Високоефективна технологія обробки є ключовою технологією для обробки критично важливих аерокосмічних деталей, що спонукає авіаційну промисловість до підвищення ефективності виробництва та якості обробки. Ця технологія забезпечує технічну підтримку для високоякісної розробки критично важливих аерокосмічних деталей шляхом підвищення ефективності виробництва та точності обробки в процесі обробки. Представлено переваги та сфери застосування високопродуктивної технології обробки, а також узагальнено прогрес науковців у галузі високопродуктивної технології обробки в аерокосмічній сфері, включаючи технологію високошвидкісної обробки (HSM), технологію обробки з багатоосьовим з’єднанням, технологія мікрообробки та типова обробка аерокосмічних матеріалів. У той же час також прогнозуються виклики та тенденції розвитку, з якими технологія може зіткнутися в майбутньому.
Передмова
01
Аерокосмічна галузь перебуває на передньому краї високопродуктивних технологій обробки та має суворі вимоги до продуктивності та точності механічних частин, особливо тих, що використовуються в суворих умовах, таких як висока температура та високий тиск [1]. Виробництво цих деталей базується на точних і надійних високопродуктивних технологіях обробки, таких як високошвидкісна обробка, багатоосьова обробка, мікрообробка та обробка типових аерокосмічних матеріалів. Ці технології не тільки підвищують ефективність виробництва і знижують витрати, але й забезпечують якість і продуктивність деталей [2].
В аерокосмічній галузі ключові деталі, такі як робочі колеса, лопаті, корпуси та тонкостінні деталі, як правило, виготовляються з високоефективних сплавів зі складною конструкцією та надзвичайно високими вимогами до точності [3]. Крім того, ці деталі схильні до деформації під час обробки, особливо тонкостінні деталі, тому високопродуктивна технологія обробки дуже важлива при виготовленні цих критичних деталей. Ці технології можуть не тільки обробляти матеріали, які важко обробляти, але й забезпечувати якість і продуктивність продукції в екстремальних робочих середовищах і складних вимогах до конструкції, досягаючи при цьому точності обробки від мікронів до нанорозмірів [4], особливо у виробництві робочих коліс, лопатей і корпусів. З точки зору критичних і важких предметів він продемонстрував значні переваги.
Таким чином, застосування високопродуктивної технології обробки в аерокосмічній сфері не тільки покращує ефективність виробництва та якість продукції, але також сприяє розробці нових матеріалів та інноваційного дизайну. Це надзвичайно важливо для відповідності суворим стандартам і складним виробничим вимогам аерокосмічної промисловості.
Конотація високопродуктивної технічної обробки
02
Технологія високопродуктивної обробки — це інженерна технологія, яка об’єднує ключові елементи, такі як технологія високошвидкісної обробки (HSM), технологія обробки з багатоосьовим з’єднанням, технологія мікрообробки та технологія складних для обробки матеріалів, спрямована на підвищення ефективності обробки матеріалів. , точність і продуктивність. Структура показана на малюнку 1. В аерокосмічній галузі ці технології використовуються для виготовлення деталей із високим попитом, щоб відповідати вимогам до складності та надійності, що сприяє постійному вдосконаленню виробничих технологій у цій галузі.
Малюнок 1 Структура технології високопродуктивної обробки
2.1 Швидкісна технологія обробки
Технологія високошвидкісної обробки в аерокосмічному секторі відіграє ключову роль у виробництві точних і складних деталей. Це скорочує виробничий цикл і покращує якість поверхні деталей за рахунок збільшення швидкості зняття матеріалу та оптимізації шляху обробки. У високошвидкісному фрезеруванні суцільні та змінні кулькові торцеві фрези використовуються для обробки складних структур на опуклих і увігнутих поверхнях і п’ятиосьові фрезерні верстати з ЧПК. Фрезерні операції наведені на рисунку 2, який відображає різноманітність і складність технології [4].
картина
а) Фрезерування опуклої поверхні б) Фрезерування увігнутої поверхні
картина
в) Фрезерування складних конструкцій
Рисунок 2 Фрезерна обробка при різних робочих умовах [4]
Для конкретного матеріалу титанового сплаву TC4 Wang Sheng et al. [5] досягли значного покращення ефективності обробки та якості поверхні шляхом оптимізації параметрів фрезерування інструментів PCD. Дослідження LUIS et al. [6] виявили, що при фрезеруванні складної поверхні максимальна радіальна глибина, кількість подачі та стратегія різання вниз є вирішальними для покращення якості поверхні та продуктивності. ФОГЕЛЬ та ін. [7] розробили удосконалений інструментотримач із внутрішньою структурою заповнення частинками. Тримач інструменту було випробувано на токарну роботу в компанії Monfort, як показано на малюнку 3. Завдяки зменшенню вібрації під час обробки титанового сплаву було покращено ефективність обробки та тримач інструменту. життя.
картина
а) Тестова установка
картина
б) Структура ручки інструменту
Малюнок 3 Тестова установка заповненого інструментального держака та структура інструментального держака [7]
Крім того, застосування передових систем CAM, таких як Mastercam, UnigraphicsNX і CATIA, забезпечує різноманітні стратегії руху інструменту для механічної обробки [8]. HASCOET і RAUCH [9] використовували контролер OpenNC та інтерполяцію шляху інструменту NURBS для подальшого покращення якості та ефективності високошвидкісної обробки, що принесло значний прогрес аерокосмічній промисловості.
2.2 Технологія обробки багатоосьового зчеплення
В аерокосмічній промисловості технологія обробки з багатоосьовим з’єднанням, особливо застосування чотирьох- та п’ятиосьових верстатів з ЧПК, значно підвищила ефективність виробництва та якість ключових деталей і внесла значні інновації.
З точки зору дослідження конкретного застосування, FAN et al. [10] розробили п’ятиосьовий метод обробки спеціально для відцентрових робочих коліс. Цей метод ділить робоче колесо на різні зони та оптимізує шлях інструменту для досягнення точного та ефективного фрезерування. MHAMDI та ін. [11] розробили динамічну модель для багатоосьового фрезерування лопатей авіаційних двигунів Ti-6Al-4V, досягаючи кращої точності та якості поверхні при виготовленні лопатей і вирішуючи проблеми складної форми та матеріалу. Chen Kaihang [12] розробив метод планування швидкості в напівреальному часі для обробки робочих коліс з ЧПУ з п’ятиосьовим зв’язком, який ефективно покращив якість обробки та ефективність і відповідав фактичним потребам проекту. На прикладі напіввідкритого цілісного робочого колеса на малюнку 4 показано місце обробки багатоосьового з’єднання та зразки.
картина
a) Процес обробки робочого колеса
картина
b) Напіввідкрите інтегральне робоче колесо
Малюнок 4: Місце обробки багатоосьового з’єднання та зразки деталей
Крім того, Wenhao et al. [13] розробили новий метод генерації векторів осі інструменту для обробки поверхні сітки для підвищення ефективності та точності багатоосьового різання з ЧПУ. Ван Бо та ін. [14] розроблено метод моделювання мікроелементної траєкторії різальної кромки при багатоосьовому кульовому торцевому фрезеруванні. Вони побудували динамічну модель, яка об’єднує геометричні характеристики інструменту для точного прогнозування сил фрезерування.
Багатоосьова технологія механічної обробки все ширше використовується в аерокосмічній галузі, і її підвищення ефективності та якості виробництва не можна ігнорувати. Розробка та застосування цієї технології відкрило новий шлях для подальших інновацій в аерокосмічній промисловості в майбутньому.
2.3 Технологія мікрообробки
В аерокосмічній галузі технології мікрообробки, особливо мікрофрезерування, мікроелектророзрядна обробка, лазерна мікрообробка та ультразвукова обробка, відіграють життєво важливу роль. Ці технології відіграють ключову роль у виробництві мікроскопічних компонентів складної форми та високих вимог до точності.
Технологія мікрофрезерування демонструє переваги у виробництві мікрокомпонентів із високою точністю та складною геометрією. Tian Lu та ін. [15] досягли прогресу в оптимізації мінімальної товщини різання та сили різання, тоді як LI та ін. [16] розробили новий мікронано композитний керамічний інструментальний матеріал Ti(C, N)/WC для мікрофрез. /ZrO2, ефективно покращує міцність на вигин, міцність і твердість ріжучих інструментів. Крім того, Zhang Xinxin та ін. [17] оптимізували параметри високошвидкісного мікрофрезерування таких міцних матеріалів, як титановий сплав і нержавіюча сталь, покращуючи якість поверхні та ефективність обробки цих матеріалів, які важко обробляти.
У галузі обробки мікроелектричним розрядом Тагава [18] підтвердив вплив обробки мікроелектричним розрядом на підвищення ефективності обробки та якості поверхні титанового сплаву Ti-6Al-4V. LIN та ін. [19] оптимізували мікрофрезерування EDM Inconel 718 за допомогою методу Тагучі, досягаючи балансу між зносом електрода, швидкістю видалення матеріалу та робочим зазором, тим самим покращуючи ефективність різання. HUU та ін. [20] використовували електроди з вуглецевим покриттям для підвищення ефективності обробки титанових сплавів, демонструючи потенціал безконтактної обробки твердих матеріалів. Дослідження GARZON et al. [21] фокусується на технології вимірювання сили в мікро-EDM, яка забезпечує більш точний моніторинг процесу обробки. Комбінована платформа обробки, створена та оптимізована для цього пристрою на верстаті Sarix sx200, показана на малюнку 5.
картина
Малюнок 5 Комбінований обробний верстат: мікрофрезерування + мікроерозійна обробка [21]
Розвиток технології лазерної мікрообробки значно покращив ефективність локальної обробки різних матеріалів. Як показано в дослідженні CHAVOSHI [22], локальна обробка різних матеріалів за допомогою високоенергетичних лазерних променів покращила продуктивність обробки. Сяо Цян та ін. [23] успішно виготовили мікронаноструктури за допомогою фемтосекундної лазерної обробки. SUN та ін. [24] використовували µCT для виявлення пустотних дефектів у Ti-6Al-4V, виготовленому методом лазерного адитивного виробництва, що надало важливу інформацію для забезпечення якості аерокосмічної галузі.
У той же час технологія ультразвукової обробки також досягла значного прогресу. Технологія високошвидкісного ультразвукового різання, розроблена Peng Zhenlong та ін. [25] покращили швидкість різання та ефективність матеріалів, які важко обробляти, тоді як ZHAO та ін. [26] використовували пристрій RUVAG власної розробки, заснований на вібрації заготовки, для проведення одного тесту на подрібнення зерна CBN. , метою якого є виявлення механізму видалення матеріалу та характеристик зношування зерен CBN за допомогою радіальної ультразвукової вібрації. Метод ультразвукового свердління (UPD), запропонований LIU та ін. [27] ефективно покращили ефективність свердління та якість ламінованих матеріалів CFRP/Ti.
Комплексне застосування технологій мікрообробного різання не тільки демонструє їхні унікальні переваги, але й демонструє великий потенціал у виробництві мікрокомпонентів із високою точністю та складною конструкцією. Оскільки технологія мікрорізання продовжує розвиватися, вона й надалі сприятиме прогресу в аерокосмічній та інших галузях точного виробництва.
2.4 Типові авіаційні важкооброблювані матеріали
В аерокосмічній промисловості дослідження технологій точної обробки матеріалів, які зазвичай важко обробляти, таких як титанові сплави, алюмінієві сплави та композити з вуглецевого волокна є вирішальними. Ці матеріали відіграють важливу роль у виробництві критично важливих авіаційних деталей завдяки своїй відмінній механічній міцності та стійкості до корозії, але вони також викликають проблеми з обробкою.
У галузі обробки титанових сплавів Tian Rongxin та ін. [28] запропоновано метод оптимізації параметрів процесу для високошвидкісного фрезерування титанового сплаву ТС11. Лю Пен та ін. [29] розробили математичну модель для оптимізації сили різання високошвидкісного фрезерування титанового сплаву ТА15 інструментами PCD та перевірили її ефективність. HOURMAND та ін. [30] виявили, що інструменти з карбіду вольфраму (WC або WC/Co) з покриттям показали кращі показники зношування, гладкості, довговічності та тертя, ніж інструменти без покриття. EZUGWU та ін. [31] за допомогою досліджень виявили, що при використанні інструментів PCD для високошвидкісного точного точіння TC4 ріжуча рідина під високим тиском може значно покращити гладкість поверхні та термін служби інструменту та зменшити фізичні пошкодження. Крім того, Yao Jun та ін. [32] ефективно покращили ефективність обробки та знизили витрати на титановий сплав TB6 шляхом застосування технології вібраційного електролітичного різання.
Що стосується обробки алюмінієвих сплавів, DONG et al. [33] зосереджено на вивченні зносу алмазних інструментів при прецизійній обробці, підкреслюючи вплив зазору інструменту та швидкості подачі. WANG та ін. [34] досліджували обробку різанням 7050-алюмінієвого сплаву T7451 і показали, що більші передні кути та товща стружка можуть значно зменшити споживання енергії, таким чином досягаючи більш ефективного та екологічно чистого виробництва. Крім того, JAROSZ et al. [35] значно скоротили час обробки алюмінієвого сплаву AL-6061-T6 (приблизно на 37%) і підвищили ефективність обробки шляхом оптимізації параметрів торцевого фрезерування з ЧПК.
Крім того, для обробки аерокосмічного вуглецевого волокна WU et al. [36] розробили полікристалічні алмазні ріжучі інструменти для пластику, армованого вуглецевим волокном (CFRP), який покращив ефективність і якість різання. Стохастична модель, розроблена ZHANG et al. [37] можна точно передбачити силу різання фрезерування армованих волокном композитних матеріалів, що має велике значення для підвищення точності обробки та ефективності композитних матеріалів. WU та ін. [38] використовували моделі кінцевих елементів і програмне забезпечення Deform 3D для проведення аналізу моделювання для вирішення проблеми буріння та покращення якості обробки.
Підсумовуючи, в аерокосмічній галузі технологія обробки типових матеріалів, які важко обробляти, є ключем до досягнення високопродуктивного виробництва критичних аерокосмічних деталей. Розвиток цих технологій різання не тільки підвищує ефективність і точність обробки, але також відкриває нові можливості для різання, обробки та формування інших нових матеріалів, які важко обробляти.
Випадки застосування високопродуктивної технології обробки
03
3.1 Багатоосьова обробка лопатей робочого колеса
На прикладі п’ятиосьової обробки авіаційної інтегральної крильчатки заздалегідь розглядається метод фрезерування складної геометрії поверхні лопатей інтегральної крильчатки, а також використовуються метод точкового фрезерування та метод бокового фрезерування. Потім подумайте про вибір ріжучих інструментів під час фінішної обробки сусідніх лез, щоб уникнути надрізу та підрізання, виберіть фрезу з конічним хвостовиком і поєднайте її з функцією аналізу відстані CAD для аналізу. Потім проектується траєкторія положення інструменту в режимі «blisk» програмного забезпечення PowerMill. Нарешті, щоб забезпечити безпеку та надійність п’ятиосьової обробки, програмне забезпечення для моделювання VERICUT використовується для моделювання загальної обробки робочого колеса, щоб переконатися, що обробка є безпечною та надійною та відповідає вимогам розміру та точності [39]. Нижче наведено основні питання та методи.
1) Забезпечення загальної ефективності та точності обробки робочого колеса є ключем до технології обробки. У процесі фрезерування використовуються метод точкового фрезерування та метод бокового фрезерування, а вигнута поверхня лопаті обробляється крок за кроком уздовж напрямку обтічної лінії леза через точковий контакт та контактну лінію. Використання цього методу обробки забезпечує ефективність обробки та якість поверхні.
2) Щоб запобігти надмірному або недорізанню інструментом під час обробки сусідніх лез, поєднайте аналіз кінцевої фрези з конічним хвостовиком і програмне забезпечення CAD, щоб визначити мінімальний відстань між лезами, зарезервуйте припуск на обробку та кут повороту осі різця, що не тільки покращує ефективність обробки, але також підвищує жорсткість інструменту.
3) Розумна конструкція траєкторії інструменту є найважливішим кроком у багатоосьовій обробці. Використовуйте модуль «blisk» програмного забезпечення PowerMill для створення допоміжних поверхонь за допомогою параметризованих налаштувань і розробки стратегії, а також для проведення перевірок зіткнень і надрізів, щоб сформулювати ефективні та розумні траєкторії положення інструменту та досягти хороших результатів у подальшій фактичній обробці.
4) Для того, щоб забезпечити безпеку та надійність п’ятиосьової обробки, програмне забезпечення моделювання VERICUT використовується для моделювання фактичного середовища обробки та технологічного інструменту, а в поєднанні з траєкторією інструменту в програмі ЧПК, можливість обробки всього робочого колеса є перевірено.
3.2 Обробка високотвердих тонкостінних кільцевих деталей корпусу двигуна
З огляду на деформацію, вібрацію та проблеми з якістю поверхні, які можуть виникнути під час обробки тонкостінного монтажного кільця спеціальної форми корпусу авіаційного двигуна, було вжито ряд заходів для запобігання деформації. По-перше, додається процес чорнового фрезерування, щоб заздалегідь зняти напругу обробки. По-друге, для ефективного уникнення деформації деталей використовуються інструменти розширення структури еластичної діафрагми та циклоїдний метод токарної обробки. Нарешті, точіння замість шліфування використовується для забезпечення якості поверхні та розміру покриття, тим самим вирішуючи ключові проблеми механічної обробки [40]. Нижче наведено основні питання та методи.
1) Це має ключове значення для зменшення напруги та деформації під час подальшої обробки та підвищення ефективності та якості всього виробничого процесу. Надлишок матеріалу з торцевої поверхні видаляється шляхом чорнового фрезерування, щоб зменшити напругу обробки та зменшити деформацію, залишаючи необхідний запас для чистової обробки. Цей процес не тільки покращує ефективність обробки, але й зменшує внутрішню напругу завдяки відпалу для зняття напруги, забезпечуючи точність і якість деталей.
2) Щоб вирішити проблему серйозної деформації деталей під час обробки. Завдяки розробці спеціального інструменту та застосуванню ефективної технології токарної обробки (див. рис. 6) деформація під час обробки ефективно контролюється, забезпечуючи точність обробки та якість деталей. Цей метод підходить для обробки подібних високотвердих тонкостінних деталей спеціальної форми, що може підвищити ефективність обробки та зменшити знос інструменту, забезпечуючи при цьому якість поверхні та розмір покриття.
картина
а) Зажим пружної затискної конструкції
картина
б) Діаграма трохоїдального повороту
Малюнок 6: Пристосування та поворот циклоїди [40]
3) Щоб вирішити проблему, пов’язану з тим, що процес шліфування створює значні вібрації, що спричиняє сліди вібрації на поверхні покриття та ускладнює виконання вимог щодо шорсткості поверхні, замість цього використовується процес точіння з використанням спеціальних токарних інструментів та розумної обробки .
параметри для обробки. Порівняно з круговим шліфуванням площа контакту токарного покриття менша, що ефективно зменшує вібрацію, покращує якість поверхні та точність розмірів покриття, а також відповідає вимогам виробництва.
Висновок
04
Ця стаття містить вичерпний огляд технологій високопродуктивної обробки в аерокосмічній сфері, підкреслюючи важливу роль цих технологій в аерокосмічному виробництві. Підкреслив важливість високопродуктивної технології обробки для підвищення ефективності виробництва та якості критичних деталей і забезпечення продуктивності в екстремальних умовах, а потім представив конкретні приклади застосування, щоб продемонструвати роль цих технологій у покращенні точності обробки та зменшенні деформації та вібрації. значні переваги. Проте в аерокосмічній галузі, яка швидко розвивається, високопродуктивна технологія обробки все ще стикається з багатьма проблемами. Майбутня аерокосмічна промисловість зосереджуватиметься на інтеграції інноваційних технологій, таких як цифрові близнюки та інтелектуальне виробництво, зосереджуючись на екологічній стійкості та сприянні розвитку екологічніших матеріалів і процесів. Більш ефективні, розумні та екологічно чисті технології сприятимуть приходу нової ери. .
