La tecnología de procesamiento de alto rendimiento es una tecnología clave para el procesamiento de piezas aeroespaciales críticas, lo que impulsa a la industria de fabricación de aviación hacia una mayor eficiencia de producción y calidad de procesamiento. Esta tecnología proporciona soporte técnico para el desarrollo de alta calidad de piezas aeroespaciales críticas al mejorar la eficiencia de producción y la precisión del proceso de procesamiento. Se presentan las ventajas y los campos de aplicación de la tecnología de mecanizado de alto rendimiento y se resume el progreso de la investigación de los académicos en tecnología de mecanizado de alto rendimiento en el campo aeroespacial, incluida la tecnología de mecanizado de alta velocidad (HSM), la tecnología de mecanizado de varillaje multieje, tecnología de micromecanizado y procesamiento de materiales típicos aeroespaciales. Al mismo tiempo, también se prospectan los desafíos y tendencias de desarrollo que la tecnología puede enfrentar en el futuro.
Prefacio
01
La industria de fabricación aeroespacial está a la vanguardia de la tecnología de procesamiento de alto rendimiento y tiene requisitos estrictos sobre el rendimiento y la precisión de las piezas mecánicas, especialmente aquellas utilizadas en condiciones duras como altas temperaturas y altas presiones [1]. La fabricación de estas piezas se basa en tecnologías de mecanizado de alto rendimiento, precisas y fiables, como el mecanizado de alta velocidad, el mecanizado multieje, el micromecanizado y el procesamiento de materiales aeroespaciales típicos. Estas tecnologías no sólo mejoran la eficiencia de la producción y reducen los costes, sino que también garantizan la calidad y el rendimiento de las piezas [2].
En el campo aeroespacial, piezas clave como impulsores, álabes, carcasas y piezas de paredes delgadas suelen estar hechas de aleaciones de alto rendimiento, con diseños complejos y requisitos de precisión extremadamente altos [3]. Además, estas piezas son propensas a deformarse durante el procesamiento, especialmente las de paredes delgadas, por lo que la tecnología de procesamiento de alto rendimiento es muy importante al fabricar estas piezas críticas. Estas tecnologías no solo pueden manejar materiales difíciles de mecanizar, sino que también garantizan la calidad y el rendimiento del producto en entornos de trabajo extremos y requisitos de diseño complejos, al tiempo que logran una precisión de mecanizado de micrones a nanoescala [4], especialmente en la producción de impulsores, aspas y carcasas. En términos de artículos críticos y pesados, ha demostrado ventajas significativas.
En resumen, la aplicación de tecnología de procesamiento de alto rendimiento en el campo aeroespacial no sólo mejora la eficiencia de fabricación y la calidad del producto, sino que también impulsa el desarrollo de nuevos materiales y diseños innovadores. Esto es fundamental para cumplir con los estrictos estándares y los complejos requisitos de fabricación de la industria de fabricación aeroespacial.
Connotación de procesamiento técnico de alto rendimiento.
02
La tecnología de mecanizado de alto rendimiento es una tecnología de ingeniería que integra elementos clave como la tecnología de mecanizado de alta velocidad (HSM), la tecnología de mecanizado de varillaje multieje, la tecnología de micromecanizado y la tecnología de materiales difíciles de mecanizar, con el objetivo de mejorar la eficiencia del procesamiento de materiales. , precisión y rendimiento. El marco se muestra en la Figura 1. En el campo aeroespacial, estas tecnologías se utilizan para fabricar piezas de alta demanda para hacer frente a requisitos de complejidad y confiabilidad, lo que impulsa el avance continuo de la tecnología de fabricación en este campo.
Figura 1 Marco de tecnología de mecanizado de alto rendimiento
2.1 Tecnología de procesamiento de alta velocidad
La tecnología de mecanizado de alta velocidad en el sector aeroespacial juega un papel clave en la producción de piezas complejas y de precisión. Acorta el ciclo de producción y mejora la calidad superficial de las piezas aumentando la tasa de eliminación de material y optimizando la ruta de mecanizado. En el fresado de alta velocidad, se utilizan fresas de punta esférica sólidas e indexables para procesar estructuras complejas en superficies convexas y cóncavas y fresadoras CNC de cinco ejes. Las operaciones de molienda se muestran en la Figura 2, que refleja la diversidad y complejidad de la tecnología [4].
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a) Superficie convexa de fresado b) Superficie cóncava de fresado
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c) Fresado de estructuras complejas
Figura 2 Procesamiento de fresado en diferentes condiciones de trabajo [4]
Para el material específico de aleación de titanio TC4, Wang Sheng et al. [5] lograron mejoras significativas en la eficiencia del procesamiento y la calidad de la superficie optimizando los parámetros de fresado de las herramientas PCD. Investigación de LUIS et al. [6] descubrieron que en el fresado de superficies complejo, la profundidad radial máxima, la cantidad de avance y la estrategia de corte descendente son cruciales para mejorar la calidad de la superficie y la productividad. VOGEL et al. [7] desarrolló un portaherramientas avanzado con una estructura interna de relleno de partículas. El portaherramientas fue probado para torneado en Monfort Company, como se muestra en la Figura 3. Al reducir la vibración durante el mecanizado de aleaciones de titanio, se mejoró la eficiencia del mecanizado y el portaherramientas. vida.
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a) Configuración de prueba
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b) Estructura del mango de la herramienta
Figura 3 Configuración de prueba de portaherramientas lleno y estructura del portaherramientas [7]
Además, la aplicación de sistemas CAM avanzados, como Mastercam, UnigraphicsNX y CATIA, proporciona diversas estrategias de trayectoria de herramientas para el mecanizado [8]. HASCOET y RAUCH [9] utilizaron el controlador OpenNC y la interpolación de trayectoria de herramientas NURBS para mejorar aún más la calidad y la eficiencia del mecanizado de alta velocidad, aportando un progreso significativo a la industria de fabricación aeroespacial.
2.2 Tecnología de procesamiento de enlaces multieje
En la industria aeroespacial, la tecnología de mecanizado de varillaje multieje, especialmente la aplicación de máquinas herramienta CNC de cuatro y cinco ejes, ha mejorado significativamente la eficiencia de producción y la calidad de piezas clave y ha aportado una innovación significativa.
En términos de investigación de aplicaciones específicas, FAN et al. [10] desarrolló un método de mecanizado de cinco ejes específicamente para impulsores centrífugos. Este método divide el impulsor en diferentes áreas y optimiza la trayectoria de la herramienta para lograr un fresado preciso y eficiente. MHAMDI et al. [11] desarrollaron un modelo dinámico para el fresado multieje de palas de motores de aviones Ti-6Al-4V, logrando una mayor precisión y calidad de la superficie en la fabricación de palas y resolviendo desafíos complejos de formas y materiales. Chen Kaihang [12] desarrolló un método de planificación de velocidad en tiempo semi-real para el mecanizado CNC de impulsores con varillaje de cinco ejes, que mejoró efectivamente la calidad y eficiencia del procesamiento y satisfizo las necesidades reales del proyecto. Tomando como ejemplo el impulsor integral semiabierto, en la Figura 4 se muestran el sitio de procesamiento del enlace multieje y las muestras.
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a) Proceso de acabado del impulsor
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b) Impulsor integral semiabierto
Figura 4: Sitio de procesamiento de enlaces multieje y piezas de muestra
Además, Wenhao et al. [13] desarrollaron un nuevo método para generar vectores de ejes de herramientas para el mecanizado de superficies de rejilla para mejorar la eficiencia y precisión del corte CNC de múltiples ejes. Wang Bo et al. [14] desarrollaron un método para modelar la trayectoria de los microelementos del filo en el fresado de extremos esféricos multieje. Construyeron un modelo dinámico que integraba características geométricas de la herramienta para predecir con precisión las fuerzas de fresado.
La tecnología de mecanizado de varillaje multieje se utiliza cada vez más en el campo aeroespacial y no se puede ignorar su mejora en la eficiencia de la producción y la calidad de fabricación. El desarrollo y la aplicación de esta tecnología ha abierto un nuevo camino para una mayor innovación en la industria de fabricación aeroespacial en el futuro.
2.3 Tecnología de micromecanizado
En el campo aeroespacial, las tecnologías de micromecanizado, especialmente el microfresado, el mecanizado por descarga microeléctrica, el micromecanizado por láser y el mecanizado por ultrasonidos, desempeñan un papel vital. Estas tecnologías desempeñan un papel clave en la fabricación de componentes microscópicos con formas complejas y requisitos de alta precisión.
La tecnología de microfresado muestra ventajas en la fabricación de microcomponentes con alta precisión y geometrías complejas. Tian Lu et al. [15] avanzaron en la optimización del espesor mínimo de corte y la fuerza de corte, mientras que LI et al. [16] desarrollaron un nuevo material cerámico micro-nano compuesto Ti (C, N) / WC para microfresas. /ZrO2, mejora eficazmente la resistencia a la flexión, la tenacidad y la dureza de las herramientas de corte. Además, Zhang Xinxin et al. [17] optimizaron los parámetros de corte de microfresado de alta velocidad de materiales resistentes como la aleación de titanio y el acero inoxidable, mejorando la calidad de la superficie y la eficiencia del procesamiento de estos materiales difíciles de mecanizar.
En el campo del mecanizado por descarga microeléctrica, Tagawa [18] confirmó el efecto del mecanizado por descarga microeléctrica en la mejora de la eficiencia del procesamiento y la calidad de la superficie de la aleación de titanio Ti-6Al-4V. LIN et al. [19] optimizaron la electroerosión por microfresado de Inconel 718 mediante el método Taguchi, logrando un equilibrio entre el desgaste del electrodo, la tasa de eliminación de material y el espacio de trabajo, mejorando así la eficiencia de corte. HUU et al. [20] utilizaron electrodos recubiertos de carbono para mejorar la eficiencia del procesamiento de aleaciones de titanio, lo que demuestra el potencial del mecanizado sin contacto en materiales duros. La investigación de GARZON et al. [21] se centra en la tecnología de medición de fuerza en micro-EDM, que proporciona un seguimiento más preciso del proceso de mecanizado. La plataforma de procesamiento combinado construida y optimizada para este dispositivo en la máquina herramienta Sarix sx200 se muestra en la Figura 5.
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Figura 5 Máquina herramienta de procesamiento combinado: microfresado + microerosión [21]
El desarrollo de la tecnología de micromecanizado láser ha mejorado significativamente el rendimiento del procesamiento local de diversos materiales. Como se muestra en la investigación de CHAVOSHI [22], el procesamiento local de diversos materiales mediante rayos láser de alta energía mejoró el rendimiento del procesamiento. Xiao Qiang et al. [23] fabricaron con éxito micronanoestructuras utilizando procesamiento con láser de femtosegundo. SOL y cols. [24] utilizaron µCT para detectar defectos vacíos en Ti-6Al-4V fabricado mediante fabricación aditiva por láser, lo que proporcionó información importante para el control de calidad aeroespacial.
Al mismo tiempo, la tecnología de procesamiento ultrasónico también ha logrado avances importantes. La tecnología de corte por ondas ultrasónicas de alta velocidad desarrollada por Peng Zhenlong et al. [25] mejoraron la velocidad de corte y la eficiencia de materiales difíciles de mecanizar, mientras que ZHAO et al. [26] utilizaron un dispositivo RUVAG de desarrollo propio basado en la vibración de la pieza de trabajo para realizar una prueba de molienda de un solo grano de CBN. , con el objetivo de revelar el mecanismo de eliminación de material y el rendimiento de desgaste de los granos de CBN mediante vibración ultrasónica radial. El método de perforación picoteada asistida por ultrasonidos (UPD) propuesto por LIU et al. [27] mejoraron efectivamente la eficiencia de perforación y la calidad de los materiales laminados CFRP/Ti.
La aplicación integral de las tecnologías de corte por micromecanizado no solo demuestra sus ventajas únicas, sino que también muestra un gran potencial en la fabricación de microcomponentes con diseños complejos y de alta precisión. A medida que la tecnología de microcorte continúe desarrollándose, seguirá promoviendo el progreso en la industria aeroespacial y otras industrias de fabricación de precisión.
2.4 Materiales típicos de la aviación difíciles de procesar
En la industria aeroespacial, la investigación sobre tecnologías de mecanizado de precisión para materiales típicamente difíciles de mecanizar, como aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio y compuestos de fibra de carbono, es crucial. Estos materiales desempeñan un papel importante en la fabricación de piezas críticas de aviación debido a su excelente resistencia mecánica y a la corrosión, pero también plantean desafíos de procesamiento.
En el campo del procesamiento de aleaciones de titanio, Tian Rongxin et al. [28] propusieron un método de optimización de parámetros de proceso para el fresado a alta velocidad de aleación de titanio TC11. Liu Peng et al. [29] desarrollaron un modelo matemático para optimizar la fuerza de corte del fresado de alta velocidad de aleación de titanio TA15 con herramientas PCD y verificaron su efectividad. HORMAND et al. [30] descubrieron que las herramientas recubiertas de carburo de tungsteno (WC o WC/Co) funcionaban mejor en términos de desgaste, suavidad, vida útil y fricción que las herramientas sin recubrimiento. EZUGWU et al. [31] descubrieron a través de investigaciones que cuando se utilizan herramientas PCD para torneado de precisión de alta velocidad TC4, el fluido de corte a alta presión puede mejorar significativamente la suavidad de la superficie y la vida útil de la herramienta y reducir el daño físico. Además, Yao Jun et al. [32] mejoraron efectivamente la eficiencia del procesamiento y redujeron los costos de la aleación de titanio TB6 mediante la aplicación de tecnología de corte electrolítico por vibración.
En términos de procesamiento de aleaciones de aluminio, DONG et al. [33] se centraron en estudiar el desgaste de herramientas de diamante en el mecanizado de precisión, destacando la influencia de la holgura de la herramienta y la velocidad de avance. WANG et al. [34] estudiaron el procesamiento de corte de la aleación de aluminio 7050-T7451 y demostraron que ángulos de ataque más grandes y virutas más gruesas pueden reducir significativamente el consumo de energía, logrando así una fabricación más eficiente y respetuosa con el medio ambiente. Además, JAROSZ et al. [35] redujeron significativamente el tiempo de procesamiento de la aleación de aluminio AL-6061-T6 (alrededor del 37%) y mejoraron la eficiencia del procesamiento al optimizar los parámetros de fresado frontal CNC.
Además, para el procesamiento de materiales de fibra de carbono aeroespaciales, WU et al. [36] desarrollaron herramientas de corte de diamante policristalino para plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP), que mejoraron la eficiencia y la calidad del corte. El modelo estocástico desarrollado por ZHANG et al. [37] pueden predecir con precisión la fuerza de corte del fresado de materiales compuestos reforzados con fibra, lo cual es de gran importancia para mejorar la precisión y eficiencia del procesamiento de materiales compuestos. Wu et al. [38] utilizaron modelos de elementos finitos y el software Deform 3D para realizar análisis de simulación para resolver el problema de perforación y mejorar la calidad del procesamiento.
En resumen, en el campo aeroespacial, la tecnología de procesamiento de materiales típicos difíciles de mecanizar es la clave para lograr una fabricación de alto rendimiento de piezas aeroespaciales críticas. El desarrollo de estas tecnologías de corte no sólo mejora la eficiencia y precisión del procesamiento, sino que también abre nuevas posibilidades para el corte, procesamiento y conformado de otros nuevos materiales difíciles de mecanizar.
Casos de aplicación de mecanizado de tecnología de alto rendimiento
03
3.1 Mecanizado multieje de palas de impulsor
Tomando como ejemplo el mecanizado de cinco ejes de un impulsor integral de aviación, se considera de antemano el método de fresado de la geometría superficial compleja de las palas del impulsor integral, y se utilizan el método de fresado puntual y el método de fresado lateral. Luego, considere la selección de herramientas de corte durante el acabado de las hojas adyacentes para evitar el corte excesivo y el corte insuficiente, y seleccione una fresa de mango cónico y combínela con la función de análisis de distancia de CAD para el análisis. Luego, se diseña la trayectoria de posición de la herramienta a través del modo "blisk" del software PowerMill. Finalmente, para garantizar la seguridad y confiabilidad del mecanizado de cinco ejes, se utiliza el software de simulación VERICUT para simular el mecanizado general del impulsor para garantizar que el mecanizado sea seguro y confiable y cumpla con los requisitos de tamaño y precisión [39]. Las cuestiones y métodos clave se resumen a continuación.
1) Garantizar la eficiencia y precisión general del procesamiento del impulsor es la clave de la tecnología de procesamiento. En el proceso de fresado se utilizan el método de fresado puntual y el método de fresado lateral, y la superficie curva de la hoja se procesa paso a paso a lo largo de la dirección aerodinámica de la hoja mediante contacto puntual y contacto lineal. El uso de este método de procesamiento garantiza la eficiencia del procesamiento y la calidad de la superficie.
2) Para evitar que la herramienta corte demasiado o subcorte durante el acabado de las hojas adyacentes, combine el análisis de la fresa de mango cónico y el software CAD para determinar el espacio mínimo de las hojas, reserve el margen de mecanizado y el ángulo de giro del eje de la cortadora. lo que no solo mejora la eficiencia del procesamiento, sino que también mejora la rigidez de la herramienta.
3) El diseño razonable de la trayectoria de la herramienta es el paso más importante en el mecanizado multieje. Utilice el módulo "blisk" del software PowerMill para construir superficies auxiliares mediante configuraciones parametrizadas y diseño de estrategias, y realice inspecciones de colisiones y sobrecortes para formular trayectorias de posición de herramientas eficientes y razonables, y lograr buenos resultados en el procesamiento real posterior.
4) Para garantizar la seguridad y confiabilidad del mecanizado de cinco ejes, se utiliza el software de simulación VERICUT para simular el entorno de mecanizado real y las herramientas de proceso, y combinado con la trayectoria de la herramienta en el programa CNC, la viabilidad de procesar el impulsor general es verificado.
3.2 Procesamiento de piezas anulares de pared delgada y alta dureza de la carcasa del motor
En vista de los problemas de deformación, vibración y calidad de la superficie que son propensos a ocurrir durante el procesamiento del anillo de montaje de estructura de forma especial de paredes delgadas de la carcasa del motor de avión, se han tomado una serie de medidas para evitar la deformación. Primero, se agrega el proceso de desbaste para liberar la tensión del mecanizado por adelantado. En segundo lugar, se utilizan herramientas de expansión de estructura de diafragma elástico y método de procesamiento de torneado cicloidal para evitar eficazmente la deformación de la pieza. Finalmente, se utiliza torneado en lugar de rectificado para garantizar la calidad de la superficie y el tamaño del recubrimiento, resolviendo así problemas clave en el mecanizado [40]. Las cuestiones y métodos clave se resumen a continuación.
1) Es clave reducir tensiones y deformaciones durante el procesamiento posterior y mejorar la eficiencia y calidad de todo el proceso de fabricación. El exceso de material en la cara del extremo se elimina mediante el proceso de fresado en desbaste para liberar la tensión del procesamiento y reducir la deformación, dejando al mismo tiempo el margen necesario para el acabado. Este proceso no solo mejora la eficiencia del procesamiento, sino que también reduce la tensión interna mediante el recocido con alivio de tensión, lo que garantiza la precisión y la calidad de las piezas.
2) Para solucionar el problema de la deformación grave de las piezas durante el procesamiento. Al diseñar herramientas especiales y adoptar una tecnología de torneado eficiente (consulte la Figura 6), la deformación durante el procesamiento se controla de manera efectiva, lo que garantiza la precisión del procesamiento y la calidad de las piezas. Este método es adecuado para procesar piezas similares de formas especiales de paredes delgadas y alta dureza, lo que puede mejorar la eficiencia del procesamiento y reducir el desgaste de la herramienta al tiempo que garantiza la calidad de la superficie y el tamaño del recubrimiento.
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a) Abrazadera de estructura de sujeción elástica
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b) Diagrama de giro trocoidal
Figura 6: Accesorio y torneado cicloide [40]
3) Para abordar el problema de que el proceso de rectificado produce grandes vibraciones, lo que provoca marcas de vibración en la superficie del recubrimiento y dificulta el cumplimiento de los requisitos de rugosidad de la superficie, se adopta el proceso de torneado, utilizando herramientas de torneado especiales y un procesamiento razonable. .
parámetros para su procesamiento. En comparación con el rectificado con muelas, el área de contacto del revestimiento giratorio es más pequeña, lo que reduce eficazmente la vibración, mejora la calidad de la superficie y la precisión dimensional del revestimiento y cumple con los requisitos de fabricación.
Conclusión
04
Este artículo proporciona una revisión exhaustiva de las tecnologías de mecanizado de alto rendimiento en el campo aeroespacial, destacando el importante papel de estas tecnologías en la fabricación aeroespacial. Enfatizó la importancia de la tecnología de mecanizado de alto rendimiento para mejorar la eficiencia de producción y la calidad de piezas críticas y garantizar el rendimiento en condiciones extremas, y luego presentó ejemplos de aplicaciones específicas para demostrar el papel de estas tecnologías en la mejora de la precisión del mecanizado y la reducción de la deformación y la vibración. ventajas significativas. Sin embargo, en el campo aeroespacial en rápido desarrollo, la tecnología de procesamiento de alto rendimiento todavía enfrenta múltiples desafíos. La futura industria de fabricación aeroespacial se centrará en integrar tecnologías innovadoras como los gemelos digitales y la fabricación inteligente, al tiempo que se centrará en la sostenibilidad ambiental y promoverá el desarrollo de materiales y procesos más ecológicos. Tecnologías más eficientes, inteligentes y respetuosas con el medio ambiente impulsarán la llegada de una nueva era. .
