Tehnologija obrade visokih performansi ključna je tehnologija za preradu kritičnih dijelova za zrakoplovstvo, koja vodi industriju avioprerađivačke industrije ka većoj efikasnosti proizvodnje i kvaliteti obrade. Ova tehnologija pruža tehničku podršku za visokokvalitetan razvoj kritičnih avio-svemirskih delova kroz poboljšanje efikasnosti proizvodnje i tačnosti obrade procesa obrade. Predstavljene su prednosti i područja primjene tehnologije obrade visokih performansi, a sažet je istraživački napredak naučnika u tehnologiji obrade visokih performansi u području zrakoplovstva, uključujući tehnologiju obrade velike brzine (HSM), tehnologiju obrade višeosinih spojnica, tehnologija mikro mašinske obrade i tipična obrada materijala za vazduhoplovstvo. Istovremeno, perspektivni su i izazovi i razvojni trendovi s kojima se tehnologija može suočiti u budućnosti.
Predgovor
01
Industrija zrakoplovne proizvodnje je na čelu tehnologije obrade visokih performansi i ima stroge zahtjeve u pogledu performansi i tačnosti mehaničkih dijelova, posebno onih koji se koriste u teškim uvjetima kao što su visoka temperatura i visoki tlak [1]. Proizvodnja ovih delova oslanja se na precizne i pouzdane tehnologije obrade visokih performansi, kao što su obrada velike brzine, višeosna obrada, mikro-obrada i obrada tipičnih vazduhoplovnih materijala. Ove tehnologije ne samo da poboljšavaju efikasnost proizvodnje i smanjuju troškove, već i osiguravaju kvalitetu i performanse dijelova [2].
U vazduhoplovstvu, ključni delovi kao što su impeleri, lopatice, kućišta i delovi sa tankim zidovima obično su napravljeni od legura visokih performansi, sa složenim dizajnom i izuzetno visokim zahtevima za preciznošću [3]. Osim toga, ovi dijelovi su podložni deformacijama tokom obrade, posebno tankozidnih, tako da je tehnologija obrade visokih performansi vrlo važna pri izradi ovih kritičnih dijelova. Ove tehnologije ne samo da mogu da obrađuju materijale koji se teško obrađuju, već i da obezbede kvalitet proizvoda i performanse u ekstremnim radnim okruženjima i složenim zahtevima dizajna, dok istovremeno postižu preciznost obrade od mikrona do nano [4], posebno u proizvodnji impelera, lopatica i kućišta. U pogledu kritičnih i teških predmeta, pokazao je značajne prednosti.
Ukratko, primjena tehnologije obrade visokih performansi u svemirskom polju ne samo da poboljšava efikasnost proizvodnje i kvalitet proizvoda, već i pokreće razvoj novih materijala i inovativnih dizajna. Ovo je ključno za ispunjavanje strogih standarda i složenih proizvodnih zahtjeva u industriji proizvodnje svemira.
Konotacija tehničke obrade visokih performansi
02
Tehnologija obrade visokih performansi je inženjerska tehnologija koja integrira ključne elemente kao što su tehnologija obrade velike brzine (HSM), tehnologija obrade višeosnih spojnica, tehnologija mikro obrade i tehnologija materijala koji se teško obrađuje, s ciljem poboljšanja efikasnosti obrade materijala , tačnost i performanse. Okvir je prikazan na slici 1. U oblasti vazduhoplovstva, ove tehnologije se koriste za proizvodnju delova visoke potražnje kako bi se nosile sa zahtevima složenosti i pouzdanosti, što pokreće kontinuirani napredak proizvodne tehnologije u ovoj oblasti.
Slika 1 Okvir tehnologije obrade visokih performansi
2.1 Tehnologija obrade velike brzine
Tehnologija obrade velike brzine u sektoru zrakoplovstva igra ključnu ulogu u proizvodnji preciznih i složenih dijelova. Skraćuje proizvodni ciklus i poboljšava kvalitet površine dijelova povećanjem brzine uklanjanja materijala i optimizacijom putanje obrade. U brzom glodanju, za obradu složenih konstrukcija na konveksnim i konkavnim površinama i petoosnim CNC glodalicama koriste se čvrsti i indeksirani glodali s kugličnim vrhom. Operacije glodanja prikazane su na slici 2, što odražava raznolikost i složenost tehnologije [4].
slika
a) Glodanje konveksne površine b) Glodanje konkavne površine
slika
c) Glodanje složenih struktura
Slika 2 Obrada glodanjem u različitim radnim uslovima [4]
Za specifični materijal TC4 legura titana, Wang Sheng et al. [5] je postigao značajna poboljšanja u efikasnosti obrade i kvaliteti površine optimizacijom parametara glodanja PCD alata. Istraživanje LUIS et al. [6] su otkrili da su u složenom površinskom glodanju maksimalna radijalna dubina, količina posmaka i strategija rezanja prema dolje ključni za poboljšanje kvalitete površine i produktivnosti. VOGEL et al. [7] razvio je napredni držač alata sa unutrašnjom strukturom punjenja čestica. Držač alata je testiran za struganje u kompaniji Monfort, kao što je prikazano na slici 3. Smanjenjem vibracija tokom obrade legure titanijuma, poboljšana je efikasnost obrade i držač alata. život.
slika
a) Postavljanje testa
slika
b) Struktura drške alata
Slika 3 Postavka za ispitivanje ispunjenog držača alata i struktura držača alata [7]
Osim toga, primjena naprednih CAM sistema, kao što su Mastercam, UnigraphicsNX i CATIA, pruža različite strategije putanje alata za obradu [8]. HASCOET i RAUCH [9] su koristili OpenNC kontroler i NURBS interpolaciju putanje alata kako bi dodatno poboljšali kvalitet i efikasnost obrade velike brzine, donoseći značajan napredak u industriji proizvodnje svemira.
2.2 Tehnologija obrade višeosnih veza
U vazduhoplovnoj industriji, tehnologija obrade višeosnih spojnica, posebno primena četvoroosnih i petoosnih CNC alatnih mašina, značajno je poboljšala efikasnost proizvodnje i kvalitet ključnih delova i donela značajne inovacije.
U smislu istraživanja specifičnih aplikacija, FAN et al. [10] je razvio petoosni metod obrade posebno za centrifugalne impelere. Ova metoda dijeli radno kolo na različite oblasti i optimizira putanju alata kako bi se postiglo precizno i efikasno glodanje. MHAMDI et al. [11] razvio je dinamički model za višeosno glodanje lopatica avio-motora Ti-6Al-4V, postižući bolju tačnost i kvalitet površine u proizvodnji lopatica i rješavajući složene izazove oblika i materijala. Chen Kaihang [12] je razvio metodu planiranja brzine u polu-realnom vremenu za CNC obradu impelera sa petoosnim vezama, što je efektivno poboljšalo kvalitetu i efikasnost obrade i zadovoljilo stvarne potrebe projekta. Uzimajući poluotvoreno integralno radno kolo kao primjer, mjesto za obradu višeosnih spojnica i uzorci prikazani su na slici 4.
slika
a) Proces dorade radnog kola
slika
b) Poluotvoreni integralni impeler
Slika 4: Mjesto za obradu višeosnih spojnica i dijelovi uzorka
Osim toga, Wenhao et al. [13] razvio je novu metodu za generiranje vektora osovine alata za obradu površine mreže kako bi se poboljšala efikasnost i točnost višeosnog CNC rezanja. Wang Bo i dr. [14] razvio je metodu za modeliranje putanje mikroelemenata rezne ivice kod višeosnog kugličnog glodanja. Oni su konstruisali dinamički model koji integriše geometrijske karakteristike alata za precizno predviđanje sila glodanja.
Tehnologija obrade višeosnih spojnica sve se više koristi u svemirskom polju, a njeno poboljšanje efikasnosti proizvodnje i kvaliteta proizvodnje ne može se zanemariti. Razvoj i primjena ove tehnologije otvorili su novi put za daljnje inovacije u industriji zrakoplovne proizvodnje u budućnosti.
2.3 Tehnologija mikromašinske obrade
U vazduhoplovstvu, tehnologije mikro mašinske obrade, posebno mikro glodanje, obrada mikroelektričnim pražnjenjem, laserska mikro obrada i ultrazvučna obrada, igraju vitalnu ulogu. Ove tehnologije igraju ključnu ulogu u proizvodnji mikroskopskih komponenti sa složenim oblicima i zahtjevima visoke preciznosti.
Tehnologija mikroglodanja pokazuje prednosti u proizvodnji mikrokomponenti visoke preciznosti i složene geometrije. Tian Lu i dr. [15] su napredovali u optimizaciji minimalne debljine rezanja i sile rezanja, dok su LI et al. [16] razvio je novi mikro-nano kompozitni keramički alatni materijal Ti(C, N)/WC za mikro glodala. /ZrO2, efikasno poboljšava čvrstoću na savijanje, žilavost i tvrdoću reznih alata. Osim toga, Zhang Xinxin et al. [17] optimizirao je parametre brzog mikroglodanja čvrstih materijala kao što su legura titanijuma i nerđajući čelik, poboljšavajući kvalitet površine i efikasnost obrade ovih materijala koji se teško obrađuju.
U području obrade mikroelektričnim pražnjenjem, Tagawa [18] je potvrdio učinak obrade mikroelektričnim pražnjenjem na poboljšanje efikasnosti obrade i kvaliteta površine Ti-6Al-4V legure titana. LIN et al. [19] optimizirao je EDM za mikro glodanje Inconel 718 metodom Taguchi, postižući ravnotežu između trošenja elektroda, brzine uklanjanja materijala i radnog zazora, čime se poboljšava efikasnost rezanja. HUU et al. [20] koristili su elektrode obložene ugljikom za poboljšanje efikasnosti obrade titanijumskih legura, demonstrirajući potencijal beskontaktne obrade tvrdih materijala. Istraživanje GARZON-a i sar. [21] fokusira se na tehnologiju mjerenja sile u mikro-EDM-u, koja omogućava preciznije praćenje procesa obrade. Kombinovana platforma za obradu napravljena i optimizovana za ovaj uređaj na alatnoj mašini Sarix sx200 prikazana je na slici 5.
slika
Slika 5 Kombinirana alatna mašina za obradu: mikro glodanje + mikro EDM [21]
Razvoj tehnologije laserske mikromašinske obrade značajno je poboljšao performanse lokalne obrade različitih materijala. Kao što je pokazano u istraživanju CHAVOSHI-ja [22], lokalna obrada različitih materijala pomoću laserskih zraka visoke energije poboljšala je performanse obrade. Xiao Qiang i dr. [23] uspješno proizvodi mikro-nano strukture koristeći femtosekundnu lasersku obradu. SUN et al. [24] je koristio µCT za otkrivanje praznina u Ti-6Al-4V proizvedenom laserskom aditivnom proizvodnjom, što je dalo važne informacije za osiguranje kvaliteta u vazduhoplovstvu.
U isto vrijeme, ultrazvučna tehnologija obrade također je postigla značajan napredak. Tehnologija ultrazvučnog talasnog rezanja velike brzine koju su razvili Peng Zhenlong et al. [25] poboljšali su brzinu rezanja i efikasnost materijala koji se teško obrađuju, dok ZHAO et al. [26] koristio je samorazvijeni RUVAG uređaj baziran na vibracijama radnog komada za provođenje jednog testa mljevenja CBN zrna. , s ciljem otkrivanja mehanizma uklanjanja materijala i performansi habanja CBN zrna radijalnim ultrazvučnim vibracijama. Metoda bušenja uz pomoć ultrazvuka (UPD) koju su predložili LIU et al. [27] je efikasno poboljšao efikasnost bušenja i kvalitet CFRP/Ti laminatnih materijala.
Sveobuhvatna primjena tehnologija rezanja mikromašine ne samo da pokazuje njihove jedinstvene prednosti, već također pokazuje veliki potencijal u proizvodnji mikrokomponenti visoke preciznosti i složenog dizajna. Kako se tehnologija mikro-rezanja nastavlja razvijati, nastavit će promovirati napredak u avio-svemirskoj i drugim industrijama precizne proizvodnje.
2.4 Tipični vazduhoplovni materijali koji se teško obrađuju
U vazduhoplovnoj industriji, istraživanje tehnologija precizne obrade za materijale koji se tipično teško obrađuju kao što su legure titanijuma, aluminijumske legure i kompoziti od ugljeničnih vlakana je od ključnog značaja. Ovi materijali igraju važnu ulogu u proizvodnji kritičnih dijelova za avijaciju zbog svoje odlične mehaničke čvrstoće i otpornosti na koroziju, ali donose i izazove u procesu obrade.
U oblasti obrade legure titanijuma, Tian Rongxin et al. [28] predložio je metodu optimizacije parametara procesa za brzo mljevenje legure titana TC11. Liu Peng i dr. [29] razvio je matematički model za optimizaciju sile rezanja brzim glodanjem legure titanijuma TA15 sa PCD alatima i potvrdio njegovu efikasnost. HOURMAND et al. [30] otkrili su da alati od volfram karbida (WC ili WC/Co) imaju bolje rezultate u pogledu trošenja, glatkoće, vijeka trajanja i trenja od alata bez premaza. EZUGWU et al. [31] otkrili su kroz istraživanje da kada se koriste PCD alati za brzo precizno okretanje TC4, tekućina za rezanje pod visokim pritiskom može značajno poboljšati glatkoću površine i vijek trajanja alata i smanjiti fizička oštećenja. Pored toga, Yao Jun et al. [32] je efikasno poboljšao efikasnost obrade i smanjio troškove legure titanijuma TB6 primenom tehnologije elektrolitičkog rezanja pomoću vibracija.
Što se tiče obrade legure aluminijuma, DONG et al. [33] se fokusirao na proučavanje trošenja dijamantskih alata u preciznoj obradi, naglašavajući utjecaj zazora alata i brzine pomaka. WANG et al. [34] proučavao je obradu rezanja legure aluminija 7050-T7451 i pokazao da veći nagibni uglovi i deblja strugotina mogu značajno smanjiti potrošnju energije, čime se postiže efikasnija i ekološki prihvatljivija proizvodnja. Osim toga, JAROSZ et al. [35] značajno je smanjio vrijeme obrade AL-6061-T6 legure aluminija (oko 37%) i poboljšao efikasnost obrade optimiziranjem parametara CNC čeonog glodanja.
Osim toga, za obradu materijala od karbonskih vlakana u svemiru, WU et al. [36] razvio je polikristalne dijamantske alate za rezanje za plastiku ojačanu karbonskim vlaknima (CFRP), koji je poboljšao efikasnost i kvalitet rezanja. Stohastički model koji su razvili ZHANG et al. [37] mogu precizno predvidjeti silu rezanja glodanja kompozitnih materijala ojačanih vlaknima, što je od velikog značaja za poboljšanje točnosti obrade i efikasnosti kompozitnih materijala. WU et al. [38] koristili su modele konačnih elemenata i softver Deform 3D za provođenje simulacijske analize kako bi riješili problem bušenja i poboljšali kvalitetu obrade.
Ukratko, u oblasti vazduhoplovstva, tehnologija obrade tipičnih materijala teško obradivih je ključ za postizanje visokih performansi proizvodnje kritičnih delova za vazduhoplovstvo. Razvoj ovih tehnologija rezanja ne samo da poboljšava efikasnost i tačnost obrade, već i otvara nove mogućnosti za sečenje, obradu i oblikovanje drugih novih materijala koji se teško obrađuju.
Slučajevi primjene tehnologije obrade visokih performansi
03
3.1 Višeosna obrada lopatica radnog kola
Uzimajući za primjer petoosnu obradu zrakoplovnog integralnog impelera, unaprijed se razmatra metoda glodanja složene geometrije površine integralnih lopatica radnog kola, a koristi se metoda točkastog glodanja i metoda bočnog glodanja. Zatim razmotrite izbor alata za sečenje tokom završne obrade susjednih noževa kako biste izbjegli prekomjerno sečenje i podrezivanje, i odaberite glodalo sa suženim drškom i kombinirajte ga s funkcijom analize udaljenosti CAD-a za analizu. Zatim se putanja položaja alata dizajnira kroz "blisk" način rada PowerMill softvera. Konačno, kako bi se osigurala sigurnost i pouzdanost obrade s pet osa, softver za simulaciju VERICUT se koristi za simulaciju cjelokupne obrade radnog kola kako bi se osiguralo da je obrada sigurna i pouzdana te da ispunjava zahtjeve za veličinu i preciznost [39]. Ključna pitanja i metode sumirane su na sljedeći način.
1) Osiguranje ukupne efikasnosti i tačnosti obrade radnog kola je ključ tehnologije obrade. Metoda točkastog glodanja i metoda bočnog glodanja se koriste u procesu glodanja, a zakrivljena površina sečiva se obrađuje korak po korak duž pravca strujne linije sečiva kroz kontakt tačke i linijski kontakt. Upotreba ove metode obrade osigurava efikasnost obrade i kvalitet površine.
2) Da biste spriječili prekomjerno sečenje ili podrezivanje alata tokom završne obrade susjednih noževa, kombinirajte analizu glodala sa konusnim drškom i CAD softvera kako biste odredili minimalni razmak noževa, rezervirajte dopuštenje za obradu i ugao zakretanja ose rezača, što ne samo da poboljšava efikasnost obrade, već je povećana i krutost alata.
3) Razumno projektovanje putanje alata je najvažniji korak u višeosnoj mašinskoj obradi. Koristite "blisk" modul PowerMill softvera za konstruisanje pomoćnih površina kroz parametrizovana podešavanja i dizajn strategije, i sprovodite inspekcije sudara i preseka da biste formulisali efikasne i razumne putanje položaja alata i postigli dobre rezultate u naknadnoj stvarnoj obradi.
4) Kako bi se osigurala sigurnost i pouzdanost petoosne obrade, softver za simulaciju VERICUT se koristi za simulaciju stvarnog okruženja obrade i alata procesa, a u kombinaciji sa putanjom alata u CNC programu, izvodljivost obrade ukupnog radnog kola je verifikovano.
3.2 Obrada tankozidnih prstenastih dijelova kućišta motora visoke tvrdoće
S obzirom na probleme s deformacijama, vibracijama i kvalitetom površine koji se mogu javiti prilikom obrade montažnog prstena tankosjedne konstrukcije posebnog oblika kućišta motora aviona, preduzete su brojne mjere za sprječavanje deformacija. Prvo, dodaje se proces grubog glodanja kako bi se unaprijed oslobodilo naprezanje strojne obrade. Drugo, alat za ekspanziju strukture elastične dijafragme i metoda obrade cikloidnog tokarenja koriste se kako bi se efikasno izbjegla deformacija dijela. Konačno, tokarenje umjesto brušenja koristi se kako bi se osigurala kvaliteta površine i veličina premaza, čime se rješavaju ključni problemi u strojnoj obradi [40]. Ključna pitanja i metode sumirane su na sljedeći način.
1) Ključno je smanjiti naprezanje i deformaciju tokom naknadne obrade i poboljšati efikasnost i kvalitet cjelokupnog procesa proizvodnje. Višak materijala na čeonoj strani uklanja se kroz proces grubog glodanja kako bi se oslobodio naprezanje prilikom obrade i smanjila deformacija, dok se ostavlja neophodna margina za završnu obradu. Ovaj proces ne samo da poboljšava efikasnost obrade, već i smanjuje unutrašnje naprezanje kroz žarenje za ublažavanje naprezanja, osiguravajući točnost i kvalitet dijelova.
2) Kako bi se riješio problem ozbiljnih deformacija dijelova tokom obrade. Dizajniranjem specijalnog alata i usvajanjem efikasne tehnologije tokarenja (vidi sliku 6), deformacija tokom obrade se efikasno kontroliše, obezbeđujući tačnost obrade i kvalitet delova. Ova metoda je prikladna za obradu sličnih tankostijenih dijelova posebnog oblika visoke tvrdoće, koji mogu poboljšati učinkovitost obrade i smanjiti habanje alata, istovremeno osiguravajući kvalitetu površine i veličinu premaza.
slika
a) Stezaljka elastične stezne strukture
slika
b) Trohoidalni dijagram okretanja
Slika 6: Učvršćenje i cikloidno okretanje [40]
3) Kako bi se riješio problem da proces brušenja proizvodi velike vibracije, što uzrokuje tragove vibracija na površini premaza i otežava ispunjavanje zahtjeva za hrapavost površine, umjesto toga se usvaja proces struganja, korištenjem posebnih alata za struganje i razumnom obradom. .
parametri za obradu. U poređenju sa brušenjem točaka, kontaktna površina tokarskog premaza je manja, što efektivno smanjuje vibracije, poboljšava kvalitet površine i točnost dimenzija premaza i ispunjava proizvodne zahteve.
Zaključak
04
Ovaj članak daje sveobuhvatan pregled tehnologija obrade visokih performansi u vazduhoplovstvu, naglašavajući važnu ulogu ovih tehnologija u proizvodnji vazduhoplova. Naglasio je važnost tehnologije obrade visokih performansi u poboljšanju efikasnosti proizvodnje i kvaliteta kritičnih dijelova i osiguranju performansi u ekstremnim uvjetima, a zatim uveo konkretne primjere primjene kako bi demonstrirao ulogu ovih tehnologija u poboljšanju točnosti obrade i smanjenju deformacija i vibracija. značajne prednosti. Međutim, u oblasti vazduhoplovstva koje se brzo razvija, tehnologija obrade visokih performansi i dalje se suočava sa višestrukim izazovima. Buduća vazduhoplovna proizvodna industrija će se fokusirati na integraciju inovativnih tehnologija kao što su digitalni blizanci i pametna proizvodnja, dok će se fokusirati na ekološku održivost i promicanje razvoja ekološkijih materijala i procesa. Efikasnije, inteligentnije i ekološki prihvatljivije tehnologije potaknut će dolazak nove ere. .
