Ricerca e applicazione della tecnologia di fresatura adattiva per la riparazione dei danni alle punte delle pale del turbine del motore aereo

La riparazione di pale di turbine danneggiate riveste un'importanza fondamentale per la manutenzione e l'allungamento della vita dei motori aerei. In questo articolo si esamina il progresso delle ricerche sulla tecnologia di riparazione di una determinata pala lavorativa in lega ausiliaria a base di nichel, concentrandosi sul metodo di riparazione con fresatura adattiva alla punta della pala, ed esponendo in modo approfondito il processo sperimentale di lavorazione e i risultati di verifica, guardando inoltre alle prospettive di sviluppo della tecnologia di riparazione delle pale di turbine.

Il motore aeronautico è il nucleo di potenza dell'aereo. Tra i vari componenti del motore aeronautico, la missione funzionale e le caratteristiche operative delle pale del turbine determinano che esse siano una delle parti rotanti con lo stress peggiore e il carico maggiore nel motore aeronautico, il che causa inoltre i malfunzionamenti e i danni comuni alle pale del turbine. Tra essi, il malfunzionamento per crepe ha la probabilità di verificarsi più alta e il danno maggiore, principalmente crepe da fatica causate dalla forza centrifuga sovrapposta allo stress flessionale, crepe da fatica vibrante causate dall'ambiente di vibrazione e crepe da fatica ad alta temperatura causate dal danno corrosivo provocato dagli agenti ambientali. Allo stato attuale, al fine di ridurre il costo dell'uso del motore, il rimanufacturing e la riparazione delle pale del turbine danneggiate rivestono un grande significato.

Tra le tecnologie chiave per la riparazione delle pale turbine, la tecnologia di elaborazione adattiva ha attirato l'attenzione di molti ricercatori come mezzo efficace per ottenere un sovrapposizione liscia dei bordi danneggiati e una formazione ad alta precisione delle aree riparate. TTL, una società britannica, ottiene informazioni sulle linee di sezione delle pale attraverso metodi di misura a contatto e utilizza le informazioni sul profilo della linea di sezione misurata per completare la ricostruzione del modello dell'area di usura della punta spostandosi lungo la direzione Z, generando codici di lavorazione per rimuovere il strato di rivestimento. Delcam, un'altra società britannica, ha proposto un metodo di ricostruzione del modello per la riparazione della punta delle pale turbine tramite misurazione in macchina, riducendo il problema dell'accumulo degli errori di posizionamento attraverso la misurazione in macchina; due dati di sezione vicino al rivestimento sono stati ottenuti tramite misura a contatto, e il modello geometrico da riparare della punta usurata della pala a grana retta è stato calcolato, al fine di completare l'intero processo di riparazione tramite levigatura. Basandosi sulla teoria dei sistemi grigi, Ding Huapeng ha previsto la curva e lo spessore del profilo della pala nell'area danneggiata, quindi ha ricostruito il modello completo della pala e successivamente ha ottenuto il modello di difetto di riparazione attraverso la differenza booleana, raggiungendo così un certo effetto di riparazione. Hou F et al. hanno proposto un metodo di riparazione adattivo per il corpo della pala, che include la modellazione della superficie di saldatura e la modellazione ottimizzata della superficie di riparazione target, e infine hanno utilizzato la simulazione per dimostrare l'efficacia del metodo di riparazione. Zhang X et al. hanno proposto uno schema di riparazione automatizzato per le aree danneggiate delle pale del motore, che viene formato direttamente tramite rivestimento materiale. Confrontato con i metodi tradizionali di riparazione, è innovativo in un certo senso, ma è difficile riparare pale turbine con superfici complesse.

La ricerca sopra citata mostra che la riparazione delle pale dei motori aerei è un argomento di attualità nel campo dell'aviazione, sia a livello nazionale che internazionale. Nel campo della lavorazione per la riparazione, l'attenzione si concentra sull'ottenimento di una sovrapposizione liscia tra l'area riparata e l'area non danneggiata, nonché sulla formazione ad alta precisione dopo la riparazione. Pertanto, basandosi sulla ricerca di riparazione sopracitata, questo articolo prende come esempio la pala del turbo compressore danneggiata per condurre ricerche sull'applicazione della tecnologia di lavorazione adattiva per la riparazione dei danni alla punta della pala, garantendo che l'area lavorata e l'area non lavorata della pala riparata possano ottenere una sovrapposizione di transizione liscia e che la superficie di riparazione complessiva soddisfi i requisiti di tolleranza finali della pala riparata.

1 Analisi della lavorabilità della riparazione dei danni alla punta della pala

La figura 1 mostra un difetto tipico di crepa alla punta di una lama del turbine. Su questa base, viene proposto un metodo per la rimanufacturing e la riparazione della punta danneggiata di una lama del turbine di un motore aeronautico. Viene stabilita una soluzione di rimanufacturing e riparazione, che include la rimozione della parte danneggiata della punta della lama - saldatura fusa e deposizione del materiale (come mostrato nella figura 2) - acquisizione del cloud di punti della lama - ricostruzione del modello digitale della lama - elaborazione adattiva della lama, per raggiungere la riparazione adattiva della precisione delle dimensioni geometriche della lama e il recupero delle prestazioni. La qualità e le prestazioni della lama riparata soddisfano i requisiti di progettazione e possono essere utilizzate per la riparazione in tempo reale sul sito di riparazione, fornendo una soluzione efficace per realizzare il trattamento di riparazione in serie dei componenti danneggiati dei motori aeronautici.

1.1 Analisi delle difficoltà del processo

A causa del problema di precisione nel casting, esistono differenze individuali tra la lama finita e il modello teorico di progettazione. La dimensione del contorno della lama viene formata nello stato nuovo e, dopo un ciclo di lavoro, produrrà deformazioni e difetti in gradi diversi. A causa della peculiarità dell'oggetto lavorato, se viene effettuata una riparazione e lavorazione in base alle dimensioni teoriche della carta di progettazione, verrà distrutta la precisione geometrica della lama originale. Se per ogni pezzo da lavorare è necessario rigenerare un insieme di codici di lavorazione in base al modello CAD, ciò influenzerà notevolmente l'intero ciclo di lavorazione del componente.

La punta della lama ha una struttura complessa, con un bossolo e una piattaforma di copertura posti a 2 o 3 mm sotto la punta della lama, e la larghezza minima del cucito posteriore dell'ala è solo di 0,5 mm. La lama è una struttura a cavità interna, e ci sono numerosi fori di film d'aria sulla superficie del corpo della lama. I trucioli penetrano facilmente nelle cavità interne e nei fori del film d'aria, rendendo difficoltosa la pulizia.

1.2 Principali requisiti tecnici

(1) Dopo che la punta è stata riparata, i contorni delle superfici curve interne ed esterne corrispondono al disegno progettato e sono connesse in modo fluido alla forma originale della base della lama.

(2) Lo spessore minimo delle pareti lungo la forma della lama all'estremità posteriore della punta è di 0,41 mm, e lo spessore minimo delle pareti lungo la forma della lama in altre parti è di 0,51 mm (come mostrato nella Figura 3).

(3) È garantita la dimensione dell'altezza della lama.

(4) La roughness non deve essere superiore a Ra0,8 μm.

(5) Non sono ammessi trucioli o altre impurità all'interno delle cavità interne e dei fori del film d'aria.

(6) L'area riparata viene ispezionata con fluorescenza per assicurarsi che non ci siano crepe, inclusioni, ecc., e l'ispezione viene eseguita in conformità con gli standard di ispezione al fluorescenza e gli standard di accettazione.

Tecnologia di lavorazione adattiva per la riparazione dei danni alla punta della lamina

Tenendo conto delle difficoltà nel processo di riparazione del bordo della lama del turbine, ovvero: la deformazione di ogni lama riparata non è uniforme, la posizione e l'angolo di fissaggio sono diversi, e la precisione del casting originale è problematica. Tali problemi pratici possono essere rilevati rapidamente online attraverso la tecnologia di elaborazione adattiva per ciascuna parte o componente da lavorare, permettendo di comprendere la forma e la distribuzione effettiva. Successivamente, il sistema ricostruisce il modello digitale target in coerenza con il progetto utilizzando i dati misurati, genera un percorso traiettoria personalizzato unico per soddisfare la fabbricazione del prodotto, e infine si conforma al progetto e all'oggetto reale. Il percorso della tecnologia di elaborazione adattiva è mostrato nella Figura 4.

2.2 Tecnologia di registrazione dei dati del modello CAD

A causa delle caratteristiche personalizzate del supporto dell'oggetto elaborato, il modello CAD ricostruito non dispone di un piano di riferimento regolare per trovare il suo sistema di coordinate, e è necessario utilizzare la tecnologia di registrazione per allineare il suo sistema di coordinate. I due insiemi di punti nello spazio sono il modello teorico X{xi} e le informazioni di misurazione P{pi} dell'oggetto elaborato. L'insieme di punti P viene ruotato e tradotto per minimizzare la distanza con l'insieme di punti X, e si stabilisce una relazione di trasformazione spaziale tra le informazioni di misurazione P{pi} e le informazioni del modello teorico X{xi}. La relazione di trasformazione spaziale include la matrice di rotazione R e la matrice di traslazione T. Successivamente, viene utilizzato il metodo di accoppiamento dei punti più vicini per trovare un punto in X che sia il più vicino a ciascun punto in P per accoppiarlo, formando un nuovo insieme di punti X', come mostrato nella Figura 5.

3 Verifica della tecnologia di lavorazione adattiva per la riparazione dei danni alla punta del pennone

Il sistema di lavorazione adattiva include software e hardware di lavorazione adattiva, come macchine utensili e strumenti di taglio. L'integrazione dei due è fondamentale per raggiungere infine la lavorazione adattiva. Nell'opera di riparazione di un certo tipo di lamina del turbine a pressione alta, il sistema di lavorazione adattiva è stato utilizzato per eseguire la riparazione delle lame, completando la riparazione e la verifica applicativa di diverse pale motore.

3.1 Passi del test

Passo 1: Dopo che l'area danneggiata della punta della lamina da riparare è stata riempita tramite rivestimento e saldatura superficiale, le informazioni di misurazione dell'area vicino alla punta della lamina danneggiata vengono ottenute tramite rilevamento in macchina.

Passo 2: Ottenere le informazioni del modello teorico prima della riparazione della punta della lamina.

Passo 3: Utilizzare la registrazione dei dati per stabilire la relazione di trasformazione spaziale tra le informazioni di misura e le informazioni del modello teorico (la relazione di trasformazione spaziale include rotazione e traslazione) e ottenere la correzione di rotazione e traslazione, cioè la quantità di rotazione e traslazione dopo il miglior fitting.

Passo 4: Generare il file CLSF della traiettoria di posizionamento dell'attrezzo di lavorazione in base alle informazioni del modello teorico e generare la posizione corretta dell'attrezzo e il vettore asse dell'attrezzo nel file CLSF in base alla correzione ottenuta nella direzione XYZ nel passo 3.

Passo 5: Lavorare e lucidare l'area danneggiata della punta della lamina della turbina utilizzando la traiettoria dell'attrezzo modificata, al fine di raggiungere il completo ripristino della precisione della punta della lamina.

Come mostrato nella Figura 6, viene utilizzata una sonda RMP40 e una palla dello stilo di φ6 mm per la misurazione online. Dodici punti di misura vengono ottenuti ottimizzando le due sezioni vicino al bordo superiore della lama. I file dei dati di misurazione generati possono essere trasmessi indietro al sistema software del computer, e il modello di lavorazione può essere generato automaticamente in UG basandosi sui dati di misurazione.

Il test ha utilizzato un centro di fresatura verticale a tre assi, e la lama è stata fissata verticalmente sul banco di lavoro tramite un pallet strumentale rapido, il che facilitava la precisione del riposizionamento durante la lavorazione e il successivo processo di elaborazione delle caratteristiche, come mostrato nella Figura 7.

Il file CLSF della traiettoria dello strumento di lavorazione generato è mostrato nella Figura 8.

3.2 Protezione della cavità interna e dei fori del film d'aria

Durante il test, è stato rispettato il requisito tecnico che non sono ammessi frammenti o altre impurità all'interno della cavità interna e dei fori del film d'aria. Durante il test di processo, la cavità interna e i multipli fori del film d'aria della lama sono stati protetti. Questo studio tecnico utilizza una colla funzionale per sigillare la cavità interna e i fori del film d'aria, proteggendo così i fori. Si è appreso che all'estero, durante la riparazione di tali lame, viene utilizzata una "colla multifunzione a base di resina epoxica" liquida per proteggere la cavità e i fori del film d'aria. Dopo il raffreddamento, si solidifica per ottenere un effetto protettivo. Quando viene riscaldato a temperature superiori a 100°C, si liquefa e diventa "cenere", che può essere rimossa con aria compressa o con pulizia ultrasonica. Non lascia residui nei piccoli fori. Nelle successive applicazioni ingegneristiche a livello di serie, la protezione e la pulizia delle cavità e dei piccoli fori sarà particolarmente importante, e sarà necessario continuare a cercare metodi più appropriati per prevenire l'ingresso di frammenti e impurità.

3.3 Risultati del test

Misurando il profilo della punta della lamina del turbine riparata, come mostrato nella Figura 9, la forma soddisfa i requisiti tecnologici del processo. Dall'ispezione visiva, è possibile vedere che l'area riparata della lamina e il profilo originale sono stati trasformati in modo uniforme dopo il lucidamento adattivo, come mostrato nella Figura 10. Lo spessore delle cavità interne ed esterne è qualificato, la roughness superficiale è inferiore a Ra0.8 μm e gli altri indicatori tecnici soddisfano i requisiti del processo. Attraverso l'ispezione fluorescenziale, il processo di lavorazione non ha causato nuove crepe o altre imperfezioni.

Contattaci

Grazie per il vostro interesse verso la nostra azienda! Come azienda professionale di produzione di componenti per turbine a gas, continueremo a impegnarci nell'innovazione tecnologica e nel miglioramento del servizio, per fornire soluzioni di alta qualità ai clienti di tutto il mondo. Se avete domande, suggerimenti o intenzioni di collaborazione, saremo lieti di aiutarvi. Potete contattarci nei seguenti modi:

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