Technologia i urządzenia do precyzyjnej obróbki cienkościennych, specjalnie ukształtowanych i skomplikowanych łopatek silników lotniczych

Jako kluczowy element do osiągnięcia wydajności silników lotniczych, łopatki mają typowe cechy, takie jak cienkościenne, specjalnie ukształtowane, złożone struktury, trudne do obróbki materiały i wysokie wymagania dotyczące dokładności przetwarzania i jakości powierzchni. Jak osiągnąć precyzyjną i wydajną obróbkę łopatek jest głównym wyzwaniem w obecnym obszarze produkcji silników lotniczych. Poprzez analizę kluczowych czynników wpływających na dokładność przetwarzania łopatek, aktualny stan badań nad technologią i sprzętem do precyzyjnego przetwarzania łopatek jest kompleksowo podsumowany, a także prognozowany jest trend rozwoju technologii przetwarzania łopatek silników lotniczych.

W przemyśle lotniczym i kosmicznym lekkie, wytrzymałe cienkościenne części są szeroko stosowane i stanowią kluczowe komponenty do osiągnięcia wydajności ważnego sprzętu, takiego jak silniki lotnicze [1]. Na przykład łopatki wentylatora ze stopu tytanu silników lotniczych o dużym współczynniku obejścia (patrz rysunek 1) mogą mieć do 1 metra długości, ze złożonymi profilami łopatek i strukturami platformy tłumiącej, a grubość najcieńszej części wynosi zaledwie 1.2 mm, co jest typową dużą cienkościenną częścią o specjalnym kształcie [2]. Jako typowa cienkościenna część o specjalnym kształcie i słabej sztywności, łopatka jest podatna na odkształcenia i wibracje podczas obróbki [3]. Problemy te poważnie wpływają na dokładność obróbki i jakość powierzchni łopatki.

Wydajność silnika zależy w dużej mierze od poziomu produkcji łopatek. Podczas pracy silnika łopatki muszą pracować stabilnie w ekstremalnych warunkach pracy, takich jak wysoka temperatura i wysokie ciśnienie. Wymaga to, aby materiał łopatki miał dobrą wytrzymałość, odporność na zmęczenie i korozję w wysokiej temperaturze oraz zapewniał stabilność strukturalną [2]. Zwykle do łopatek silników lotniczych stosuje się stopy tytanu lub stopy wysokotemperaturowe. Jednak stopy tytanu i stopy wysokotemperaturowe mają słabą obrabialność. Podczas procesu cięcia siła cięcia jest duża, a narzędzie szybko się zużywa. Wraz ze wzrostem zużycia narzędzia siła cięcia będzie dalej wzrastać, co spowoduje poważniejsze odkształcenia i drgania obróbki, co z kolei doprowadzi do niskiej dokładności wymiarowej i złej jakości powierzchni części. Aby spełnić wymagania dotyczące wydajności serwisowej silnika w ekstremalnych warunkach pracy, dokładność obróbki i jakość powierzchni łopatek są niezwykle wysokie. Biorąc za przykład łopatki wentylatora ze stopu tytanu stosowane w produkowanym krajowo silniku turbowentylatorowym o wysokim współczynniku obejścia, całkowita długość łopatki wynosi 681 mm, a grubość jest mniejsza niż 6 mm. Wymagania dotyczące profilu wynoszą od -0.12 do +0.03 mm, dokładność wymiarowa krawędzi wlotowych i wylotowych wynosi od -0.05 do +0.06 mm, błąd skrętu sekcji łopatki mieści się w granicach ±10'i wartość chropowatości powierzchni Ra jest lepsza niż 0.4μm. Zwykle wymaga to precyzyjnej obróbki na pięcioosiowej obrabiarce CNC. Jednak ze względu na słabą sztywność ostrza, złożoną strukturę i trudne do obróbki materiały, w celu zapewnienia dokładności i jakości obróbki, personel procesowy musi wielokrotnie regulować parametry cięcia w trakcie procesu obróbki, co poważnie ogranicza wydajność centrum obróbczego CNC i powoduje ogromne straty wydajności [4]. Dlatego też, wraz z szybkim rozwojem technologii obróbki CNC, jak osiągnąć kontrolę odkształceń i tłumienie drgań w przypadku obróbki cienkościennych części i w pełni wykorzystać możliwości obróbcze centrów obróbczych CNC stało się pilną potrzebą dla zaawansowanych firm produkcyjnych.

Badania nad technologią kontroli odkształceń cienkościennych, słabych, sztywnych części od dawna przyciągają uwagę inżynierów i badaczy. We wczesnej praktyce produkcyjnej ludzie często stosują strategię linii wodnej, polegającą na naprzemiennym frezowaniu po obu stronach cienkościennych konstrukcji, co może łatwo zmniejszyć niekorzystny wpływ odkształceń i wibracji na dokładność wymiarową w pewnym stopniu. Ponadto istnieje również sposób na poprawę sztywności obróbki poprzez ustawienie prefabrykowanych struktur ofiarnych, takich jak żebra wzmacniające.

Technologia cięcia materiałów trudno skrawalnych

Aby sprostać wymaganiom stabilnej pracy w środowisku o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, powszechnie stosowanymi materiałami na łopatki silników lotniczych są stopy tytanu lub stopy wysokotemperaturowe. W ostatnich latach związki międzymetaliczne tytanu i aluminium stały się również materiałem na łopatki o dużym potencjale zastosowania. Stopy tytanu charakteryzują się niską przewodnością cieplną, niską plastycznością, niskim modułem sprężystości i silnym powinowactwem, co powoduje, że mają problemy, takie jak duża siła skrawania, wysoka temperatura skrawania, duże utwardzanie zgniotowe i duże zużycie narzędzia podczas skrawania. Są to typowe materiały trudne do skrawania (morfologia mikrostruktury, patrz rysunek 2a) [7]. Głównymi cechami stopów wysokotemperaturowych są wysoka plastyczność i wytrzymałość, słaba przewodność cieplna i duża ilość gęstego roztworu stałego wewnątrz [8]. Odkształcenie plastyczne podczas skrawania powoduje poważne odkształcenie sieci, wysoką odporność na odkształcenia, dużą siłę skrawania i poważne zjawisko utwardzania na zimno, które są również typowymi materiałami trudnymi do skrawania (morfologia mikrostruktury, patrz rysunek 2b). Dlatego bardzo ważne jest opracowanie wydajnej i precyzyjnej technologii cięcia dla materiałów trudnoobrabialnych, takich jak stopy tytanu i stopy wysokotemperaturowe. Aby osiągnąć wydajną i precyzyjną obróbkę materiałów trudnoobrabialnych, krajowi i zagraniczni naukowcy przeprowadzili dogłębne badania z perspektywy innowacyjnych metod cięcia, optymalnych materiałów narzędziowych do obróbki i zoptymalizowanych parametrów cięcia.

2.1 Innowacje w metodach obróbki skrawaniem

W zakresie innowacyjnych badań i rozwoju metod cięcia naukowcy wprowadzili środki pomocnicze, takie jak ogrzewanie laserowe i chłodzenie kriogeniczne, aby poprawić obrabialność materiałów i osiągnąć wydajne cięcie. Zasada działania obróbki wspomaganej ogrzewaniem laserowym [9] (patrz rysunek 3a) polega na skupieniu wiązki lasera o dużej mocy na powierzchni przedmiotu obrabianego przed krawędzią skrawającą, zmiękczeniu materiału poprzez lokalne ogrzewanie wiązki, zmniejszeniu granicy plastyczności materiału, a tym samym zmniejszeniu siły skrawania i zużycia narzędzia oraz poprawie jakości i wydajności cięcia. Obróbka wspomagana chłodzeniem kriogenicznym [10] (patrz rysunek 3b) wykorzystuje ciekły azot, dwutlenek węgla pod wysokim ciśnieniem i inne media chłodzące do rozpylania na część tnącą w celu schłodzenia procesu cięcia, uniknięcia problemu nadmiernej lokalnej temperatury cięcia spowodowanej słabą przewodnością cieplną materiału i lokalnego schłodzenia i kruchości przedmiotu obrabianego, zwiększając w ten sposób efekt łamania wiórów. Firma Nuclear AMRC w Wielkiej Brytanii z powodzeniem wykorzystała dwutlenek węgla pod wysokim ciśnieniem do schłodzenia procesu obróbki stopu tytanu. W porównaniu ze stanem cięcia na sucho analiza pokazuje, że kriogeniczne chłodzenie wspomagane przetwarzaniem może nie tylko zmniejszyć siłę cięcia i poprawić jakość powierzchni cięcia, ale także skutecznie zmniejszyć zużycie narzędzia i wydłużyć jego żywotność. Ponadto, przetwarzanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi [11, 12] (patrz rysunek 3c) jest również skuteczną metodą wydajnego cięcia materiałów trudnych do obróbki. Poprzez zastosowanie drgań o wysokiej częstotliwości i małej amplitudzie do narzędzia, uzyskuje się przerywane rozdzielenie między narzędziem a przedmiotem obrabianym podczas procesu obróbki, co zmienia mechanizm usuwania materiału, zwiększa stabilność dynamicznego cięcia, skutecznie zapobiega tarciu między narzędziem a obrabianą powierzchnią, zmniejsza temperaturę cięcia i siłę cięcia, zmniejsza wartości chropowatości powierzchni i zmniejsza zużycie narzędzia. Jego doskonałe efekty procesowe przyciągnęły powszechną uwagę.

2.2 Wybór materiałów narzędziowych

W przypadku trudno skrawalnych materiałów, takich jak stopy tytanu, optymalizacja materiałów narzędziowych może skutecznie poprawić wyniki skrawania [8, 13]. Badania wykazały, że do obróbki stopów tytanu można wybierać różne narzędzia w zależności od prędkości obróbki. Do skrawania z niską prędkością stosuje się stal szybkotnącą wysokokobaltową, do skrawania ze średnią prędkością stosuje się narzędzia z węglika spiekanego z powłoką z tlenku glinu, a do skrawania z dużą prędkością stosuje się narzędzia z azotku boru sześciennego (CBN); do obróbki stopów wysokotemperaturowych należy stosować stal szybkotnącą wysokowanadową lub narzędzia z węglika spiekanego YG o wysokiej twardości i dobrej odporności na zużycie.

2.3 Optymalne parametry cięcia

Parametry skrawania są również ważnym czynnikiem wpływającym na efekt obróbki. Stosowanie odpowiednich parametrów skrawania dla odpowiednich materiałów może skutecznie poprawić jakość i wydajność obróbki. Biorąc za przykład parametr prędkości skrawania, niska prędkość skrawania może łatwo utworzyć narastający obszar krawędzi na powierzchni materiału, zmniejszając dokładność obróbki powierzchni; wysoka prędkość skrawania może łatwo spowodować akumulację ciepła, powodując oparzenia przedmiotu obrabianego i narzędzia. W związku z tym zespół profesora Zhai Yuanshenga z Harbin University of Science and Technology przeanalizował właściwości mechaniczne i fizyczne powszechnie stosowanych trudnych do obróbki materiałów i podsumował zalecaną tabelę prędkości skrawania dla trudnych do obróbki materiałów za pomocą eksperymentów obróbki ortogonalnej [14] (patrz tabela 1). Stosowanie narzędzi i prędkości skrawania zalecanych w tabeli do obróbki może skutecznie zmniejszyć wady obróbki i zużycie narzędzi oraz poprawić jakość obróbki.

3 Precyzyjna technologia obróbki CNC dla skomplikowanych powierzchni łopatek

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem przemysłu lotniczego i rosnącym popytem rynkowym, wymagania dotyczące wydajnej i precyzyjnej obróbki cienkościennych łopatek wzrosły, a zapotrzebowanie na bardziej precyzyjną technologię kontroli odkształceń stało się bardziej pilne. W kontekście inteligentnej technologii produkcyjnej łączenie nowoczesnej elektronicznej technologii informacyjnej w celu osiągnięcia inteligentnej kontroli odkształceń i wibracji obróbki łopatek silników lotniczych stało się gorącym tematem dla wielu badaczy. Wprowadzenie inteligentnych systemów CNC do precyzyjnej obróbki złożonych zakrzywionych powierzchni łopatek i aktywna kompensacja błędów w procesie obróbki w oparciu o inteligentne systemy CNC może skutecznie tłumić odkształcenia i wibracje.

W celu aktywnej kompensacji błędów w procesie obróbki, aby osiągnąć optymalizację i kontrolę parametrów obróbki, takich jak ścieżka narzędzia, konieczne jest najpierw uzyskanie wpływu parametrów procesu na odkształcenie i drgania obróbki. Istnieją dwie powszechnie stosowane metody: jedna polega na analizie i wnioskowaniu wyników każdego przejścia narzędzia poprzez pomiar na maszynie i analizę błędów [15]; druga polega na ustanowieniu modelu predykcyjnego dla odkształceń i drgań obróbki za pomocą metod, takich jak analiza dynamiczna [16], modelowanie elementów skończonych [17], eksperymenty [18] i sieci neuronowe [19] (patrz rysunek 4).

Na podstawie powyższego modelu predykcyjnego lub technologii pomiaru na maszynie, ludzie mogą optymalizować i nawet kontrolować parametry obróbki w czasie rzeczywistym. Głównym kierunkiem jest kompensacja błędów spowodowanych odkształceniem i drganiami poprzez ponowne zaplanowanie ścieżki narzędzia. Powszechnie stosowaną metodą w tym kierunku jest „metoda kompensacji lustrzanej” [20] (patrz rysunek 5). Ta metoda kompensuje odkształcenie pojedynczego cięcia poprzez korygowanie nominalnej trajektorii narzędzia. Jednak pojedyncza kompensacja spowoduje nowe odkształcenie obróbki. Dlatego konieczne jest ustanowienie iteracyjnej relacji między siłą skrawania a odkształceniem obróbki poprzez wielokrotne kompensacje w celu skorygowania odkształcenia jeden po drugim. Oprócz metody aktywnej kompensacji błędów opartej na planowaniu ścieżki narzędzia, wielu naukowców bada również, jak kontrolować odkształcenie i drgania poprzez optymalizację i kontrolowanie parametrów cięcia i parametrów narzędzia. W przypadku cięcia pewnego typu łopatki silnika lotniczego parametry obróbki zmieniano w wielu rundach testów ortogonalnych. Na podstawie danych testowych przeanalizowano wpływ każdego parametru skrawania i parametru narzędzia na odkształcenie ostrza podczas obróbki i odpowiedź na drgania [21-23]. Utworzono empiryczny model predykcyjny w celu optymalizacji parametrów obróbki, skutecznego zmniejszenia odkształceń obróbki i tłumienia drgań podczas skrawania.

Na podstawie powyższych modeli i metod wiele firm opracowało lub udoskonaliło systemy CNC centrów obróbczych CNC, aby osiągnąć adaptacyjne sterowanie w czasie rzeczywistym parametrami obróbki cienkościennych części. Optymalny system frezowania izraelskiej firmy OMAT [24] jest typowym przedstawicielem w tej dziedzinie. Głównie dostosowuje prędkość posuwu za pomocą adaptacyjnej technologii, aby osiągnąć cel frezowania ze stałą siłą i zrealizować wysokowydajne i wysokiej jakości przetwarzanie złożonych produktów. Ponadto, Beijing Jingdiao zastosowało podobną technologię w klasycznym przypadku technicznym dokończenia grawerowania wzoru powierzchni skorupy jajka za pomocą adaptacyjnej kompensacji pomiaru na maszynie [25]. THERRIEN z GE w Stanach Zjednoczonych [26] zaproponował metodę korekcji w czasie rzeczywistym dla kodów obróbki CNC podczas obróbki, która zapewniła podstawowe środki techniczne do adaptacyjnej obróbki i sterowania w czasie rzeczywistym złożonymi cienkościennymi ostrzami. Zautomatyzowany system naprawy elementów turbin silników lotniczych (AROSATEC) stosowany w Unii Europejskiej realizuje adaptacyjne frezowanie precyzyjne po naprawie łopatki metodą wytwarzania addytywnego i został zastosowany w produkcji urządzeń do naprawy łopatek niemieckiej firmy MTU oraz irlandzkiej firmy SIFCO [27].

4. Poprawa sztywności przetwarzania w oparciu o inteligentne urządzenia procesowe

Wykorzystanie inteligentnego sprzętu procesowego w celu poprawy sztywności układu procesowego i poprawy charakterystyk tłumienia jest również skutecznym sposobem na tłumienie odkształceń i wibracji obróbki cienkościennych łopatek, poprawę dokładności obróbki i poprawę jakości powierzchni. W ostatnich latach do obróbki różnych typów łopatek silników lotniczych użyto dużej liczby różnych urządzeń procesowych [28]. Ponieważ łopatki silników lotniczych mają zazwyczaj cienkościenne i nieregularne cechy konstrukcyjne, mały obszar zaciskania i pozycjonowania, niską sztywność obróbki i lokalne odkształcenia pod wpływem obciążeń tnących, sprzęt do obróbki łopatek zwykle stosuje pomocnicze wsparcie dla przedmiotu obrabianego na podstawie spełnienia zasady sześciopunktowego pozycjonowania [29] w celu optymalizacji sztywności układu procesowego i tłumienia odkształceń obróbki. Cienkościenne i nieregularne zakrzywione powierzchnie stawiają dwa wymagania dotyczące pozycjonowania i zaciskania narzędzi: po pierwsze, siła zacisku lub siła styku narzędzi powinna być rozłożona tak równomiernie, jak to możliwe na zakrzywionej powierzchni, aby uniknąć poważnych lokalnych odkształceń przedmiotu obrabianego pod wpływem siły zacisku; po drugie, elementy pozycjonujące, zaciskające i pomocnicze podpory narzędzi muszą lepiej pasować do złożonej zakrzywionej powierzchni przedmiotu obrabianego, aby generować równomierną siłę styku powierzchni w każdym punkcie styku. W odpowiedzi na te dwa wymagania naukowcy zaproponowali elastyczny system narzędziowy. Elastyczne systemy narzędziowe można podzielić na elastyczne narzędzia zmiennofazowe i adaptacyjne elastyczne narzędzia. Elastyczne narzędzia zmiennofazowe wykorzystują zmiany sztywności i tłumienia przed i po zmianie fazy płynu: płyn w fazie ciekłej lub fazie ruchomej ma niską sztywność i tłumienie i może dostosować się do złożonej zakrzywionej powierzchni przedmiotu obrabianego pod niskim ciśnieniem. Następnie płyn jest przekształcany w fazę stałą lub konsolidowany przez siły zewnętrzne, takie jak elektryczność/magnetyzm/ciepło, a sztywność i tłumienie ulegają znacznej poprawie, zapewniając tym samym równomierne i elastyczne wsparcie dla przedmiotu obrabianego oraz tłumiąc odkształcenia i drgania.

Sprzęt procesowy w tradycyjnej technologii przetwarzania łopatek silników lotniczych polega na użyciu materiałów zmiennofazowych, takich jak stopy o niskiej temperaturze topnienia, do wypełniania pomocniczego wsparcia. Oznacza to, że po ustawieniu i zaciśnięciu półfabrykatu obrabianego w sześciu punktach, odniesienie pozycjonowania przedmiotu obrabianego jest odlewane do bloku odlewniczego przez stop o niskiej temperaturze topnienia, aby zapewnić pomocnicze wsparcie dla przedmiotu obrabianego, a złożone pozycjonowanie punktowe jest przekształcane w regularne pozycjonowanie powierzchni, a następnie przeprowadzana jest precyzyjna obróbka części, która ma być przetworzona (patrz rysunek 6). Ta metoda przetwarzania ma oczywiste wady: konwersja odniesienia pozycjonowania prowadzi do zmniejszenia dokładności pozycjonowania; przygotowanie produkcji jest skomplikowane, a odlewanie i topienie stopu o niskiej temperaturze topnienia powoduje również problemy z pozostałościami i czyszczeniem na powierzchni przedmiotu obrabianego. Jednocześnie warunki odlewania i topienia są również stosunkowo złe [30]. Aby rozwiązać powyższe wady procesu, powszechną metodą jest wprowadzenie wielopunktowej struktury podporowej połączonej z materiałem zmiennofazowym [31]. Górny koniec konstrukcji wsporczej styka się z przedmiotem obrabianym w celu pozycjonowania, a dolny koniec jest zanurzony w komorze stopu o niskiej temperaturze topnienia. Elastyczne pomocnicze wsparcie jest uzyskiwane w oparciu o charakterystykę zmiany fazy stopu o niskiej temperaturze topnienia. Chociaż wprowadzenie konstrukcji wsporczej może zapobiec wadom powierzchni spowodowanym przez stopy o niskiej temperaturze topnienia stykające się z ostrzami, ze względu na ograniczenia wydajności materiałów o zmianie fazy, elastyczne narzędzia o zmianie fazy nie mogą jednocześnie spełniać dwóch głównych wymagań wysokiej sztywności i wysokiej szybkości reakcji i są trudne do zastosowania w wysoko wydajnej zautomatyzowanej produkcji.

Aby rozwiązać wady elastycznego oprzyrządowania z fazową zmianą, wielu naukowców włączyło koncepcję adaptacji do badań i rozwoju elastycznego oprzyrządowania. Adaptacyjne elastyczne oprzyrządowanie może adaptacyjnie dopasowywać złożone kształty ostrzy i możliwe błędy kształtu za pomocą systemów elektromechanicznych. Aby zapewnić równomierne rozłożenie siły styku na całym ostrzu, oprzyrządowanie zazwyczaj wykorzystuje wielopunktowe pomocnicze podpory w celu utworzenia matrycy podporowej. Zespół Wang Hui z Uniwersytetu Tsinghua zaproponował wielopunktowy elastyczny pomocniczy sprzęt do procesu podparcia odpowiedni do obróbki ostrzy o kształcie zbliżonym do kształtu netto [32, 33] (patrz rysunek 7). Oprzyrządowanie wykorzystuje wiele elastycznych elementów zaciskowych materiału w celu wspomagania podtrzymywania powierzchni ostrza o kształcie zbliżonym do kształtu netto, zwiększając powierzchnię styku ​​każdej powierzchni styku i zapewnienie, że siła zacisku jest równomiernie rozłożona na każdej części styku i całym ostrzu, co poprawia sztywność układu procesowego i skutecznie zapobiega lokalnej deformacji ostrza. Oprzyrządowanie ma wiele biernych stopni swobody, które mogą adaptacyjnie dopasowywać się do kształtu ostrza i jego błędu, jednocześnie unikając nadmiernego pozycjonowania. Oprócz uzyskania adaptacyjnego wsparcia za pomocą elastycznych materiałów, zasada indukcji elektromagnetycznej jest również stosowana w badaniach i rozwoju adaptacyjnego elastycznego oprzyrządowania. Zespół Yang Yiqinga z Beijing University of Aeronautics and Astronautics wynalazł pomocnicze urządzenie podtrzymujące oparte na zasadzie indukcji elektromagnetycznej [34]. Oprzyrządowanie wykorzystuje elastyczne pomocnicze wsparcie wzbudzane sygnałem elektromagnetycznym, które może zmieniać charakterystykę tłumienia układu procesowego. Podczas procesu zaciskania pomocnicze wsparcie adaptacyjnie dopasowuje się do kształtu przedmiotu obrabianego pod działaniem magnesu trwałego. Podczas obróbki drgania generowane przez obrabiany przedmiot są przenoszone na podporę pomocniczą, a odwrotna siła elektromagnetyczna jest wzbudzana zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej, tłumiąc w ten sposób drgania powstające podczas obróbki cienkościennych przedmiotów.

Obecnie w procesie projektowania wyposażenia procesowego analiza elementów skończonych, algorytm genetyczny i inne metody są powszechnie stosowane w celu optymalizacji układu wielopunktowych podpór pomocniczych [35]. Jednak wynik optymalizacji zazwyczaj może zapewnić jedynie zminimalizowanie odkształcenia obróbki w jednym punkcie i nie może zagwarantować, że taki sam efekt tłumienia odkształceń można osiągnąć w innych częściach obróbki. W procesie obróbki ostrza seria przejść narzędzia jest zwykle wykonywana na przedmiocie obrabianym na tej samej obrabiarce, ale wymagania dotyczące mocowania dla obróbki różnych części są różne i mogą nawet zmieniać się w czasie. W przypadku statycznej metody podparcia wielopunktowego, jeśli sztywność układu procesowego zostanie poprawiona przez zwiększenie liczby podpór pomocniczych, z jednej strony masa i objętość oprzyrządowania wzrosną, a z drugiej strony przestrzeń ruchu narzędzia zostanie ściśnięta. Jeśli położenie podpory pomocniczej zostanie zresetowane podczas obróbki różnych części, proces obróbki nieuchronnie zostanie przerwany, a wydajność obróbki zmniejszona. Dlatego zaproponowano sprzęt do procesu następczego [36-38], który automatycznie dostosowuje układ podparcia i siłę podparcia online zgodnie z procesem przetwarzania. Sprzęt do procesu następczego (patrz rysunek 8) może osiągnąć dynamiczne wsparcie poprzez skoordynowaną współpracę narzędzia i oprzyrządowania w oparciu o trajektorię narzędzia i zmiany warunków pracy zmieniającego się w czasie procesu skrawania przed rozpoczęciem jakiejkolwiek procedury przetwarzania: najpierw przesuń pomocnicze wsparcie do pozycji, która pomaga stłumić bieżące odkształcenie przetwarzania, tak aby obszar przetwarzania przedmiot obrabiany jest aktywnie podparty, podczas gdy inne jego części pozostają na swoim miejscu, mając jak najmniejszy kontakt, dostosowując się w ten sposób do zmieniających się w czasie wymagań dotyczących mocowania podczas procesu obróbki.

Aby jeszcze bardziej zwiększyć możliwości adaptacyjnego, dynamicznego wsparcia urządzeń procesowych, sprostać bardziej złożonym wymaganiom dotyczącym mocowania w procesie przetwarzania oraz poprawić jakość i wydajność produkcji łopatek, uzupełniające wsparcie pomocnicze rozszerzono o grupę składającą się z wielu dynamicznych podpór pomocniczych. Każda dynamiczna podpora pomocnicza ma za zadanie koordynować działania oraz automatycznie i szybko odtwarzać kontakt między grupą podpór a przedmiotem obrabianym, zgodnie ze zmieniającymi się w czasie wymaganiami procesu produkcyjnego. Proces rekonstrukcji nie wpływa na pozycjonowanie całego przedmiotu obrabianego i nie powoduje lokalnych przemieszczeń lub drgań. Sprzęt procesowy oparty na tej koncepcji nazywany jest samorekonfigurowalnym osprzętem grupowym [39], który charakteryzuje się elastycznością, rekonfigurowalnością i autonomią. Samorekonfigurowalny uchwyt grupowy może przydzielić wiele pomocniczych podpór w różnych pozycjach na podpartej powierzchni, zgodnie z wymaganiami procesu produkcyjnego, i może dostosować się do złożonych kształtów i dużych powierzchni obrabianych elementów, zapewniając jednocześnie wystarczającą sztywność i eliminując zbędne podpory. Zasada działania urządzenia polega na tym, że sterownik wysyła instrukcje zgodnie z zaprogramowanym programem, a ruchoma podstawa przemieszcza element podporowy do pozycji docelowej zgodnie z instrukcjami. Element podporowy dopasowuje się do lokalnego kształtu geometrycznego przedmiotu obrabianego, zapewniając odpowiednie podparcie. Charakterystykę dynamiczną (sztywność i tłumienie) powierzchni styku pomiędzy pojedynczym elementem podporowym i lokalnym przedmiotem obrabianym można kontrolować poprzez zmianę parametrów elementu podporowego (na przykład hydrauliczny element podporowy może zazwyczaj zmieniać wejściowe ciśnienie hydrauliczne w celu zmiany charakterystyki styku). Charakterystyki dynamiczne układu procesowego powstają w wyniku sprzężenia charakterystyk dynamicznych powierzchni styku wielu elementów podporowych z przedmiotem obrabianym i są powiązane z parametrami każdego elementu podporowego i układem grupy elementów podporowych. Projekt schematu rekonstrukcji wielopunktowego podparcia samoczynnie rekonfigurowalnego zespołu mocującego musi uwzględniać następujące trzy kwestie: dostosowanie do geometrycznego kształtu przedmiotu obrabianego, szybką zmianę położenia elementów podparcia i skoordynowaną współpracę wielu punktów podparcia [40]. Dlatego też podczas korzystania z samorekonfigurowalnego osprzętu grupowego konieczne jest użycie kształtu przedmiotu obrabianego, charakterystyk obciążenia i inherentnych warunków brzegowych jako danych wejściowych do rozwiązania problemu układu podpór wielopunktowych i parametrów podpór w różnych warunkach przetwarzania, zaplanowania ścieżki ruchu podpór wielopunktowych, wygenerowania kodu sterującego z wyników rozwiązania i zaimportowania go do sterownika. Obecnie naukowcy krajowi i zagraniczni prowadzą badania i podejmują próby dotyczące samorekonfigurujących się układów grupowych. W innych krajach w ramach projektu UE SwarmItFIX opracowano nowy, wysoce adaptowalny i samorekonfigurowalny system mocowania [41], który wykorzystuje zestaw ruchomych podpór pomocniczych, które mogą się swobodnie poruszać po stole roboczym i zmieniać swoje położenie w czasie rzeczywistym, aby lepiej podtrzymywać obrabiane części. Prototyp systemu SwarmItFIX został wdrożony w tym projekcie (patrz rysunek 9a) i przetestowany w siedzibie włoskiego producenta samolotów. W Chinach zespół Wang Hui z Uniwersytetu Tsinghua opracował czteropunktowy stół warsztatowy ze wspornikiem zaciskowym, który można kontrolować we współpracy z obrabiarką [42] (patrz rysunek 9b). Ten stół warsztatowy może podtrzymywać wspornikowy czop i automatycznie omijać narzędzie podczas dokładnej obróbki czopa łopatki turbiny.

5. Dyskusja na temat przyszłych trendów rozwojowych

5.1 Nowe materiały

W miarę jak wymagania projektowe dotyczące stosunku ciągu do masy silników lotniczych stale rosną, liczba części jest stopniowo zmniejszana, a poziom naprężeń części staje się coraz wyższy. Wydajność dwóch głównych tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych o wysokiej temperaturze osiągnęła swój limit. W ostatnich latach szybko rozwinęły się nowe materiały na łopatki silników lotniczych, a do produkcji łopatek cienkościennych stosuje się coraz więcej materiałów o wysokiej wydajności. Wśród nich γ-Stop TiAl[43] ma doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość właściwa, odporność na wysoką temperaturę i dobra odporność na utlenianie. Jednocześnie jego gęstość wynosi 3.9 g/cm3, co stanowi zaledwie połowę gęstości stopów wysokotemperaturowych. W przyszłości ma duży potencjał jako ostrze w zakresie temperatur 700-800℃. Mimo że γ-Stop TiAl ma doskonałe właściwości mechaniczne, jego wysoka twardość, niska przewodność cieplna, niska odporność na pękanie i wysoka kruchość powodują słabą integralność powierzchni i niską precyzję γ- Materiał stopu TiAl podczas cięcia, co poważnie wpływa na żywotność części. Dlatego badania przetwórcze γ-Stop TiAl ma istotne znaczenie teoretyczne i wartość oraz stanowi ważny kierunek badań w obecnej technologii obróbki łopatek.

5.2 Przetwarzanie adaptacyjne zmienne w czasie

Łopatki silników lotniczych mają złożone zakrzywione powierzchnie i wymagają wysokiej dokładności kształtu. Obecnie ich precyzyjna obróbka wykorzystuje głównie metody obróbki adaptacyjnej geometrycznej oparte na planowaniu ścieżki i rekonstrukcji modelu. Metoda ta może skutecznie zmniejszyć wpływ błędów spowodowanych pozycjonowaniem, zaciskaniem itp. na dokładność obróbki łopatek. Wpływ. Jednak ze względu na nierównomierną grubość półfabrykatu łopatki kutej matrycowo, głębokość cięcia w różnych obszarach narzędzia jest różna w trakcie procesu cięcia zgodnie z zaplanowaną ścieżką, co wprowadza niepewne czynniki do procesu cięcia i wpływa na stabilność obróbki. W przyszłości, podczas procesu obróbki adaptacyjnej CNC, rzeczywiste zmiany stanu obróbki powinny być lepiej śledzone [44], co znacznie poprawi dokładność obróbki złożonych zakrzywionych powierzchni i stworzy metodę obróbki adaptacyjnej ze sterowaniem zmiennym w czasie, która dostosowuje parametry cięcia na podstawie danych zwrotnych w czasie rzeczywistym.

5.3 Inteligentny sprzęt procesowy

Jako największy typ części w silniku, wydajność produkcyjna łopatek bezpośrednio wpływa na ogólną wydajność produkcyjną silnika, a jakość produkcji łopatek bezpośrednio wpływa na wydajność i żywotność silnika. Dlatego inteligentna precyzyjna obróbka łopatek stała się kierunkiem rozwoju produkcji łopatek silników na świecie. Badania i rozwój obrabiarek i sprzętu procesowego są kluczem do realizacji inteligentnej obróbki łopatek. Dzięki rozwojowi technologii CNC poziom inteligencji obrabiarek szybko się poprawił, a wydajność przetwarzania i produkcji została znacznie zwiększona. Dlatego badania, rozwój i innowacje w zakresie inteligentnego sprzętu procesowego są ważnym kierunkiem rozwoju dla wydajnej i precyzyjnej obróbki cienkościennych łopatek. Wysoce inteligentne obrabiarki CNC są łączone z wyposażeniem procesowym w celu utworzenia inteligentnego systemu obróbki łopatek (patrz rysunek 10), który realizuje wysoce precyzyjną, wysoce wydajną i adaptacyjną obróbkę CNC cienkościennych łopatek.