Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ gia công thích ứng để sửa chữa hư hỏng đầu cánh tua-bin động cơ hàng không

Việc sửa chữa các cánh tua-bin bị hư hại có ý nghĩa lớn đối với việc bảo trì và kéo dài tuổi thọ của động cơ máy bay. Bài báo này xem xét tiến độ nghiên cứu về công nghệ sửa chữa của một loại lưỡi cánh tua-bin làm từ hợp kim niken đúc chịu nhiệt, tập trung vào phương pháp sửa chữa bằng gia công thích ứng ở đầu cánh, đồng thời trình bày sâu quy trình gia công thí nghiệm và kết quả kiểm chứng, cũng như triển vọng phát triển của công nghệ sửa chữa lưỡi cánh tua-bin.

Động cơ máy bay là lõi sức mạnh của máy bay. Trong số các bộ phận khác nhau của động cơ máy bay, nhiệm vụ chức năng và đặc điểm làm việc của cánh tua-bin quyết định rằng đây là một trong những chi tiết quay có ứng suất xấu nhất và chịu tải lớn nhất trong động cơ máy bay, điều này cũng gây ra sự cố và hư hỏng phổ biến của cánh tua-bin. Trong đó, sự cố nứt có xác suất xảy ra cao nhất và gây hại lớn nhất, chủ yếu là vết nứt mệt mỏi do lực ly tâm cộng thêm với ứng suất uốn, vết nứt mệt mỏi rung động do môi trường rung động, và vết nứt mệt mỏi nhiệt độ cao do tổn thương ăn mòn gây ra bởi môi trường. Ở giai đoạn hiện tại, để giảm chi phí sử dụng động cơ, việc tái chế và sửa chữa cánh tua-bin bị hư hỏng có ý nghĩa rất lớn.

Trong số các công nghệ chính cho việc sửa chữa cánh tua-bin, công nghệ xử lý thích ứng đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu như một phương tiện hiệu quả để đạt được sự nối tiếp mượt mà của các biên giới bị hư hại và tạo hình chính xác cao cho các khu vực đã được sửa chữa. TTL, một công ty Anh, thu thập thông tin về các đường cắt ngang của lưỡi cánh qua phương pháp đo lường tiếp xúc và sử dụng thông tin về hồ sơ đường cắt ngang đã đo để hoàn thành việc tái tạo mô hình của khu vực mòn đầu bằng cách dịch chuyển theo hướng Z, và sinh ra mã gia công để loại bỏ lớp phủ. Delcam, một công ty Anh, đã đề xuất một phương pháp tái tạo mô hình cho việc sửa chữa đầu lưỡi cánh tua-bin bằng đo lường trên máy, giảm thiểu vấn đề tích lũy lỗi định vị thông qua đo lường trên máy; hai dữ liệu mặt cắt gần lớp phủ đã được thu thập bằng phương pháp đo lường tiếp xúc, và mô hình hình học cần được sửa chữa của đầu lưỡi cánh bị mòn với cấu trúc thẳng đã được tính toán, nhằm hoàn thành toàn bộ quá trình sửa chữa bằng mài giũa. Dựa trên lý thuyết hệ thống xám, Ding Huapeng dự đoán đường cong và độ dày của profile lưỡi cánh trong khu vực bị hư hại, sau đó tái tạo mô hình lưỡi cánh hoàn chỉnh, và sau đó thu được mô hình khuyết tật sửa chữa thông qua phép hiệu Boolean, từ đó đạt được một hiệu quả sửa chữa nhất định. Hou F và cộng sự đã đề xuất một phương pháp sửa chữa thích ứng cho thân lưỡi cánh, bao gồm việc tạo mô hình bề mặt hàn và tối ưu hóa mô hình bề mặt mục tiêu sửa chữa, và cuối cùng sử dụng mô phỏng để chứng minh hiệu quả của phương pháp sửa chữa. Zhang X và cộng sự đã đề xuất một phương án sửa chữa tự động cho các khu vực bị hư hại của lưỡi cánh động cơ, được tạo trực tiếp bằng cách phủ vật liệu. So với các phương pháp sửa chữa truyền thống, phương pháp này có tính sáng tạo đến một mức độ nhất định, nhưng khó áp dụng để sửa chữa các lưỡi cánh tua-bin có bề mặt phức tạp.

Nghiên cứu trên cho thấy rằng việc sửa chữa cánh quạt động cơ máy bay là một chủ đề nóng trong lĩnh vực hàng không cả trong và ngoài nước. Trong lĩnh vực gia công sửa chữa, trọng tâm là đạt được sự nối tiếp mượt mà giữa khu vực sửa chữa và khu vực không bị hư hại, cũng như định hình chính xác sau khi sửa chữa. Do đó, dựa trên nghiên cứu sửa chữa trên, bài báo này lấy ví dụ về lá turbin làm việc bị hư hại để tiến hành nghiên cứu ứng dụng công nghệ gia công thích ứng cho việc sửa chữa hư hại đầu cánh, đảm bảo rằng khu vực gia công và khu vực không gia công của lá đã sửa có thể đạt được sự nối tiếp mượt mà, và bề mặt sửa chữa tổng thể đáp ứng các yêu cầu độ lệch cuối cùng của lá đã sửa.

1 Phân tích khả năng gia công sửa chữa hư hại đầu cánh

Hình 1 cho thấy khuyết tật nứt đầu cánh tuabin điển hình. Dựa trên điều này, một phương pháp tái chế và sửa chữa phần đầu cánh bị hư hại của lưỡi cánh tuabin động cơ máy bay được đề xuất. Giải pháp tái chế và sửa chữa bao gồm việc loại bỏ phần bị hư hỏng của đầu cánh - hàn tan chảy và đắp kim loại (như được hiển thị trong Hình 2) - thu thập đám mây điểm của lưỡi cánh - tái tạo mô hình số của lưỡi cánh - xử lý thích ứng lưỡi cánh, để đạt được việc sửa chữa thích ứng về độ chính xác kích thước hình học của lưỡi cánh và phục hồi hiệu suất. Chất lượng và hiệu suất của lưỡi cánh đã được sửa chữa đáp ứng các yêu cầu thiết kế và có thể được sử dụng để sửa chữa kịp thời tại hiện trường sửa chữa, cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc thực hiện sửa chữa hàng loạt các thành phần bị hư hại của động cơ máy bay.

1.1 Phân tích khó khăn trong quy trình

Do vấn đề về độ chính xác của quá trình đúc, có sự khác biệt cá thể giữa lưỡi dao thành phẩm và mô hình thiết kế lý thuyết. Kích thước đường viền của lưỡi dao được tạo ra ở trạng thái mới, và sau một chu kỳ làm việc, nó sẽ xuất hiện các mức độ biến dạng và khuyết tật khác nhau. Do đặc thù của đối tượng được xử lý, nếu sửa chữa và gia công theo kích thước lý thuyết trên bản vẽ thiết kế, độ chính xác về hình dáng của lưỡi dao ban đầu sẽ bị phá hủy. Nếu cần phải tái sinh một bộ mã gia công dựa trên mô hình CAD cho mỗi chi tiết gia công, điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến toàn bộ chu kỳ gia công của chi tiết.

Mũi lưỡi có cấu trúc phức tạp, với trục và tấm che cách mũi lưỡi 2 đến 3 mm, và chiều rộng hẹp nhất của đường may mép sau chỉ là 0,5 mm. Lưỡi có cấu trúc khoang rỗng bên trong, và có nhiều lỗ màng khí trên bề mặt thân lưỡi. Tô dễ dàng xâm nhập vào khoang rỗng và các lỗ màng khí, khiến việc làm sạch trở nên khó khăn.

1.2 Yêu cầu kỹ thuật chính

(1) Sau khi sửa chữa đầu mút, các đường cong của bề mặt cong trong và ngoài phù hợp với bản vẽ thiết kế và được kết nối liền mạch với hình dạng lưỡi gốc ban đầu.

(2) Độ dày tối thiểu của thành dọc theo hình dáng lưỡi tại mép sau của đầu mút là 0,41 mm, và độ dày tối thiểu của thành dọc theo hình dáng lưỡi ở các phần khác là 0,51 mm (như được hiển thị trong Hình 3).

(3) Kích thước chiều cao của lưỡi được đảm bảo.

(4) Độ nhám không lớn hơn Ra0,8 μm.

(5) Không được phép có tô hoặc các tạp chất khác còn sót lại trong khoang rỗng và các lỗ màng khí.

(6) Khu vực đã sửa chữa được kiểm tra bằng huỳnh quang để đảm bảo rằng không có vết nứt, tạp chất, v.v., và việc kiểm tra được thực hiện theo tiêu chuẩn kiểm tra huỳnh quang và tiêu chuẩn chấp nhận.

Công nghệ gia công thích ứng 2 cho việc sửa chữa hư hại đầu cánh

Do những khó khăn trong quá trình sửa chữa phần đầu lưỡi của cánh turbin, cụ thể là: biến dạng của mỗi lưỡi đã sửa không đồng nhất, vị trí và góc kẹp khác nhau, và độ chính xác của việc đúc ban đầu có vấn đề. Những vấn đề thực tế này có thể được phát hiện nhanh chóng trực tuyến thông qua công nghệ xử lý thích ứng cho từng bộ phận hoặc chi tiết cần gia công, từ đó nắm bắt hình dạng và phân bố vị trí thực tế. Sau đó, hệ thống tái tạo mô hình số mục tiêu phù hợp với thiết kế dựa trên dữ liệu đo được, tạo ra một đường đi cá nhân hóa duy nhất để đáp ứng yêu cầu sản xuất sản phẩm, và cuối cùng đảm bảo phù hợp với thiết kế và đối tượng thực tế. Quy trình công nghệ xử lý thích ứng được hiển thị ở Hình 4.

2.2 Công nghệ đăng ký dữ liệu mô hình CAD

Do đặc tính cá nhân hóa của phôi được xử lý, mô hình CAD tái cấu trúc thiếu một mặt phẳng tham chiếu quy tắc để tìm hệ tọa độ của nó, và cần thiết phải sử dụng công nghệ đăng ký để căn chỉnh hệ tọa độ. Hai tập điểm trong không gian là mô hình lý thuyết X{xi} và thông tin đo lường P{pi} của đối tượng đã xử lý. Tập điểm P được xoay và dịch chuyển để tối thiểu hóa khoảng cách với tập điểm X, và mối quan hệ biến đổi không gian giữa thông tin đo lường P{pi} và thông tin mô hình lý thuyết X{xi} được thiết lập. Mối quan hệ biến đổi không gian bao gồm ma trận xoay R và ma trận dịch chuyển T. Sau đó, phương pháp ghép cặp điểm gần nhất được sử dụng để tìm một điểm trong X gần nhất với mỗi điểm trong P để ghép cặp, tạo thành một tập điểm mới X', như Hình 5所示.

3 Kiểm chứng công nghệ gia công thích ứng cho sửa chữa hư hại đầu cánh quạt

Hệ thống gia công thích ứng bao gồm phần mềm và phần cứng gia công thích ứng như máy công cụ và dụng cụ cắt. Sự tích hợp giữa hai yếu tố này là chìa khóa để đạt được gia công thích ứng. Trong công việc sửa chữa của một loại lưỡi tuabin áp suất cao nhất định, hệ thống gia công thích ứng đã được sử dụng để thực hiện sửa chữa các lưỡi, và hoàn thành việc xử lý sửa chữa và xác minh ứng dụng của nhiều lưỡi động cơ.

3.1 Các bước thử nghiệm

Bước 1: Sau khi khu vực bị hư hỏng của đầu lưỡi cần sửa chữa được điền đầy bằng cách hàn đắp và hàn phủ, thông tin đo lường của khu vực gần đầu lưỡi bị hư hỏng được thu thập thông qua kiểm tra trong máy.

Bước 2: Thu được thông tin mô hình lý thuyết trước khi sửa chữa đầu lưỡi.

Bước 3: Sử dụng đăng ký dữ liệu để thiết lập mối quan hệ biến đổi không gian giữa thông tin đo lường và thông tin mô hình lý thuyết (mối quan hệ biến đổi không gian bao gồm xoay và dịch chuyển), và thu được sự hiệu chỉnh xoay và dịch chuyển, tức là lượng xoay và dịch chuyển sau khi khớp tốt nhất.

Bước 4: Tạo tệp CLSF về đường dẫn vị trí công cụ gia công theo thông tin mô hình lý thuyết, và tạo vị trí công cụ đã hiệu chỉnh và vectơ trục công cụ trong tệp CLSF theo lượng hiệu chỉnh ở hướng XYZ thu được từ bước 3.

Bước 5: Mài và đánh bóng khu vực bị hư hại của đầu cánh tua-bin bằng đường dẫn công cụ đã sửa đổi, nhằm đạt được việc phục hồi hoàn toàn độ chính xác của đầu cánh.

Như được hiển thị trong Hình 6, một đầu dò RMP40 và quả cầu stylus đường kính φ6 mm được sử dụng cho việc đo lường trực tuyến. Mười hai điểm đo được thu thập bằng cách tối ưu hóa hai phần gần đầu cánh quạt. Các tệp dữ liệu đo lường được tạo ra có thể được truyền ngược lại hệ thống phần mềm máy tính, và mô hình xử lý có thể được tự động tạo ra trong UG dựa trên dữ liệu đo lường.

Buổi thử nghiệm đã sử dụng trung tâm gia công đứng ba trục, và lưỡi cánh được gắn cantilever thẳng đứng trên bàn làm việc thông qua đế kẹp công cụ thay đổi nhanh, điều này giúp tăng độ chính xác khi kẹp lại nhiều lần trong quá trình gia công và xử lý đặc trưng ở quy trình tiếp theo, như được hiển thị trong Hình 7.

Tập tin CLSF quỹ đạo công cụ gia công được tạo ra được hiển thị trong Hình 8.

3.2 Bảo vệ khoang trong và lỗ màng khí

Trong quá trình thử nghiệm, yêu cầu kỹ thuật rằng không được phép có mạt kim loại hoặc các tạp chất khác tồn đọng trong khoang nội bộ và lỗ màng khí đã được đáp ứng. Trong quá trình thử nghiệm, khoang nội bộ và nhiều lỗ màng khí của lưỡi dao đã được bảo vệ. Nghiên cứu kỹ thuật này sử dụng keo chức năng để niêm phong khoang nội bộ và lỗ màng khí, từ đó bảo vệ các lỗ. Được biết rằng khi sửa chữa loại lưỡi dao này ở nước ngoài, người ta sử dụng một loại "keo bột epoxy đa năng" dạng lỏng để bảo vệ khoang và lỗ màng khí. Sau khi làm nguội, nó sẽ cứng lại để đạt hiệu quả bảo vệ. Khi được làm nóng lên trên 100°C, nó sẽ tan chảy và chuyển thành "xám", có thể thổi ra hoặc loại bỏ bằng làm sạch siêu âm. Không có tàn dư trong các lỗ nhỏ. Trong các ứng dụng kỹ thuật hàng loạt sau này, việc bảo vệ và làm sạch khoang và các lỗ nhỏ sẽ đặc biệt quan trọng, và cần tiếp tục tìm kiếm những cách phù hợp hơn để ngăn chặn sự xâm nhập của mạt kim loại và tạp chất.

3.3 Kết quả thử nghiệm

Bằng cách đo lường hình dạng đầu của cánh tuabin đã được sửa chữa, như được hiển thị trong Hình 9, hình dáng đáp ứng yêu cầu công nghệ quy trình. Từ việc kiểm tra bề ngoài có thể thấy rằng khu vực sửa chữa của lưỡi cánh và hình dạng ban đầu chuyển tiếp một cách mượt mà sau khi đánh bóng thích ứng, như được hiển thị trong Hình 10. Độ dày thành của các khoang trong và ngoài đạt tiêu chuẩn, độ nhám bề mặt dưới Ra0.8 μm, và các chỉ số kỹ thuật khác đáp ứng yêu cầu quy trình. Qua kiểm tra huỳnh quang, quá trình gia công không gây ra các vết nứt mới hay khuyết tật khác.

Liên hệ với chúng tôi

Cảm ơn bạn đã quan tâm đến công ty của chúng tôi! Là một công ty chuyên sản xuất phụ tùng tua-bin khí, chúng tôi sẽ tiếp tục cam kết đổi mới công nghệ và cải thiện dịch vụ, nhằm cung cấp nhiều giải pháp chất lượng cao hơn cho khách hàng trên toàn thế giới. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi, đề xuất hoặc ý định hợp tác nào, chúng tôi rất sẵn lòng giúp đỡ bạn. Vui lòng liên hệ với chúng tôi theo các cách sau đây:

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