avec l'ensemble de points X, et une relation de transformation spatiale est établie entre les informations de mesure P{pi} et les informations du modèle théorique X{xi}. La relation de transformation spatiale inclut la matrice de rotation R et la matrice de translation T. Ensuite, la méthode de jumelage des points les plus proches est utilisée pour trouver un point dans X qui est le plus proche de chaque point dans P pour le jumeler, formant ainsi un nouvel ensemble de points X', comme le montre la figure 5.

3 Vérification de la technologie d'usinage adaptatif pour la réparation des dommages aux extrémités des pales

Le système de usinage adaptatif comprend un logiciel et des systèmes matériels d'usinage adaptatif, tels que les machines-outils et les outils de coupe. L'intégration de ces deux éléments est la clé pour atteindre finalement l'usinage adaptatif. Dans le travail de réparation d'une certaine type de pale de turbine à haute pression, le système d'usinage adaptatif a été utilisé pour effectuer la réparation des pales, et la réparation et la vérification d'application de plusieurs pales d'avion ont été achevées.

3.1 Étapes du test

Étape 1 : Après que la zone endommagée de la pointe de la pale à réparer a été comblée par dépôt et soudage surfacique, les informations de mesure de la zone proche de la pointe endommagée sont obtenues grâce à une détection en machine.

Étape 2 : Obtenir les informations du modèle théorique avant la réparation de la pointe de la pale.

Étape 3 : Utilisez l'enregistrement des données pour établir la relation de transformation spatiale entre les informations de mesure et les informations du modèle théorique (la relation de transformation spatiale inclut la rotation et la translation), puis obtenez la correction de rotation et de translation, c'est-à-dire le montant de rotation et de translation après le meilleur ajustement.

Étape 4 : Générez le fichier CLSF de la trajectoire d'emplacement de l'outil de travail en fonction des informations du modèle théorique, et générez l'emplacement corrigé de l'outil et le vecteur d'axe de l'outil dans le fichier CLSF en fonction du montant de correction obtenu en direction XYZ à l'étape 3.

Étape 5 : Affûter et polir la zone endommagée de l'extrémité de la lame de la turbine en utilisant la trajectoire d'outil modifiée, afin de restaurer complètement la précision de l'extrémité de la lame.

Comme le montre la figure 6, une sonde RMP40 et une bille de stylo de φ6 mm sont utilisées pour la détection en ligne. Douze points de mesure sont obtenus en optimisant les deux sections près de l'extrémité de la lame. Les fichiers de données de mesure générés peuvent être transmis au système logiciel sur ordinateur, et le modèle de traitement peut être automatiquement généré dans UG à partir des données de mesure.

Le test a utilisé un centre d'usinage vertical à trois axes, et la lame était suspendue verticalement sur la table d'usinage via un plateau d'outils rapide, ce qui facilitait la précision du serrage répétée pendant l'usinage et le traitement des caractéristiques dans le processus ultérieur, comme le montre la figure 7.

Le fichier CLSF de la trajectoire d'outil d'usinage généré est illustré à la figure 8.

3.2 Protection de la cavité interne et des trous de film d'air

Pendant le test, le critère technique stipulant qu'aucune puce ou autre impureté ne doit rester dans la cavité intérieure et les orifices du film d'air a été respecté. Pendant le test de processus, la cavité intérieure et plusieurs orifices du film d'air de la lame ont été protégés. Cette étude technique utilise une colle fonctionnelle pour sceller la cavité intérieure et les orifices du film d'air, protégeant ainsi les orifices. Il a été compris que lors de la réparation de telles lames à l'étranger, une colle en pâte "résine époxy multifonctionnelle liquide" est utilisée pour protéger la cavité et les orifices du film d'air. Après refroidissement, elle se solidifie pour atteindre un effet protecteur. Lorsqu'elle est chauffée à plus de 100°C, elle fond et se transforme en "cendre", qui peut être soufflée ou retirée par nettoyage ultrasonique. Il n'y a aucune résidu dans les petits orifices. Dans les applications ingénieuses ultérieures par lots, la protection et le nettoyage des cavités et des petits orifices seront particulièrement importants, et il sera nécessaire de continuer à chercher des moyens plus appropriés pour empêcher l'entrée de copeaux et d'impuretés.

3.3 Résultats des tests

En mesurant le profil de l'extrémité de la lame de turbine réparée, comme le montre la figure 9, la forme répond aux exigences de la technologie de processus. À l'inspection visuelle, on peut constater que la zone de réparation de la lame et le profil d'origine sont transitions de manière fluide après polissage adaptatif, comme le montre la figure 10. L'épaisseur des parois des cavités intérieure et extérieure est conforme, la rugosité de surface est inférieure à Ra0,8 μm, et les autres indicateurs techniques répondent aux exigences du processus. Par inspection fluorescente, il a été confirmé que le processus de usinage n'a pas causé de nouvelles fissures ni d'autres défauts.

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