Precisiebewerkingstechnologie en -apparatuur voor dunwandige, speciaal gevormde en complexe bladen van vliegtuigmotoren

Als een belangrijk onderdeel om de prestaties van vliegtuigmotoren te bereiken, hebben bladen typische kenmerken zoals dunwandig, speciaal gevormd, complexe structuren, moeilijk te verwerken materialen en hoge vereisten voor verwerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit. Hoe je nauwkeurige en efficiënte verwerking van bladen bereikt, is een grote uitdaging in het huidige veld van vliegtuigmotorproductie. Door de analyse van de belangrijkste factoren die de nauwkeurigheid van bladverwerking beïnvloeden, wordt de huidige status van onderzoek naar bladprecisieverwerkingstechnologie en -apparatuur uitgebreid samengevat en wordt de ontwikkelingstrend van vliegtuigmotorbladverwerkingstechnologie in kaart gebracht.

In de lucht- en ruimtevaartindustrie worden lichtgewicht, zeer sterke dunwandige onderdelen veel gebruikt en zijn ze belangrijke componenten voor het bereiken van de prestaties van belangrijke apparatuur zoals vliegtuigmotoren [1]. Bijvoorbeeld, de titaniumlegering ventilatorbladen van grote bypass ratio vliegtuigmotoren (zie Figuur 1) kunnen tot 1 meter lang zijn, met complexe bladprofielen en dempingsplatformstructuren, en de dikte van het dunste onderdeel is slechts 1.2 mm, wat een typisch groot dunwandig speciaal gevormd onderdeel is [2]. Als een typisch dunwandig speciaal gevormd zwak stijf onderdeel, is het blad gevoelig voor verwerkingsvervorming en trillingen tijdens de verwerking [3]. Deze problemen hebben ernstige gevolgen voor de verwerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit van het blad.

De prestaties van de motor zijn grotendeels afhankelijk van het productieniveau van de bladen. Tijdens de werking van de motor moeten de bladen stabiel werken onder extreme bedrijfsomstandigheden zoals hoge temperaturen en hoge druk. Dit vereist dat het bladmateriaal een goede sterkte, vermoeidheidsbestendigheid en corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen moet hebben en structurele stabiliteit moet garanderen [2]. Meestal worden titaniumlegeringen of hogetemperatuurlegeringen gebruikt voor vliegtuigmotorbladen. Titaniumlegeringen en hogetemperatuurlegeringen zijn echter slecht bewerkbaar. Tijdens het snijproces is de snijkracht groot en slijt het gereedschap snel. Naarmate de slijtage van het gereedschap toeneemt, zal de snijkracht verder toenemen, wat resulteert in ernstigere bewerkingsvervorming en trillingen, wat resulteert in een lage maatnauwkeurigheid en een slechte oppervlaktekwaliteit van onderdelen. Om te voldoen aan de serviceprestatievereisten van de motor onder extreme werkomstandigheden, zijn de bewerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit van de bladen extreem hoog. Als we de ventilatorbladen van titaniumlegering nemen die worden gebruikt in een in eigen land geproduceerde turbofanmotor met een hoge bypass-verhouding als voorbeeld, is de totale lengte van het blad 681 mm, terwijl de dikte minder dan 6 mm is. De profielvereiste is -0.12 tot +0.03 mm, de maatnauwkeurigheid van de inlaat- en uitlaatranden is -0.05 tot +0.06 mm, de torsiefout van het bladgedeelte ligt binnen ±10', en de oppervlakteruwheidswaarde Ra is beter dan 0.4μm. Dit vereist doorgaans precisiebewerking op een vijfassige CNC-machine. Vanwege de zwakke stijfheid van het blad, de complexe structuur en de moeilijk te verwerken materialen, moet het procespersoneel echter de snijparameters meerdere keren aanpassen tijdens het bewerkingsproces om de nauwkeurigheid en kwaliteit van de bewerking te garanderen, wat de prestaties van het CNC-bewerkingscentrum ernstig beperkt en enorme efficiëntieverspilling veroorzaakt [4]. Daarom is het met de snelle ontwikkeling van CNC-bewerkingstechnologie een dringende behoefte geworden voor geavanceerde productiebedrijven om vervormingscontrole en trillingsonderdrukking te bereiken voor het bewerken van dunwandige onderdelen en de bewerkingsmogelijkheden van CNC-bewerkingscentra volledig te benutten.

Het onderzoek naar deformatiecontroletechnologie van dunwandige, zwakke, stijve onderdelen heeft al lange tijd de aandacht getrokken van ingenieurs en onderzoekers. In de vroege productiepraktijk gebruiken mensen vaak de waterlijnstrategie van afwisselend frezen aan beide zijden van dunwandige structuren, wat de nadelige effecten van vervorming en trillingen op de maatnauwkeurigheid tot op zekere hoogte gemakkelijk kan verminderen. Daarnaast is er ook een manier om de verwerkingsstijfheid te verbeteren door geprefabriceerde opofferingsstructuren zoals verstevigingsribben in te stellen.

Snijtechnologie voor moeilijk te snijden materialen

Om te voldoen aan de eisen van stabiele service onder hoge temperaturen en hoge druk, zijn de meest gebruikte materialen voor vliegtuigmotorbladen titaniumlegeringen of hogetemperatuurlegeringen. De laatste jaren zijn titanium-aluminium intermetallische verbindingen ook een bladmateriaal geworden met een groot toepassingspotentieel. Titaniumlegeringen hebben de kenmerken van een lage thermische geleidbaarheid, lage plasticiteit, lage elasticiteitsmodulus en sterke affiniteit, waardoor ze problemen hebben zoals een grote snijkracht, hoge snijtemperatuur, ernstige werkverharding en grote gereedschapsslijtage tijdens het snijden. Het zijn typische moeilijk te snijden materialen (microstructuurmorfologie zie Figuur 2a) [7]. De belangrijkste kenmerken van hogetemperatuurlegeringen zijn een hoge plasticiteit en sterkte, slechte thermische geleidbaarheid en een grote hoeveelheid dichte vaste oplossing binnenin [8]. Plastische vervorming tijdens het snijden veroorzaakt ernstige vervorming van het rooster, hoge vervormingsweerstand, grote snijkracht en ernstig koudverhardingsfenomeen, wat ook typische moeilijk te snijden materialen zijn (microstructuurmorfologie zie Figuur 2b). Daarom is het erg belangrijk om efficiënte en nauwkeurige snijtechnologie te ontwikkelen voor moeilijk te snijden materialen zoals titaniumlegeringen en hogetemperatuurlegeringen. Om efficiënte en nauwkeurige bewerking van moeilijk te snijden materialen te bereiken, hebben binnen- en buitenlandse wetenschappers diepgaand onderzoek gedaan vanuit het perspectief van innovatieve snijmethoden, optimale bewerkingsgereedschapsmaterialen en geoptimaliseerde snijparameters.

2.1 Innovatie van snijverwerkingsmethoden

Op het gebied van innovatief onderzoek en ontwikkeling van snijmethoden hebben wetenschappers hulpmiddelen geïntroduceerd zoals laserverwarming en cryogene koeling om de bewerkbaarheid van materialen te verbeteren en efficiënt snijden te bereiken. Het werkprincipe van laserverwarmingsondersteunde verwerking [9] (zie afbeelding 3a) is om een ​​laserstraal met hoog vermogen te focussen op het werkstukoppervlak voor de snijkant, het materiaal zachter te maken door lokale verwarming van de straal, de vloeigrens van het materiaal te verminderen, waardoor de snijkracht en gereedschapsslijtage worden verminderd en de kwaliteit en efficiëntie van het snijden worden verbeterd. Cryogene koelingsondersteunde verwerking [10] (zie afbeelding 3b) gebruikt vloeibare stikstof, hogedrukkoolstofdioxidegas en andere koelmedia om op het snijgedeelte te spuiten om het snijproces te koelen, het probleem van een te hoge lokale snijtemperatuur veroorzaakt door slechte thermische geleidbaarheid van het materiaal te vermijden en het werkstuk lokaal koud en bros te maken, waardoor het spaanbrekende effect wordt versterkt. Het bedrijf Nuclear AMRC in het VK gebruikte met succes hogedrukkoolstofdioxidegas om het titaniumlegeringverwerkingsproces te koelen. Vergeleken met de droge snijtoestand laat de analyse zien dat cryogene koeling ondersteunde verwerking niet alleen de snijkracht kan verminderen en de kwaliteit van het snijvlak kan verbeteren, maar ook effectief gereedschapslijtage kan verminderen en de levensduur van het gereedschap kan verlengen. Bovendien is ultrasoon vibratie ondersteunde verwerking [11, 12] (zie Figuur 3c) ook een effectieve methode voor efficiënt snijden van moeilijk te verwerken materialen. Door hoogfrequente, kleine amplitude trillingen op het gereedschap toe te passen, wordt intermitterende scheiding tussen het gereedschap en het werkstuk bereikt tijdens het bewerkingsproces, wat het materiaalverwijderingsmechanisme verandert, de stabiliteit van dynamisch snijden verbetert, wrijving tussen het gereedschap en het bewerkte oppervlak effectief vermijdt, de snijtemperatuur en snijkracht verlaagt, oppervlakteruwheidswaarden verlaagt en gereedschapslijtage vermindert. De uitstekende proceseffecten hebben brede aandacht gekregen.

2.2 Selectie van gereedschapsmaterialen

Voor moeilijk te snijden materialen zoals titaniumlegeringen kan het optimaliseren van gereedschapsmaterialen de snijresultaten effectief verbeteren [8, 13]. Studies hebben aangetoond dat voor de verwerking van titaniumlegeringen verschillende gereedschappen kunnen worden geselecteerd op basis van de verwerkingssnelheid. Voor snijden met lage snelheid wordt snelstaal met een hoog kobaltgehalte gebruikt, voor snijden met gemiddelde snelheid worden hardmetalen gereedschappen met een aluminiumoxidecoating gebruikt en voor snijden met hoge snelheid worden kubische boornitride (CBN) gereedschappen gebruikt; voor de verwerking van legeringen met hoge temperaturen moeten snelstaal met een hoog vanadiumgehalte of YG hardmetalen gereedschappen met een hoge hardheid en goede slijtvastheid worden gebruikt voor de verwerking.

2.3 Optimale snijparameters

Snijparameters zijn ook een belangrijke factor die het bewerkingseffect beïnvloedt. Het gebruik van geschikte snijparameters voor de overeenkomstige materialen kan de bewerkingskwaliteit en -efficiëntie effectief verbeteren. Als we de snijsnelheidsparameter als voorbeeld nemen, kan een lage snijsnelheid gemakkelijk een opgebouwd randgebied op het materiaaloppervlak vormen, waardoor de nauwkeurigheid van de oppervlaktebewerking afneemt; een hoge snijsnelheid kan gemakkelijk warmteaccumulatie veroorzaken, waardoor het werkstuk en het gereedschap verbranden. In dit opzicht analyseerde het team van professor Zhai Yuansheng aan de Harbin University of Science and Technology de mechanische en fysieke eigenschappen van veelgebruikte moeilijk te bewerken materialen en vatte een aanbevolen tabel samen met snijsnelheden voor moeilijk te bewerken materialen door middel van orthogonale bewerkingsexperimenten [14] (zie tabel 1). Het gebruik van de in de tabel aanbevolen gereedschappen en snijsnelheden voor bewerking kan effectief bewerkingsfouten en gereedschapsslijtage verminderen en de bewerkingskwaliteit verbeteren.

3 Precisie CNC-bewerkingstechnologie voor complexe bladoppervlakken

De laatste jaren, met de snelle ontwikkeling van de luchtvaartindustrie en de stijgende vraag van de markt, zijn de eisen voor efficiënte en nauwkeurige verwerking van dunwandige bladen steeds groter geworden en is de vraag naar technologie voor vervormingsregeling met hogere precisie urgenter geworden. In de context van intelligente productietechnologie is het combineren van moderne elektronische informatietechnologie om intelligente regeling van vervorming en trillingen van vliegtuigmotorbladverwerking te bereiken een hot topic geworden voor veel onderzoekers. Het introduceren van intelligente CNC-systemen in de precisieverwerking van complexe gebogen oppervlakken van bladen en het actief compenseren van fouten in het verwerkingsproces op basis van intelligente CNC-systemen, kan vervorming en trillingen effectief onderdrukken.

Voor actieve foutcompensatie in het bewerkingsproces is het, om de optimalisatie en controle van bewerkingsparameters zoals gereedschapspad te bereiken, noodzakelijk om eerst de invloed van procesparameters op bewerkingsdeformatie en trillingen te verkrijgen. Er zijn twee veelgebruikte methoden: de ene is om de resultaten van elke gereedschapspassage te analyseren en te beredeneren via on-machine meting en foutanalyse [15]; de andere is om een ​​voorspellingsmodel voor bewerkingsdeformatie en trillingen op te stellen via methoden zoals dynamische analyse [16], eindige-elementenmodellering [17], experimenten [18] en neurale netwerken [19] (zie Figuur 4).

Op basis van het bovenstaande voorspellingsmodel of de on-machine meettechnologie kunnen mensen de bewerkingsparameters in realtime optimaliseren en zelfs regelen. De gangbare richting is om de fouten veroorzaakt door vervorming en trillingen te compenseren door het gereedschapspad opnieuw te plannen. De meest gebruikte methode in deze richting is de "spiegelcompensatiemethode" [20] (zie Afbeelding 5). Deze methode compenseert de vervorming van een enkele snede door de nominale gereedschapsbaan te corrigeren. Een enkele compensatie zal echter nieuwe bewerkingsvervorming opleveren. Daarom is het noodzakelijk om een ​​iteratieve relatie tussen de snijkracht en de bewerkingsvervorming tot stand te brengen door middel van meerdere compensaties om de vervorming één voor één te corrigeren. Naast de methode van actieve foutcompensatie op basis van gereedschapspadplanning, bestuderen veel wetenschappers ook hoe vervorming en trillingen kunnen worden geregeld door snijparameters en gereedschapsparameters te optimaliseren en te regelen. Voor het snijden van een bepaald type vliegtuigmotorblad werden de bewerkingsparameters gewijzigd voor meerdere rondes orthogonale tests. Op basis van de testgegevens werd de invloed van elke snijparameter en gereedschapsparameter op de vervorming en trillingsrespons van het blad geanalyseerd [21-23]. Er werd een empirisch voorspellingsmodel opgesteld om de bewerkingsparameters te optimaliseren, de vervorming van het bewerken effectief te verminderen en snijvibraties te onderdrukken.

Op basis van de bovenstaande modellen en methoden hebben veel bedrijven de CNC-systemen van CNC-bewerkingscentra ontwikkeld of verbeterd om realtime adaptieve controle van dunwandige onderdelenverwerkingsparameters te bereiken. Het optimale freessysteem van het Israëlische bedrijf OMAT [24] is een typische vertegenwoordiger op dit gebied. Het past voornamelijk de invoersnelheid aan via adaptieve technologie om het doel van constant krachtfrezen te bereiken en een zeer efficiënte en hoogwaardige verwerking van complexe producten te realiseren. Bovendien paste Beijing Jingdiao ook soortgelijke technologie toe in het klassieke technische geval van het voltooien van eierschaal-oppervlaktepatroongravering via on-machine meting adaptieve compensatie [25]. THERRIEN van GE in de Verenigde Staten [26] stelde een realtime correctiemethode voor CNC-bewerkingscodes voor tijdens het bewerken, die een basistechnisch middel bood voor adaptieve bewerking en realtime controle van complexe dunwandige bladen. Het geautomatiseerde reparatiesysteem van de Europese Unie voor turbineonderdelen van vliegtuigmotoren (AROSATEC) realiseert adaptief precisiefrezen nadat het blad is gerepareerd door middel van additieve productie, en is toegepast op de reparatieproductie van de bladen van het Duitse bedrijf MTU en het Ierse bedrijf SIFCO [27].

4. Verbetering van de verwerkingsstijfheid op basis van intelligente procesapparatuur

Het gebruik van intelligente procesapparatuur om de stijfheid van het processysteem te verbeteren en de dempingseigenschappen te verbeteren, is ook een effectieve manier om de vervorming en trillingen van dunwandige bladverwerking te onderdrukken, de verwerkingsnauwkeurigheid te verbeteren en de oppervlaktekwaliteit te verbeteren. De afgelopen jaren is een groot aantal verschillende procesapparatuur gebruikt bij de verwerking van verschillende soorten vliegtuigmotorbladen [28]. Omdat vliegtuigmotorbladen over het algemeen dunwandige en onregelmatige structurele kenmerken hebben, een klein klem- en positioneringsgebied, een lage verwerkingsstijfheid en lokale vervorming onder invloed van snijbelastingen, past bladverwerkingsapparatuur gewoonlijk hulpondersteuning toe op het werkstuk op basis van het voldoen aan het zespuntspositioneringsprincipe [29] om de stijfheid van het processysteem te optimaliseren en verwerkingsvervorming te onderdrukken. Dunwandige en onregelmatig gebogen oppervlakken stellen twee eisen aan de positionering en klemming van gereedschap: ten eerste moet de klemkracht of contactkracht van het gereedschap zo gelijkmatig mogelijk over het gebogen oppervlak worden verdeeld om ernstige lokale vervorming van het werkstuk onder invloed van de klemkracht te voorkomen; ten tweede moeten de positionerings-, klem- en hulpondersteuningselementen van het gereedschap beter aansluiten op het complexe gebogen oppervlak van het werkstuk om een ​​uniforme oppervlaktecontactkracht te genereren bij elk contactpunt. Als reactie op deze twee vereisten hebben wetenschappers een flexibel gereedschapssysteem voorgesteld. Flexibele gereedschapssystemen kunnen worden onderverdeeld in faseveranderingsflexibel gereedschap en adaptief flexibel gereedschap. Faseveranderingsflexibel gereedschap maakt gebruik van de veranderingen in stijfheid en demping voor en na de faseverandering van de vloeistof: de vloeistof in de vloeibare fase of mobiele fase heeft een lage stijfheid en demping en kan zich aanpassen aan het complexe gebogen oppervlak van het werkstuk onder lage druk. Daarna wordt de vloeistof getransformeerd in een vaste fase of geconsolideerd door externe krachten zoals elektriciteit/magnetisme/warmte, en worden de stijfheid en demping sterk verbeterd, waardoor een uniforme en flexibele ondersteuning voor het werkstuk wordt geboden en vervorming en trillingen worden onderdrukt.

De procesapparatuur in de traditionele verwerkingstechnologie van vliegtuigmotorbladen is om faseveranderingsmaterialen te gebruiken, zoals legeringen met een laag smeltpunt voor het vullen van hulpondersteuning. Dat wil zeggen, nadat het werkstuk op zes punten is gepositioneerd en vastgeklemd, wordt de positioneringsreferentie van het werkstuk gegoten in een gietblok door de legering met een laag smeltpunt om hulpondersteuning voor het werkstuk te bieden, en wordt de complexe puntpositionering omgezet in normale oppervlaktepositionering, en vervolgens wordt de precisieverwerking van het te verwerken onderdeel uitgevoerd (zie Afbeelding 6). Deze procesmethode heeft duidelijke gebreken: de conversie van de positioneringsreferentie leidt tot een afname van de positioneringsnauwkeurigheid; de productievoorbereiding is gecompliceerd en het gieten en smelten van de legering met een laag smeltpunt brengt ook residu en reinigingsproblemen op het werkstukoppervlak met zich mee. Tegelijkertijd zijn de giet- en smeltomstandigheden ook relatief slecht [30]. Om de bovenstaande procesgebreken op te lossen, is een veelgebruikte methode om een ​​multi-punts ondersteuningsstructuur te introduceren in combinatie met een faseveranderingsmateriaal [31]. Het bovenste uiteinde van de ondersteuningsstructuur raakt het werkstuk voor positionering en het onderste uiteinde wordt ondergedompeld in de kamer van de legering met laag smeltpunt. Flexibele hulpondersteuning wordt bereikt op basis van de faseveranderingseigenschappen van de legering met laag smeltpunt. Hoewel de introductie van een ondersteuningsstructuur oppervlaktedefecten kan voorkomen die worden veroorzaakt door legeringen met laag smeltpunt die in contact komen met de bladen, kan flexibele gereedschapsvorm met faseverandering niet tegelijkertijd voldoen aan de twee belangrijkste vereisten van hoge stijfheid en hoge responssnelheid, vanwege de prestatiebeperkingen van faseveranderingsmaterialen, en is het moeilijk toe te passen op geautomatiseerde productie met hoge efficiëntie.

Om de nadelen van flexibele gereedschappen met faseverandering op te lossen, hebben veel wetenschappers het concept van aanpassing opgenomen in het onderzoek en de ontwikkeling van flexibele gereedschappen. Adaptieve flexibele gereedschappen kunnen complexe bladvormen en mogelijke vormfouten adaptief aanpassen via elektromechanische systemen. Om ervoor te zorgen dat de contactkracht gelijkmatig over het hele blad wordt verdeeld, gebruikt het gereedschap meestal multi-point hulpondersteuningen om een ​​ondersteuningsmatrix te vormen. Het team van Wang Hui aan de Tsinghua University stelde een multi-point flexibele hulpondersteuningsprocesapparatuur voor die geschikt is voor de verwerking van bijna-net-vormige bladen [32, 33] (zie Afbeelding 7). Het gereedschap gebruikt meerdere flexibele materiaalklemelementen om te helpen bij het ondersteunen van het bladoppervlak van het bijna-net-vormige blad, waardoor het contactoppervlak van â € <â € <elk contactoppervlak en ervoor zorgend dat de klemkracht gelijkmatig verdeeld is over elk contactdeel en het gehele blad, waardoor de stijfheid van het processysteem wordt verbeterd en lokale vervorming van het blad effectief wordt voorkomen. Het gereedschap heeft meerdere passieve vrijheidsgraden, die adaptief kunnen worden aangepast aan de vorm van het blad en de fout ervan, terwijl overpositionering wordt vermeden. Naast het bereiken van adaptieve ondersteuning door flexibele materialen, wordt het principe van elektromagnetische inductie ook toegepast op het onderzoek en de ontwikkeling van adaptieve flexibele gereedschappen. Het team van Yang Yiqing aan de Beijing University of Aeronautics and Astronautics heeft een hulpondersteuningsapparaat uitgevonden op basis van het principe van elektromagnetische inductie [34]. Het gereedschap maakt gebruik van een flexibele hulpondersteuning die wordt geactiveerd door een elektromagnetisch signaal, dat de dempingseigenschappen van het processysteem kan veranderen. Tijdens het klemproces past de hulpondersteuning adaptief aan de vorm van het werkstuk aan onder invloed van een permanente magneet. Tijdens de bewerking worden de trillingen die door het werkstuk worden gegenereerd, overgebracht op de hulpondersteuning en wordt de omgekeerde elektromagnetische kracht opgewekt volgens het principe van elektromagnetische inductie, waardoor de trillingen van de bewerking van dunwandige werkstukken worden onderdrukt.

Momenteel worden in het proces van procesapparatuurontwerp over het algemeen eindige-elementenanalyse, genetische algoritmen en andere methoden gebruikt om de lay-out van multi-punts hulpondersteuningen te optimaliseren [35]. Het optimalisatieresultaat kan echter doorgaans alleen garanderen dat de verwerkingsvervorming op één punt wordt geminimaliseerd en kan niet garanderen dat hetzelfde vervormingsonderdrukkingseffect kan worden bereikt in andere verwerkingsonderdelen. In het bladverwerkingsproces wordt doorgaans een reeks gereedschapspassen uitgevoerd op het werkstuk op dezelfde machine, maar de klemvereisten voor het verwerken van verschillende onderdelen zijn verschillend en kunnen zelfs tijdsafhankelijk zijn. Voor de statische multi-punts ondersteuningsmethode geldt dat als de stijfheid van het processysteem wordt verbeterd door het aantal hulpondersteuningen te vergroten, enerzijds de massa en het volume van het gereedschap toenemen en anderzijds de bewegingsruimte van het gereedschap wordt samengedrukt. Als de positie van de hulpondersteuning wordt gereset bij het verwerken van verschillende onderdelen, wordt het verwerkingsproces onvermijdelijk onderbroken en wordt de verwerkingsefficiëntie verminderd. Daarom is vervolgprocesapparatuur [36-38] voorgesteld die automatisch de ondersteuningsindeling en de ondersteuningskracht online aanpast aan het verwerkingsproces. De vervolgprocesapparatuur (zie figuur 8) kan dynamische ondersteuning bereiken door de gecoördineerde samenwerking van het gereedschap en de gereedschappen op basis van de gereedschapsbaan en veranderingen in de werkomstandigheden van het tijdsvariërende snijproces voordat een verwerkingsprocedure begint: verplaats eerst de hulpondersteuning naar een positie die helpt de huidige verwerkingsdeformatie te onderdrukken, zodat het verwerkingsgebied van Het werkstuk wordt actief ondersteund, terwijl andere delen van het werkstuk met zo min mogelijk contact op hun plaats blijven, zodat aan de tijdsafhankelijke klemvereisten tijdens het bewerkingsproces wordt voldaan.

Om de adaptieve dynamische ondersteuningscapaciteit van procesapparatuur verder te verbeteren, te voldoen aan de complexere klemvereisten in het verwerkingsproces en de kwaliteit en efficiëntie van de productie van bladbewerking te verbeteren, wordt de vervolghulpondersteuning uitgebreid tot een groep die wordt gevormd door meerdere dynamische hulpondersteuningen. Elke dynamische hulpondersteuning is nodig om handelingen te coördineren en automatisch en snel het contact tussen de ondersteuningsgroep en het werkstuk te reconstrueren, afhankelijk van de tijdsafhankelijke vereisten van het productieproces. Het reconstructieproces verstoort de positionering van het gehele werkstuk niet en veroorzaakt geen lokale verplaatsing of trillingen. De procesapparatuur die op dit concept is gebaseerd, wordt een zelf-reconfigureerbare groepsfixture genoemd [39], die de voordelen van flexibiliteit, herconfigureerbaarheid en autonomie heeft. De zelfconfigureerbare groepsbevestiging kan meerdere hulpsteunen toewijzen aan verschillende posities op het ondersteunde oppervlak, afhankelijk van de vereisten van het productieproces, en kan zich aanpassen aan complex gevormde werkstukken met een groot oppervlak, terwijl voldoende stijfheid wordt gegarandeerd en overbodige steunen worden geëlimineerd. De werkwijze van het armatuur is dat de controller instructies verstuurt volgens het geprogrammeerde programma en de mobiele basis het steunelement volgens de instructies naar de doelpositie brengt. Het ondersteuningselement past zich aan de plaatselijke geometrische vorm van het werkstuk aan om een ​​flexibele ondersteuning te bereiken. De dynamische eigenschappen (stijfheid en demping) van het contactoppervlak tussen een enkel steunelement en het lokale werkstuk kunnen worden geregeld door de parameters van het steunelement te wijzigen (het hydraulische steunelement kan bijvoorbeeld doorgaans de hydraulische invoerdruk wijzigen om de contacteigenschappen te wijzigen). De dynamische eigenschappen van het processysteem worden gevormd door de koppeling van de dynamische eigenschappen van het contactoppervlak tussen meerdere steunelementen en het werkstuk, en zijn gerelateerd aan de parameters van elk steunelement en de indeling van de steunelementengroep. Bij het ontwerp van het multi-punts ondersteuningsreconstructieschema van de zelf-reconfigureerbare groepsbevestiging moeten de volgende drie kwesties in overweging worden genomen: aanpassing aan de geometrische vorm van het werkstuk, snelle herpositionering van de ondersteuningselementen en gecoördineerde samenwerking van meerdere ondersteuningspunten [40]. Daarom is het bij gebruik van de zelf-reconfigureerbare groepsbevestiging noodzakelijk om de werkstukvorm, belastingskarakteristieken en inherente randvoorwaarden als invoer te gebruiken om de lay-out van de multi-puntsondersteuning en ondersteuningsparameters onder verschillende verwerkingsomstandigheden op te lossen, het bewegingspad van de multi-puntsondersteuning te plannen, besturingscode te genereren op basis van de oplossingsresultaten en deze te importeren in de controller. Momenteel hebben binnen- en buitenlandse wetenschappers onderzoek gedaan en pogingen gedaan om zelf-herconfigureerbare groepsindelingen te maken. In het buitenland heeft het EU-project SwarmItFIX een nieuw, zeer aanpasbaar, zelf-reconfigureerbaar bevestigingssysteem ontwikkeld [41], dat gebruikmaakt van een set mobiele hulpsteunen om vrij over de werkbank te bewegen en in realtime te herpositioneren om de bewerkte onderdelen beter te ondersteunen. Het prototype van het SwarmItFIX-systeem is in dit project geïmplementeerd (zie figuur 9a) en getest op de locatie van een Italiaanse vliegtuigfabrikant. In China heeft het team van Wang Hui aan de Tsinghua Universiteit een werkbank met vier klempunten ontwikkeld die in coördinatie met een machinegereedschap kan worden aangestuurd [42] (zie figuur 9b). Deze werkbank kan de vrijdragende pen ondersteunen en automatisch het gereedschap ontwijken tijdens het fijn bewerken van de pen van een turbineblad.

5 Discussie over toekomstige ontwikkelingstrends

5.1 Nieuwe materialen

Naarmate de ontwerpvereisten voor stuwkracht-gewichtsverhouding van vliegtuigmotoren blijven toenemen, wordt het aantal onderdelen geleidelijk verminderd en wordt het stressniveau van onderdelen steeds hoger. De prestaties van de twee belangrijkste traditionele hogetemperatuurstructurele materialen hebben hun limiet bereikt. De afgelopen jaren zijn er snel nieuwe materialen voor vliegtuigmotorbladen ontwikkeld en worden er steeds meer hoogwaardige materialen gebruikt om dunwandige bladen te maken. Daaronder vallen: γ-TiAl-legering[43] heeft uitstekende eigenschappen zoals een hoge specifieke sterkte, hoge temperatuurbestendigheid en goede oxidatiebestendigheid. Tegelijkertijd is de dichtheid 3.9 g/cm3, wat slechts de helft is van die van hogetemperatuurlegeringen. In de toekomst heeft het een groot potentieel als een mes in het temperatuurbereik van 700-800℃. Hoewel γ-TiAl-legering heeft uitstekende mechanische eigenschappen, de hoge hardheid, lage thermische geleidbaarheid, lage breuktaaiheid en hoge brosheid leiden tot een slechte oppervlakte-integriteit en lage precisie van γ-TiAl-legeringsmateriaal tijdens het snijden, wat de levensduur van onderdelen ernstig beïnvloedt. Daarom is het verwerkingsonderzoek van γ-TiAl-legering heeft een belangrijke theoretische betekenis en waarde en is een belangrijke onderzoeksrichting in de huidige bladbewerkingstechnologie.

5.2 Tijdsvariërende adaptieve verwerking

Luchtvaartmotorbladen hebben complexe gebogen oppervlakken en vereisen een hoge vormnauwkeurigheid. Momenteel wordt voor hun precisiebewerking voornamelijk gebruikgemaakt van geometrische adaptieve bewerkingsmethoden op basis van padplanning en modelreconstructie. Deze methode kan de impact van fouten die worden veroorzaakt door positionering, klemming, enz. op de nauwkeurigheid van de bladbewerking effectief verminderen. Invloed. Vanwege de ongelijke dikte van het matrijssmeedblad is de snijdiepte in verschillende delen van het gereedschap echter anders tijdens het snijproces volgens het geplande pad, wat onzekere factoren met zich meebrengt voor het snijproces en de verwerkingsstabiliteit beïnvloedt. In de toekomst zouden tijdens het CNC-adaptieve bewerkingsproces de werkelijke wijzigingen in de bewerkingsstatus beter moeten worden bijgehouden [44], waardoor de bewerkingsnauwkeurigheid van complexe gebogen oppervlakken aanzienlijk wordt verbeterd en een tijdsvariërende regeladaptieve bewerkingsmethode wordt gevormd die snijparameters aanpast op basis van realtime feedbackgegevens.

5.3 Intelligente procesapparatuur

Als het grootste type onderdelen in de motor, heeft de productie-efficiëntie van bladen direct invloed op de algehele productie-efficiëntie van de motor, en de productiekwaliteit van bladen heeft direct invloed op de prestaties en levensduur van de motor. Daarom is intelligente precisiebewerking van bladen de ontwikkelingsrichting van motorbladproductie in de wereld van vandaag geworden. Het onderzoek en de ontwikkeling van gereedschapsmachines en procesapparatuur is de sleutel tot het realiseren van intelligente bladverwerking. Met de ontwikkeling van CNC-technologie is het intelligentieniveau van gereedschapsmachines snel verbeterd en is de verwerkings- en productiecapaciteit enorm vergroot. Daarom is het onderzoek en de ontwikkeling en innovatie van intelligente procesapparatuur een belangrijke ontwikkelingsrichting voor efficiënte en nauwkeurige bewerking van dunwandige bladen. Zeer intelligente CNC-machinegereedschappen worden gecombineerd met procesapparatuur om een ​​intelligent bladverwerkingssysteem te vormen (zie Afbeelding 10), dat een zeer nauwkeurige, zeer efficiënte en adaptieve CNC-bewerking van dunwandige bladen realiseert.