Tecnologia e attrezzature per lavorazioni meccaniche di precisione per pale a pareti sottili, di forma speciale e complesse di motori aeronautici

Come componente chiave per ottenere le prestazioni dei motori aeronautici, le pale hanno caratteristiche tipiche come pareti sottili, forme speciali, strutture complesse, materiali difficili da lavorare e requisiti elevati per la precisione di lavorazione e la qualità della superficie. Come ottenere una lavorazione precisa ed efficiente delle pale è una sfida importante nell'attuale campo della produzione di motori aeronautici. Attraverso l'analisi dei fattori chiave che influenzano la precisione della lavorazione delle pale, lo stato attuale della ricerca sulla tecnologia e sulle attrezzature di lavorazione di precisione delle pale viene riassunto in modo completo e viene prospettato il trend di sviluppo della tecnologia di lavorazione delle pale dei motori aeronautici.

Nell'industria aerospaziale, le parti a parete sottile leggere e ad alta resistenza sono ampiamente utilizzate e sono componenti chiave per ottenere le prestazioni di apparecchiature importanti come i motori degli aeromobili [1]. Ad esempio, le pale della ventola in lega di titanio dei motori degli aeromobili con rapporto di bypass elevato (vedere Figura 1) possono essere lunghe fino a 1 metro, con profili di pala complessi e strutture di piattaforma di smorzamento, e lo spessore della parte più sottile è di soli 1.2 mm, che è una tipica parte speciale a parete sottile di grandi dimensioni di forma [2]. Come una tipica parte speciale a parete sottile di debole rigidità, la pala è soggetta a deformazione di lavorazione e vibrazioni durante la lavorazione [3]. Questi problemi influenzano seriamente la precisione di lavorazione e la qualità della superficie della pala.

Le prestazioni del motore dipendono in larga misura dal livello di fabbricazione delle pale. Durante il funzionamento del motore, le pale devono funzionare stabilmente in ambienti operativi estremi come alte temperature e alte pressioni. Ciò richiede che il materiale della pala abbia una buona resistenza, resistenza alla fatica e resistenza alla corrosione ad alta temperatura e garantisca stabilità strutturale [2]. Di solito, per le pale dei motori aeronautici vengono utilizzate leghe di titanio o leghe ad alta temperatura. Tuttavia, le leghe di titanio e le leghe ad alta temperatura hanno una scarsa lavorabilità. Durante il processo di taglio, la forza di taglio è elevata e l'utensile si usura rapidamente. Con l'aumentare dell'usura dell'utensile, la forza di taglio aumenterà ulteriormente, con conseguente deformazione e vibrazione della lavorazione più gravi, con conseguente bassa precisione dimensionale e scarsa qualità superficiale delle parti. Per soddisfare i requisiti di prestazioni di servizio del motore in condizioni di lavoro estreme, la precisione della lavorazione e la qualità superficiale delle pale sono estremamente elevate. Prendendo come esempio le pale della ventola in lega di titanio utilizzate in un motore turbofan ad alto rapporto di bypass prodotto a livello nazionale, la lunghezza totale della pala è di 681 mm, mentre lo spessore è inferiore a 6 mm. Il requisito del profilo è compreso tra -0.12 e +0.03 mm, la precisione dimensionale dei bordi di ingresso e di scarico è compresa tra -0.05 e +0.06 mm, l'errore di torsione della sezione della lama è compreso ±10'e il valore di rugosità superficiale Ra è migliore di 0.4μm. Ciò richiede solitamente una lavorazione di precisione su una macchina utensile CNC a cinque assi. Tuttavia, a causa della debole rigidità della lama, della struttura complessa e dei materiali difficili da lavorare, per garantire la precisione e la qualità della lavorazione, il personale di processo deve regolare i parametri di taglio più volte durante il processo di lavorazione, il che limita seriamente le prestazioni del centro di lavorazione CNC e causa un enorme spreco di efficienza [4]. Pertanto, con il rapido sviluppo della tecnologia di lavorazione CNC, come ottenere il controllo della deformazione e la soppressione delle vibrazioni per la lavorazione di parti a pareti sottili e dare pieno gioco alle capacità di lavorazione dei centri di lavorazione CNC è diventata un'esigenza urgente per le aziende manifatturiere avanzate.

La ricerca sulla tecnologia di controllo della deformazione di parti rigide deboli a parete sottile ha attirato l'attenzione di ingegneri e ricercatori per molto tempo. Nella pratica di produzione iniziale, le persone spesso utilizzano la strategia della linea di galleggiamento di fresatura alternata su entrambi i lati delle strutture a parete sottile, che può facilmente ridurre gli effetti negativi della deformazione e delle vibrazioni sulla precisione dimensionale in una certa misura. Inoltre, esiste anche un modo per migliorare la rigidità di lavorazione impostando strutture sacrificali prefabbricate come nervature di rinforzo.

Tecnologia di taglio per materiali difficili da tagliare

Per soddisfare i requisiti di servizio stabile in ambienti ad alta temperatura e alta pressione, i materiali comunemente utilizzati per le pale dei motori aeronautici sono leghe di titanio o leghe ad alta temperatura. Negli ultimi anni, anche i composti intermetallici titanio-alluminio sono diventati un materiale per pale con un grande potenziale applicativo. Le leghe di titanio hanno le caratteristiche di bassa conduttività termica, bassa plasticità, basso modulo elastico e forte affinità, il che le rende soggette a problemi quali grande forza di taglio, alta temperatura di taglio, grave incrudimento e grande usura degli utensili durante il taglio. Sono tipici materiali difficili da tagliare (morfologia della microstruttura, vedere Figura 2a) [7]. Le caratteristiche principali delle leghe ad alta temperatura sono elevata plasticità e resistenza, scarsa conduttività termica e una grande quantità di soluzione solida densa all'interno [8]. La deformazione plastica durante il taglio provoca una grave distorsione del reticolo, elevata resistenza alla deformazione, grande forza di taglio e grave fenomeno di incrudimento a freddo, che sono anche tipici materiali difficili da tagliare (morfologia della microstruttura, vedere Figura 2b). Pertanto, è molto importante sviluppare una tecnologia di taglio efficiente e precisa per materiali difficili da tagliare come leghe di titanio e leghe ad alta temperatura. Per ottenere una lavorazione efficiente e precisa di materiali difficili da tagliare, studiosi nazionali e stranieri hanno condotto ricerche approfondite dal punto di vista di metodi di taglio innovativi, materiali di utensili di lavorazione ottimali e parametri di taglio ottimizzati.

2.1 Innovazione dei metodi di lavorazione del taglio

In termini di ricerca e sviluppo innovativi di metodi di taglio, gli studiosi hanno introdotto mezzi ausiliari come il riscaldamento laser e il raffreddamento criogenico per migliorare la lavorabilità dei materiali e ottenere un taglio efficiente. Il principio di funzionamento della lavorazione assistita dal riscaldamento laser [9] (vedere Figura 3a) è quello di focalizzare un raggio laser ad alta potenza sulla superficie del pezzo in lavorazione davanti al tagliente, ammorbidire il materiale mediante riscaldamento locale del raggio, ridurre la resistenza allo snervamento del materiale, riducendo così la forza di taglio e l'usura dell'utensile e migliorando la qualità e l'efficienza del taglio. La lavorazione assistita dal raffreddamento criogenico [10] (vedere Figura 3b) utilizza azoto liquido, gas di anidride carbonica ad alta pressione e altri mezzi di raffreddamento da spruzzare sulla parte di taglio per raffreddare il processo di taglio, evitare il problema dell'eccessiva temperatura di taglio locale causata dalla scarsa conduttività termica del materiale e rendere il pezzo in lavorazione localmente freddo e fragile, migliorando così l'effetto di rottura del truciolo. La società Nuclear AMRC nel Regno Unito ha utilizzato con successo gas di anidride carbonica ad alta pressione per raffreddare il processo di lavorazione della lega di titanio. Rispetto allo stato di taglio a secco, l'analisi mostra che la lavorazione assistita dal raffreddamento criogenico non solo può ridurre la forza di taglio e migliorare la qualità della superficie di taglio, ma anche ridurre efficacemente l'usura dell'utensile e aumentarne la durata utile. Inoltre, la lavorazione assistita da vibrazioni ultrasoniche [11, 12] (vedere Figura 3c) è anche un metodo efficace per il taglio efficiente di materiali difficili da lavorare. Applicando vibrazioni ad alta frequenza e piccola ampiezza all'utensile, si ottiene una separazione intermittente tra l'utensile e il pezzo durante il processo di lavorazione, che modifica il meccanismo di rimozione del materiale, migliora la stabilità del taglio dinamico, evita efficacemente l'attrito tra l'utensile e la superficie lavorata, riduce la temperatura di taglio e la forza di taglio, riduce i valori di rugosità superficiale e riduce l'usura dell'utensile. I suoi eccellenti effetti di processo hanno ricevuto ampia attenzione.

2.2 Selezione dei materiali degli utensili

Per materiali difficili da tagliare come le leghe di titanio, l'ottimizzazione dei materiali degli utensili può migliorare efficacemente i risultati di taglio [8, 13]. Gli studi hanno dimostrato che per la lavorazione delle leghe di titanio, è possibile selezionare utensili diversi in base alla velocità di lavorazione. Per il taglio a bassa velocità, viene utilizzato acciaio rapido ad alto contenuto di cobalto, per il taglio a media velocità, vengono utilizzati utensili in carburo cementato con rivestimento in ossido di alluminio e per il taglio ad alta velocità, vengono utilizzati utensili in nitruro di boro cubico (CBN); per la lavorazione delle leghe ad alta temperatura, devono essere utilizzati utensili in acciaio rapido ad alto contenuto di vanadio o carburo cementato YG con elevata durezza e buona resistenza all'usura.

2.3 Parametri di taglio ottimali

Anche i parametri di taglio sono un fattore importante che influenza l'effetto di lavorazione. L'utilizzo di parametri di taglio appropriati per i materiali corrispondenti può migliorare efficacemente la qualità e l'efficienza della lavorazione. Prendendo come esempio il parametro della velocità di taglio, una bassa velocità di taglio può facilmente formare un'area di bordo ricoperta sulla superficie del materiale, riducendo la precisione della lavorazione della superficie; un'elevata velocità di taglio può facilmente causare accumulo di calore, causando ustioni al pezzo e all'utensile. A questo proposito, il team del professor Zhai Yuansheng presso l'Università di scienza e tecnologia di Harbin ha analizzato le proprietà meccaniche e fisiche dei materiali difficili da lavorare comunemente utilizzati e ha riassunto una tabella consigliata di velocità di taglio per materiali difficili da lavorare attraverso esperimenti di lavorazione ortogonale [14] (vedere Tabella 1). L'utilizzo degli utensili e delle velocità di taglio consigliati nella tabella per la lavorazione può ridurre efficacemente i difetti di lavorazione e l'usura degli utensili e migliorare la qualità della lavorazione.

3 Tecnologia di lavorazione CNC di precisione per superfici di pale complesse

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo dell'industria aeronautica e la crescente domanda del mercato, i requisiti per una lavorazione efficiente e precisa delle pale a parete sottile sono aumentati sempre di più e la domanda di una tecnologia di controllo della deformazione ad alta precisione è diventata più urgente. Nel contesto della tecnologia di produzione intelligente, la combinazione della moderna tecnologia informatica elettronica per ottenere un controllo intelligente della deformazione e delle vibrazioni della lavorazione delle pale dei motori degli aeromobili è diventata un argomento caldo per molti ricercatori. L'introduzione di sistemi CNC intelligenti nella lavorazione di precisione di superfici curve complesse delle pale e la compensazione attiva degli errori nel processo di lavorazione basati su sistemi CNC intelligenti possono sopprimere efficacemente la deformazione e le vibrazioni.

Per la compensazione attiva degli errori nel processo di lavorazione, al fine di ottenere l'ottimizzazione e il controllo dei parametri di lavorazione come il percorso utensile, è necessario prima ottenere l'influenza dei parametri di processo sulla deformazione e sulle vibrazioni della lavorazione. Esistono due metodi comunemente utilizzati: uno è quello di analizzare e ragionare sui risultati di ogni passaggio dell'utensile attraverso la misurazione sulla macchina e l'analisi degli errori [15]; l'altro è quello di stabilire un modello di previsione per la deformazione e le vibrazioni della lavorazione attraverso metodi come l'analisi dinamica [16], la modellazione degli elementi finiti [17], gli esperimenti [18] e le reti neurali [19] (vedere Figura 4).

Sulla base del modello di previsione di cui sopra o della tecnologia di misurazione su macchina, le persone possono ottimizzare e persino controllare i parametri di lavorazione in tempo reale. La direzione principale è quella di compensare gli errori causati da deformazione e vibrazione ripianificando il percorso dell'utensile. Il metodo comunemente utilizzato in questa direzione è il "metodo di compensazione dello specchio" [20] (vedere Figura 5). Questo metodo compensa la deformazione di un singolo taglio correggendo la traiettoria nominale dell'utensile. Tuttavia, una singola compensazione produrrà una nuova deformazione di lavorazione. Pertanto, è necessario stabilire una relazione iterativa tra la forza di taglio e la deformazione di lavorazione attraverso più compensazioni per correggere la deformazione una per una. Oltre al metodo di compensazione attiva degli errori basato sulla pianificazione del percorso dell'utensile, molti studiosi stanno anche studiando come controllare la deformazione e la vibrazione ottimizzando e controllando i parametri di taglio e i parametri dell'utensile. Per il taglio di un certo tipo di pala del motore di un aereo, i parametri di lavorazione sono stati modificati per più round di test ortogonali. Sulla base dei dati del test, è stata analizzata l'influenza di ciascun parametro di taglio e parametro dell'utensile sulla deformazione della lavorazione della pala e sulla risposta alle vibrazioni [21-23]. È stato elaborato un modello di previsione empirico per ottimizzare i parametri di lavorazione, ridurre efficacemente la deformazione durante la lavorazione e sopprimere le vibrazioni di taglio.

Sulla base dei modelli e dei metodi di cui sopra, molte aziende hanno sviluppato o migliorato i sistemi CNC dei centri di lavorazione CNC per ottenere un controllo adattivo in tempo reale dei parametri di lavorazione delle parti a parete sottile. Il sistema di fresatura ottimale dell'azienda israeliana OMAT [24] è un tipico rappresentante in questo campo. Regola principalmente la velocità di avanzamento tramite tecnologia adattiva per raggiungere lo scopo della fresatura a forza costante e realizzare un'elaborazione ad alta efficienza e alta qualità di prodotti complessi. Inoltre, Beijing Jingdiao ha anche applicato una tecnologia simile nel classico caso tecnico del completamento dell'incisione del modello di superficie del guscio d'uovo tramite compensazione adattiva della misurazione sulla macchina [25]. THERRIEN di GE negli Stati Uniti [26] ha proposto un metodo di correzione in tempo reale per i codici di lavorazione CNC durante la lavorazione, che ha fornito un mezzo tecnico di base per la lavorazione adattiva e il controllo in tempo reale di complesse lame a parete sottile. Il sistema di riparazione automatizzato dell'Unione Europea per i componenti delle turbine dei motori degli aeromobili (AROSATEC) realizza una fresatura di precisione adattiva dopo che la pala è stata riparata tramite produzione additiva ed è stato applicato alla produzione di riparazione delle pale della società tedesca MTU e della società irlandese SIFCO [27].

4. Miglioramento della rigidità di lavorazione basata su apparecchiature di processo intelligenti

L'utilizzo di apparecchiature di processo intelligenti per migliorare la rigidità del sistema di processo e migliorare le caratteristiche di smorzamento è anche un modo efficace per sopprimere la deformazione e la vibrazione della lavorazione delle pale a parete sottile, migliorare la precisione della lavorazione e migliorare la qualità della superficie. Negli ultimi anni, un gran numero di diverse apparecchiature di processo sono state utilizzate nella lavorazione di vari tipi di pale per motori aeronautici [28]. Poiché le pale per motori aeronautici hanno generalmente caratteristiche strutturali a parete sottile e irregolari, una piccola area di serraggio e posizionamento, bassa rigidità di lavorazione e deformazione locale sotto l'azione dei carichi di taglio, le apparecchiature di lavorazione delle pale di solito applicano un supporto ausiliario al pezzo in lavorazione sulla base del soddisfacimento del principio di posizionamento a sei punti [29] per ottimizzare la rigidità del sistema di processo e sopprimere la deformazione di lavorazione. Le superfici curve a parete sottile e irregolari presentano due requisiti per il posizionamento e il serraggio degli utensili: in primo luogo, la forza di serraggio o la forza di contatto degli utensili deve essere distribuita il più uniformemente possibile sulla superficie curva per evitare gravi deformazioni locali del pezzo in lavorazione sotto l'azione della forza di serraggio; in secondo luogo, gli elementi di posizionamento, serraggio e supporto ausiliario dell'utensile devono adattarsi meglio alla complessa superficie curva del pezzo in lavorazione per generare una forza di contatto superficiale uniforme in ogni punto di contatto. In risposta a questi due requisiti, gli studiosi hanno proposto un sistema di utensili flessibili. I sistemi di utensili flessibili possono essere suddivisi in utensili flessibili a cambiamento di fase e utensili flessibili adattivi. Gli utensili flessibili a cambiamento di fase sfruttano i cambiamenti di rigidità e smorzamento prima e dopo il cambiamento di fase del fluido: il fluido nella fase liquida o fase mobile ha bassa rigidità e smorzamento e può adattarsi alla complessa superficie curva del pezzo in lavorazione a bassa pressione. Successivamente, il fluido viene trasformato in una fase solida o consolidato da forze esterne come elettricità/magnetismo/calore e la rigidità e lo smorzamento vengono notevolmente migliorati, fornendo così un supporto uniforme e flessibile per il pezzo in lavorazione e sopprimendo deformazione e vibrazione.

L'attrezzatura di processo nella tecnologia di lavorazione tradizionale delle pale dei motori aeronautici consiste nell'utilizzare materiali a cambiamento di fase come leghe a basso punto di fusione per riempire il supporto ausiliario. Vale a dire, dopo che il pezzo grezzo è posizionato e bloccato in sei punti, il riferimento di posizionamento del pezzo viene fuso in un blocco di fusione attraverso la lega a basso punto di fusione per fornire supporto ausiliario al pezzo, e il posizionamento del punto complesso viene convertito in un posizionamento di superficie regolare, quindi viene eseguita la lavorazione di precisione della parte da lavorare (vedere Figura 6). Questo metodo di processo presenta evidenti difetti: la conversione del riferimento di posizionamento porta a una diminuzione della precisione di posizionamento; la preparazione della produzione è complicata e la fusione e la fusione della lega a basso punto di fusione comportano anche problemi di residui e pulizia sulla superficie del pezzo. Allo stesso tempo, anche le condizioni di fusione e fusione sono relativamente scarse [30]. Per risolvere i difetti di processo di cui sopra, un metodo comune è quello di introdurre una struttura di supporto multi-punto combinata con un materiale a cambiamento di fase [31]. L'estremità superiore della struttura di supporto entra in contatto con il pezzo per il posizionamento e l'estremità inferiore è immersa nella camera della lega a basso punto di fusione. Il supporto ausiliario flessibile è ottenuto in base alle caratteristiche di cambiamento di fase della lega a basso punto di fusione. Sebbene l'introduzione di una struttura di supporto possa evitare difetti superficiali causati dalle leghe a basso punto di fusione a contatto con le lame, a causa delle limitazioni di prestazioni dei materiali a cambiamento di fase, gli utensili flessibili a cambiamento di fase non possono soddisfare simultaneamente i due requisiti principali di elevata rigidità e elevata velocità di risposta, ed è difficile da applicare alla produzione automatizzata ad alta efficienza.

Per risolvere gli svantaggi degli utensili flessibili a cambiamento di fase, molti studiosi hanno incorporato il concetto di adattamento nella ricerca e nello sviluppo di utensili flessibili. Gli utensili flessibili adattivi possono adattarsi in modo adattivo a forme di lama complesse e possibili errori di forma tramite sistemi elettromeccanici. Per garantire che la forza di contatto sia distribuita uniformemente sull'intera lama, gli utensili solitamente utilizzano supporti ausiliari multi-punto per formare una matrice di supporto. Il team di Wang Hui presso la Tsinghua University ha proposto un'attrezzatura di processo di supporto ausiliario flessibile multi-punto adatta per la lavorazione di lame di forma quasi netta [32, 33] (vedere Figura 7). Gli utensili utilizzano più elementi di serraggio di materiale flessibile per aiutare a supportare la superficie della lama di forma quasi netta, aumentando l'area di contatto di ​​ogni area di contatto e assicurando che la forza di serraggio sia distribuita uniformemente su ogni parte di contatto e sull'intera lama, migliorando così la rigidità del sistema di processo e prevenendo efficacemente la deformazione locale della lama. L'utensile ha più gradi di libertà passivi, che possono adattarsi in modo adattivo alla forma della lama e al suo errore evitando al contempo il sovra-posizionamento. Oltre a ottenere un supporto adattivo tramite materiali flessibili, il principio dell'induzione elettromagnetica viene applicato anche alla ricerca e allo sviluppo di utensili flessibili adattivi. Il team di Yang Yiqing presso l'Università di aeronautica e astronautica di Pechino ha inventato un dispositivo di supporto ausiliario basato sul principio dell'induzione elettromagnetica [34]. L'utensile utilizza un supporto ausiliario flessibile eccitato da un segnale elettromagnetico, che può modificare le caratteristiche di smorzamento del sistema di processo. Durante il processo di serraggio, il supporto ausiliario si adatta in modo adattivo alla forma del pezzo sotto l'azione di un magnete permanente. Durante la lavorazione, la vibrazione generata dal pezzo in lavorazione verrà trasmessa al supporto ausiliario e la forza elettromagnetica inversa verrà eccitata secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, sopprimendo così la vibrazione della lavorazione del pezzo in lavorazione con pareti sottili.

Attualmente, nel processo di progettazione delle apparecchiature di processo, l'analisi degli elementi finiti, l'algoritmo genetico e altri metodi sono generalmente utilizzati per ottimizzare il layout dei supporti ausiliari multi-punto [35]. Tuttavia, il risultato dell'ottimizzazione può solitamente garantire solo che la deformazione di lavorazione in un punto sia ridotta al minimo e non può garantire che lo stesso effetto di soppressione della deformazione possa essere ottenuto in altre parti di lavorazione. Nel processo di lavorazione della lama, una serie di passaggi dell'utensile vengono solitamente eseguiti sul pezzo in lavorazione sulla stessa macchina utensile, ma i requisiti di serraggio per la lavorazione di parti diverse sono diversi e possono persino variare nel tempo. Per il metodo di supporto multi-punto statico, se la rigidità del sistema di processo viene migliorata aumentando il numero di supporti ausiliari, da un lato, la massa e il volume dell'utensile aumenteranno e, dall'altro, lo spazio di movimento dell'utensile verrà compresso. Se la posizione del supporto ausiliario viene reimpostata durante la lavorazione di parti diverse, il processo di lavorazione verrà inevitabilmente interrotto e l'efficienza di lavorazione verrà ridotta. Pertanto, è stata proposta un'attrezzatura di processo di follow-up [36-38] che regola automaticamente il layout di supporto e la forza di supporto online in base al processo di elaborazione. L'attrezzatura di processo di follow-up (vedere Figura 8) può ottenere un supporto dinamico tramite la cooperazione coordinata dell'utensile e dell'utensileria in base alla traiettoria dell'utensile e alle modifiche delle condizioni di lavoro del processo di taglio variabile nel tempo prima che inizi qualsiasi procedura di elaborazione: prima spostare il supporto ausiliario in una posizione che aiuti a sopprimere la deformazione di elaborazione corrente, in modo che l'area di elaborazione di il pezzo in lavorazione viene supportato attivamente, mentre le altre parti del pezzo rimangono in posizione con il minor contatto possibile, soddisfacendo così i requisiti di serraggio variabili nel tempo durante il processo di lavorazione.

Per migliorare ulteriormente la capacità di supporto dinamico adattivo delle apparecchiature di processo, soddisfare i requisiti di serraggio più complessi nel processo di lavorazione e migliorare la qualità e l'efficienza della produzione di lavorazione delle lame, il supporto ausiliario successivo viene ampliato in un gruppo formato da più supporti ausiliari dinamici. Ogni supporto ausiliario dinamico è necessario per coordinare le azioni e ricostruire automaticamente e rapidamente il contatto tra il gruppo di supporto e il pezzo in base alle esigenze variabili nel tempo del processo di produzione. Il processo di ricostruzione non interferisce con il posizionamento dell'intero pezzo e non provoca spostamenti o vibrazioni locali. L'apparecchiatura di processo basata su questo concetto è chiamata gruppo di fissaggio auto-riconfigurabile [39], che presenta i vantaggi di flessibilità, riconfigurabilità e autonomia. Il dispositivo di fissaggio del gruppo auto-riconfigurabile può allocare più supporti ausiliari in diverse posizioni sulla superficie supportata in base ai requisiti del processo di produzione e può adattarsi a pezzi di forma complessa con un'ampia area, garantendo al contempo sufficiente rigidità ed eliminando i supporti ridondanti. Il metodo di funzionamento del dispositivo è che il controller invia istruzioni in base al programma programmato e la base mobile porta l'elemento di supporto nella posizione di destinazione in base alle istruzioni. L'elemento di supporto si adatta alla forma geometrica locale del pezzo in lavorazione per ottenere un supporto flessibile. Le caratteristiche dinamiche (rigidità e smorzamento) dell'area di contatto tra un singolo elemento di supporto e il pezzo in lavorazione locale possono essere controllate modificando i parametri dell'elemento di supporto (ad esempio, l'elemento di supporto idraulico può solitamente modificare la pressione idraulica in ingresso per modificare le caratteristiche di contatto). Le caratteristiche dinamiche del sistema di processo sono formate dall'accoppiamento delle caratteristiche dinamiche dell'area di contatto tra più elementi di supporto e il pezzo in lavorazione e sono correlate ai parametri di ciascun elemento di supporto e alla disposizione del gruppo di elementi di supporto. La progettazione dello schema di ricostruzione del supporto multi-punto del gruppo di fissaggio auto-riconfigurabile deve tenere in considerazione i seguenti tre aspetti: adattamento alla forma geometrica del pezzo, rapido riposizionamento degli elementi di supporto e cooperazione coordinata di più punti di supporto [40]. Pertanto, quando si utilizza il dispositivo di fissaggio di gruppo auto-riconfigurabile, è necessario utilizzare la forma del pezzo, le caratteristiche del carico e le condizioni al contorno intrinseche come input per risolvere il layout del supporto multi-punto e i parametri di supporto in diverse condizioni di elaborazione, pianificare il percorso di movimento del supporto multi-punto, generare il codice di controllo dai risultati della soluzione e importarlo nel controller. Attualmente, studiosi nazionali e stranieri hanno condotto alcune ricerche e tentativi su dispositivi di gruppo auto-riconfigurabili. Nei paesi stranieri, il progetto UE SwarmItFIX ha sviluppato un nuovo sistema di fissaggio auto-riconfigurabile altamente adattabile [41], che utilizza un set di supporti ausiliari mobili per muoversi liberamente sul banco di lavoro e riposizionarsi in tempo reale per supportare al meglio le parti lavorate. Il prototipo del sistema SwarmItFIX è stato implementato in questo progetto (vedere Figura 9a) e testato presso il sito di un produttore di aeromobili italiano. In Cina, il team di Wang Hui presso l'Università di Tsinghua ha sviluppato un banco di lavoro con supporto di serraggio a quattro punti che può essere controllato in coordinamento con una macchina utensile [42] (vedere Figura 9b). Questo banco da lavoro può supportare il tenone a sbalzo ed evitare automaticamente l'utensile durante la lavorazione fine del tenone di una pala di turbina.

5 Discussione sulle tendenze di sviluppo future

5.1 Nuovi materiali

Poiché i requisiti di progettazione del rapporto spinta-peso dei motori aeronautici continuano ad aumentare, il numero di parti viene gradualmente ridotto e il livello di stress delle parti diventa sempre più elevato. Le prestazioni dei due principali materiali strutturali tradizionali ad alta temperatura hanno raggiunto il loro limite. Negli ultimi anni, nuovi materiali per le pale dei motori aeronautici si sono sviluppati rapidamente e sempre più materiali ad alte prestazioni vengono utilizzati per realizzare pale a parete sottile. Tra questi, γ-La lega TiAl[43] ha eccellenti proprietà come elevata resistenza specifica, resistenza alle alte temperature e buona resistenza all'ossidazione. Allo stesso tempo, la sua densità è di 3.9 g/cm3, che è solo la metà di quella delle leghe ad alta temperatura. In futuro, ha un grande potenziale come lama nell'intervallo di temperatura di 700-800℃. Sebbene γ- La lega TiAl ha eccellenti proprietà meccaniche, la sua elevata durezza, la bassa conduttività termica, la bassa tenacità alla frattura e l'elevata fragilità portano a una scarsa integrità superficiale e a una bassa precisione di γ-Materiale in lega TiAl durante il taglio, che influisce seriamente sulla durata di vita delle parti. Pertanto, la ricerca di elaborazione di γ-La lega TiAl ha un importante valore e significato teorico e rappresenta un'importante direzione di ricerca nell'attuale tecnologia di lavorazione delle lame.

5.2 Elaborazione adattiva variabile nel tempo

Le pale dei motori aeronautici hanno superfici curve complesse e richiedono un'elevata precisione della forma. Attualmente, la loro lavorazione di precisione utilizza principalmente metodi di lavorazione geometrica adattiva basati sulla pianificazione del percorso e sulla ricostruzione del modello. Questo metodo può ridurre efficacemente l'impatto degli errori causati dal posizionamento, dal serraggio, ecc. sulla precisione della lavorazione della lama. Influenza. Tuttavia, a causa dello spessore irregolare del grezzo della lama di forgiatura a matrice, la profondità di taglio in diverse aree dell'utensile è diversa durante il processo di taglio in base al percorso pianificato, il che apporta fattori incerti al processo di taglio e influisce sulla stabilità della lavorazione. In futuro, durante il processo di lavorazione adattiva CNC, le modifiche effettive dello stato di lavorazione dovrebbero essere tracciate meglio [44], migliorando così significativamente la precisione di lavorazione di superfici curve complesse e formando un metodo di lavorazione adattiva di controllo variabile nel tempo che regola i parametri di taglio in base ai dati di feedback in tempo reale.

5.3 Attrezzature di processo intelligenti

Essendo il tipo più grande di parti nel motore, l'efficienza di produzione delle pale influisce direttamente sull'efficienza di produzione complessiva del motore e la qualità di produzione delle pale influisce direttamente sulle prestazioni e sulla durata del motore. Pertanto, la lavorazione di precisione intelligente delle pale è diventata la direzione di sviluppo della produzione di pale del motore nel mondo odierno. La ricerca e lo sviluppo di macchine utensili e apparecchiature di processo sono la chiave per realizzare una lavorazione intelligente delle pale. Con lo sviluppo della tecnologia CNC, il livello di intelligenza delle macchine utensili è migliorato rapidamente e la capacità di elaborazione e produzione è stata notevolmente potenziata. Pertanto, la ricerca e lo sviluppo e l'innovazione di apparecchiature di processo intelligenti sono un'importante direzione di sviluppo per una lavorazione efficiente e precisa di pale a parete sottile. Le macchine utensili CNC altamente intelligenti sono combinate con apparecchiature di processo per formare un sistema di lavorazione delle pale intelligente (vedere Figura 10), che realizza una lavorazione CNC ad alta precisione, alta efficienza e adattiva di pale a parete sottile.