Pesquisa e aplicação da tecnologia de usinagem adaptativa para reparo de danos nas pontas das pás do turbina do motor a jato

A reparação de pás de turbina danificadas é de grande importância para a manutenção e extensão da vida de motores aeronáuticos. Este artigo revisa o progresso da pesquisa na tecnologia de reparação de uma determinada pá de trabalho de turbina feita de liga de alta temperatura à base de níquel, com foco no método de reparação por usinagem adaptativa na ponta da pá, e explica profundamente o processo experimental de usinagem e os resultados de verificação, além de olhar para as perspectivas de desenvolvimento da tecnologia de reparação de pás de turbina.

O motor aeronáutico é o núcleo de energia da aeronave. Entre os vários componentes do motor aeronáutico, a missão funcional e as características de trabalho das pás da turbina determinam que elas sejam uma das peças rotativas com o maior nível de tensão e a maior carga no motor da aeronave, o que também causa falhas e danos comuns nas pás da turbina. Entre elas, a falha por trincas tem a maior probabilidade de ocorrer e o maior dano, principalmente trincas de fadiga causadas pela força centrífuga somada ao esforço de flexão, trincas de fadiga por vibração causadas pelo ambiente vibratório e trincas de fadiga em alta temperatura causadas por danos corrosivos provocados pelos meios ambientais. Nesta fase, para reduzir o custo de uso do motor, a remanufatura e reparo das pás da turbina danificadas têm grande importância.

Entre as tecnologias-chave para a reparação de pás de turbina, a tecnologia de processamento adaptativo atraiu a atenção de muitos pesquisadores como um meio eficaz para alcançar uma sobreposição suave das bordas danificadas e a formação de alta precisão das áreas reparadas. A TTL, uma empresa britânica, obtém informações sobre as linhas de seção transversal da pá por meio de métodos de medição por contato e utiliza as informações do perfil da linha de seção transversal medida para reconstruir o modelo da área desgastada da ponta, deslocando-se ao longo da direção Z, e gera códigos de processamento para remover a camada de revestimento. A Delcam, uma empresa britânica, propôs um método de reconstrução de modelo para reparação da ponta da pá da turbina por medição no equipamento, o que reduziu o problema de acúmulo de erro de posicionamento através da medição no equipamento; duas séries de dados transversais próximas à camada de revestimento foram obtidas por medição por contato, e o modelo geométrico a ser reparado da ponta desgastada da pá com grão reto foi calculado, de modo a completar todo o processo de reparação por usinagem. Com base na teoria do sistema cinza, Ding Huapeng previu a linha de arco e a espessura do perfil da lâmina na área danificada e, em seguida, reconstruiu o modelo completo da lâmina, obtendo o modelo de defeito de reparação por diferença booleana, alcançando assim um certo efeito de reparação. Hou F et al. propuseram um método de reparação adaptativa para o corpo da lâmina, incluindo modelagem da superfície soldada e modelagem otimizada da superfície-alvo de reparação, e finalmente utilizaram simulação para provar a eficácia do método de reparação. Zhang X et al. propuseram um esquema automatizado de reparação para áreas danificadas de lâminas de motor, que é formado diretamente por revestimento de material. Comparado aos métodos tradicionais de reparação, é inovador até certo ponto, mas é difícil reparar lâminas de turbinas com superfícies complexas.

A pesquisa acima mostra que a reparação de pás de motores aeronáuticos é um tema quente no campo da aviação, tanto no mercado interno quanto internacional. No campo de usinagem de reparo, o foco está em alcançar uma sobreposição suave entre a área reparada e a área não danificada, bem como na formação de alta precisão após o reparo. Portanto, com base na pesquisa de reparo mencionada acima, este artigo toma a pás do rotor danificado como exemplo para realizar pesquisas de aplicação da tecnologia de usinagem adaptativa para reparo de danos na ponta da pás, garantindo que a área usinada e a área não usinada da pás reparada possam alcançar uma transição suave de sobreposição, e que a superfície de reparo geral atenda aos requisitos finais de tolerância da pás reparada.

1 Análise da viabilidade do reparo de danos na ponta da pás

A Figura 1 mostra um defeito típico de rachadura na ponta da pás de uma turbina. Com base nisso, propõe-se um método de remanufatura e reparo para a ponta danificada de uma pás de turbina de motor aeronáutico. Uma solução de remanufatura e reparo é estabelecida, que inclui remover a parte danificada da ponta da pá - soldagem a fusão e depósito de material (como mostrado na Figura 2) - obtenção de nuvem de pontos da pá - reconstrução do modelo digital da pá - processamento adaptativo da pá, para alcançar o reparo adaptativo da precisão das dimensões geométricas e recuperação do desempenho da pá. A qualidade e o desempenho da pá reparada atendem aos requisitos de design e podem ser utilizados para reparo em tempo real no local de reparo, fornecendo uma solução eficaz para realizar o processamento de reparo em lote de componentes danificados de motores aeronáuticos.

1.1 Análise das dificuldades do processo

Devido ao problema de precisão na fundição, existem diferenças individuais entre a lâmina finalizada e o modelo teórico de design. O tamanho do contorno da lâmina é formado no estado novo, e após um ciclo de trabalho, ela sofrerá deformações e defeitos em diferentes graus. Devido à particularidade do objeto processado, se for reparada e processada de acordo com o tamanho teórico do desenho de projeto, a precisão da forma da lâmina original será destruída. Se um conjunto de códigos de processamento precisar ser regenerado de acordo com o modelo CAD para cada peça processada, isso afetará muito o ciclo total de processamento da peça.

A ponta da lâmina possui uma estrutura complexa, com um boss e uma placa de cobertura a 2 a 3 mm abaixo da ponta da lâmina, e a largura mais estreita da costura da borda traseira é de apenas 0,5 mm. A lâmina é uma estrutura de cavidade interna, e há muitos orifícios de filme de ar na superfície do corpo da lâmina. As virutas entram facilmente na cavidade interna e nos orifícios de filme de ar, tornando difícil a limpeza.

1.2 Requisitos técnicos principais

(1) Após a reparação da ponta, os contornos das superfícies curvas internas e externas correspondem ao desenho de projeto e são suavemente conectados à forma original da base da lâmina.

(2) A espessura mínima da parede ao longo da forma da lâmina na borda traseira da ponta é de 0,41 mm, e a espessura mínima da parede ao longo da forma da lâmina em outras partes é de 0,51 mm (conforme mostrado na Figura 3).

(3) A dimensão da altura da lâmina é garantida.

(4) A rugosidade não deve ser superior a Ra0,8 μm.

(5) Não são permitidas virutas ou outras impurezas dentro da cavidade interna e dos orifícios de filme de ar.

(6) A área reparada é inspecionada por fluorescência para garantir que não haja trincas, inclusões, etc., e a inspeção é realizada de acordo com os padrões de inspeção por fluorescência e padrões de aceitação.

Tecnologia de usinagem adaptativa para reparo de danos na ponta da lâmina

Dada as dificuldades no processo de reparo da ponta da pás do rotor da turbina, nomeadamente: a deformação de cada pás reparada é inconsistente, a posição e o ângulo de fixação são diferentes, e a precisão da fundição original apresenta problemas. Esses problemas práticos podem ser detectados rapidamente online através da tecnologia de processamento adaptativo para cada peça ou parte a ser processada, e pode-se entender a forma e distribuição de posição real. Em seguida, o sistema reconstrói o modelo digital alvo consistente com o design através dos dados medidos, gera uma trajetória personalizada única para atender à fabricação do produto, e finalmente conforma-se com o design e o objeto real. A rota de tecnologia de processamento adaptativo está mostrada na Figura 4.

2.2 Tecnologia de registro de dados do modelo CAD

Devido às características personalizadas do branco do objeto processado, o modelo CAD reconstruído carece de uma superfície de referência regular para encontrar seu sistema de coordenadas, e é necessário usar a tecnologia de registro para alinhar seu sistema de coordenadas. Os dois conjuntos de pontos no espaço são o modelo teórico X{xi} e as informações de medição P{pi} do objeto processado. O conjunto de pontos P é rotacionado e transladado para minimizar a distância com o conjunto de pontos X, e estabelece-se a relação de transformação espacial entre as informações de medição P{pi} e as informações do modelo teórico X{xi}. A relação de transformação espacial inclui a matriz de rotação R e a matriz de translação T. Em seguida, usa-se o método de emparelhamento de pontos mais próximos para encontrar um ponto em X que esteja mais próximo de cada ponto em P para emparelhá-los, formando um novo conjunto de pontos X', como mostrado na Figura 5.

3 Verificação da tecnologia de usinagem adaptativa para reparo de danos na ponta da pás

O sistema de usinagem adaptativa inclui software e hardware de usinagem adaptativa, como ferramentas de corte e máquinas-ferramenta. A integração desses dois elementos é a chave para alcançar, ultimateimente, a usinagem adaptativa. No trabalho de reparo de um certo tipo de pás de turbina de alta pressão, o sistema de usinagem adaptativa foi utilizado para realizar o reparo das pás, completando o processamento de reparo e a verificação de aplicação de várias pás de motores.

3.1 Passos do teste

Passo 1: Após a área danificada da ponta da pá a ser reparada ser preenchida por revestimento e solda superficial, as informações de medição da área próxima à ponta danificada são obtidas através de detecção in-loco.

Passo 2: Obtenha as informações do modelo teórico antes do reparo da ponta da pá.

Passo 3: Use o registro de dados para estabelecer a relação de transformação espacial entre as informações de medição e as informações do modelo teórico (a relação de transformação espacial inclui rotação e translação) e obtenha a correção de rotação e translação, ou seja, a quantidade de rotação e translação após a melhor ajuste.

Passo 4: Gere o arquivo CLSF da trajetória de localização da ferramenta de usinagem com base nas informações do modelo teórico e gere a localização corrigida da ferramenta e o vetor do eixo da ferramenta no arquivo CLSF de acordo com a quantidade de correção obtida na direção XYZ no passo 3.

Passo 5: Polir e lixar a área danificada da ponta da lâmina da pás da turbina usando a trajetória da ferramenta modificada, de modo a alcançar a restauração completa da ponta precisa da lâmina.

Como mostrado na Figura 6, uma sonda RMP40 e uma bola de estilho de φ6 mm são usadas para detecção online. Doze pontos de medição são obtidos otimizando as duas seções próximas à ponta da lâmina. Os arquivos de dados de medição gerados podem ser transmitidos de volta ao sistema de software do computador, e o modelo de processamento pode ser gerado automaticamente no UG com base nos dados de medição.

O teste utilizou um centro de usinagem vertical de três eixos, e a lâmina foi fixada verticalmente no torno através de um pallet de troca rápida, o que facilitou a precisão do reaperto repetido durante a usinagem e o processamento de características no processo subsequente, conforme mostrado na Figura 7.

O arquivo CLSF da trajetória da ferramenta de usinagem gerado está mostrado na Figura 8.

3.2 Proteção da cavidade interna e do orifício do filme de ar

Durante o teste, o requisito técnico de que não sejam permitidos fragmentos ou outras impurezas no interior da cavidade e nos orifícios do filme de ar foi atendido. Durante o teste de processo, a cavidade interna e os múltiplos orifícios do filme de ar da lâmina foram protegidos. Este estudo técnico utiliza cola funcional para selar a cavidade interna e os orifícios do filme de ar, protegendo assim os orifícios. Entende-se que, ao reparar esse tipo de lâmina no exterior, é usado um "cola de massa epóxi multifuncional líquida" para proteger a cavidade e os orifícios do filme de ar. Após resfriamento, ela solidifica para alcançar um efeito protetor. Quando aquecida acima de 100°C, derrete e se transforma em "cinza", que pode ser soprado ou removido por limpeza ultrassônica. Não há resíduos nos pequenos orifícios. Em aplicações de engenharia em lote subsequentes, a proteção e limpeza das cavidades e pequenos orifícios será particularmente importante, sendo necessário continuar a buscar maneiras mais adequadas para evitar a entrada de fragmentos e impurezas.

3.3 Resultados do teste

Ao medir o perfil da ponta da pás de turbina reparada, como mostrado na Figura 9, a forma atende aos requisitos da tecnologia do processo. A partir da inspeção visual, pode-se observar que a área reparada da pás e o perfil original são suavemente transicionados após o polimento adaptativo, como mostrado na Figura 10. A espessura das cavidades internas e externas é qualificada, a rugosidade superficial é inferior a Ra0,8 μm e outros indicadores técnicos atendem aos requisitos do processo. Por meio da inspeção fluorescente, o processo de usinagem não causou novas trincas ou outros defeitos.

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