La tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni è una tecnologia chiave per la lavorazione di parti aerospaziali critiche, spingendo l’industria manifatturiera aeronautica verso una maggiore efficienza produttiva e qualità di lavorazione. Questa tecnologia fornisce supporto tecnico per lo sviluppo di alta qualità di parti aerospaziali critiche migliorando l'efficienza produttiva e l'accuratezza del processo di lavorazione. Vengono introdotti i vantaggi e i campi di applicazione della tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni e viene riepilogato il progresso della ricerca degli studiosi nella tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni nel campo aerospaziale, inclusa la tecnologia di lavorazione ad alta velocità (HSM), la tecnologia di lavorazione con collegamento multiasse, tecnologia di microlavorazione e lavorazione tipica dei materiali aerospaziali. Allo stesso tempo si prospettano anche le sfide e le tendenze di sviluppo che la tecnologia potrebbe affrontare in futuro.
Prefazione
01
L’industria manifatturiera aerospaziale è all’avanguardia nella tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni e presenta requisiti severi in termini di prestazioni e precisione delle parti meccaniche, in particolare quelle utilizzate in condizioni difficili come alta temperatura e alta pressione [1]. La produzione di queste parti si basa su tecnologie di lavorazione precise e affidabili ad alte prestazioni, come la lavorazione ad alta velocità, la lavorazione multiasse, la microlavorazione e la lavorazione di materiali tipici del settore aerospaziale. Queste tecnologie non solo migliorano l’efficienza produttiva e riducono i costi, ma garantiscono anche la qualità e le prestazioni delle parti [2].
Nel campo aerospaziale, parti chiave come giranti, pale, involucri e parti a pareti sottili sono solitamente realizzate con leghe ad alte prestazioni, con design complessi e requisiti di precisione estremamente elevati [3]. Inoltre, queste parti sono soggette a deformazione durante la lavorazione, in particolare le parti a pareti sottili, quindi una tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni è molto importante quando si producono queste parti critiche. Queste tecnologie non solo possono gestire materiali difficili da lavorare, ma garantiscono anche la qualità e le prestazioni del prodotto in ambienti di lavoro estremi e requisiti di progettazione complessi, raggiungendo al contempo una precisione di lavorazione su scala da micron a nanoscala [4], in particolare nella produzione di giranti, pale e involucri In termini di articoli critici e pesanti, ha dimostrato vantaggi significativi.
In sintesi, l’applicazione della tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni nel campo aerospaziale non solo migliora l’efficienza produttiva e la qualità del prodotto, ma guida anche lo sviluppo di nuovi materiali e design innovativi. Ciò è fondamentale per soddisfare gli standard rigorosi e i complessi requisiti di produzione dell’industria manifatturiera aerospaziale.
Connotazione di elaborazione tecnica ad alte prestazioni
02
La tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni è una tecnologia ingegneristica che integra elementi chiave come la tecnologia di lavorazione ad alta velocità (HSM), la tecnologia di lavorazione con collegamento multiasse, la tecnologia di microlavorazione e la tecnologia dei materiali difficili da lavorare, con l'obiettivo di migliorare l'efficienza di lavorazione dei materiali , precisione e prestazioni. Il quadro è mostrato nella Figura 1. Nel campo aerospaziale, queste tecnologie vengono utilizzate per produrre parti ad alta richiesta per far fronte a requisiti di complessità e affidabilità, guidando il continuo progresso della tecnologia di produzione in questo campo.
Figura 1 Quadro tecnologico di lavorazione ad alte prestazioni
2.1 Tecnologia di elaborazione ad alta velocità
La tecnologia di lavorazione ad alta velocità nel settore aerospaziale gioca un ruolo chiave nella produzione di parti complesse e di precisione. Riduce il ciclo di produzione e migliora la qualità superficiale dei pezzi aumentando la velocità di rimozione del materiale e ottimizzando il percorso di lavorazione. Nella fresatura ad alta velocità, le frese a testa sferica integrali e indicizzabili vengono utilizzate per elaborare strutture complesse su superfici convesse e concave e fresatrici CNC a cinque assi. Le operazioni di fresatura sono mostrate nella Figura 2, che riflette la diversità e la complessità della tecnologia [4].
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a) Fresatura superficie convessa b) Fresatura superficie concava
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c) Fresatura di strutture complesse
Figura 2 Lavorazione della fresatura in diverse condizioni di lavoro [4]
Per il materiale specifico lega di titanio TC4, Wang Sheng et al. [5] hanno ottenuto miglioramenti significativi nell'efficienza di lavorazione e nella qualità della superficie ottimizzando i parametri di fresatura degli utensili PCD. La ricerca di LUIS et al. [6] hanno scoperto che nella fresatura di superfici complesse, la massima profondità radiale, la quantità di avanzamento e la strategia di taglio verso il basso sono cruciali per migliorare la qualità della superficie e la produttività. VOGEL et al. [7] hanno sviluppato un portautensili avanzato con una struttura interna di riempimento di particelle. Il portautensile è stato testato per la tornitura presso la Monfort Company, come mostrato nella Figura 3. Riducendo le vibrazioni durante la lavorazione della lega di titanio, l'efficienza della lavorazione e il portautensile sono stati migliorati. vita.
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a) Configurazione della prova
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b) Struttura della maniglia dell'utensile
Figura 3 Configurazione del test del portautensile pieno e struttura del portautensile [7]
Inoltre, l'applicazione di sistemi CAM avanzati, come Mastercam, UnigraphicsNX e CATIA, fornisce diverse strategie di percorso utensile per la lavorazione [8]. HASCOET e RAUCH [9] hanno utilizzato il controller OpenNC e l'interpolazione del percorso utensile NURBS per migliorare ulteriormente la qualità e l'efficienza della lavorazione ad alta velocità, apportando progressi significativi all'industria manifatturiera aerospaziale.
2.2 Tecnologia di elaborazione del collegamento multiasse
Nell'industria aerospaziale, la tecnologia di lavorazione con collegamento multiasse, in particolare l'applicazione di macchine utensili CNC a quattro e cinque assi, ha migliorato significativamente l'efficienza produttiva e la qualità delle parti chiave e ha apportato innovazioni significative.
In termini di ricerca applicativa specifica, FAN et al. [10] hanno sviluppato un metodo di lavorazione a cinque assi specifico per le giranti centrifughe. Questo metodo divide la girante in diverse aree e ottimizza il percorso utensile per ottenere una fresatura precisa ed efficiente. MHAMDI et al. [11] hanno sviluppato un modello dinamico per la fresatura multiasse di pale di motori aeronautici Ti-6Al-4V, ottenendo una migliore precisione e qualità superficiale nella produzione delle pale e risolvendo sfide complesse in termini di forma e materiale. Chen Kaihang [12] ha sviluppato un metodo di pianificazione della velocità semi-in tempo reale per la lavorazione CNC delle giranti con collegamento a cinque assi, che ha effettivamente migliorato la qualità e l'efficienza della lavorazione e ha soddisfatto le effettive esigenze del progetto. Prendendo come esempio la girante integrale semiaperta, il sito di lavorazione del collegamento multiasse e i campioni sono mostrati nella Figura 4.
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a) Processo di finitura della girante
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b) Girante integrale semiaperta
Figura 4: Sito di elaborazione del collegamento multiasse e parti campione
Inoltre, Wenhao et al. [13] hanno sviluppato un nuovo metodo per generare vettori degli assi dell'utensile per la lavorazione della superficie della griglia per migliorare l'efficienza e la precisione del taglio CNC multiasse. Wang Bo et al. [14] hanno sviluppato un metodo per modellare la traiettoria dei microelementi del tagliente nella fresatura con teste sferiche multiasse. Hanno costruito un modello dinamico che integra le caratteristiche geometriche dell'utensile per prevedere con precisione le forze di fresatura.
La tecnologia di lavorazione con collegamento multiasse è sempre più utilizzata nel campo aerospaziale e il suo miglioramento in termini di efficienza produttiva e qualità della produzione non può essere ignorato. Lo sviluppo e l’applicazione di questa tecnologia hanno aperto una nuova strada per un’ulteriore innovazione nel settore manifatturiero aerospaziale del futuro.
2.3 Tecnologia di microlavorazione
Nel campo aerospaziale, le tecnologie di microlavorazione, in particolare la microfresatura, la microelettroerosione, la microlavorazione laser e la lavorazione ad ultrasuoni, svolgono un ruolo fondamentale. Queste tecnologie svolgono un ruolo chiave nella produzione di componenti microscopici con forme complesse e requisiti di elevata precisione.
La tecnologia di microfresatura mostra vantaggi nella produzione di microcomponenti con elevata precisione e geometrie complesse. Tian Lu et al. [15] hanno fatto progressi nell'ottimizzazione dello spessore minimo di taglio e della forza di taglio, mentre LI et al. [16] hanno sviluppato un nuovo materiale per utensili ceramico composito micro-nano Ti(C, N)/WC per micro frese. /ZrO2, migliora efficacemente la resistenza alla flessione, la tenacità e la durezza degli utensili da taglio. Inoltre, Zhang Xinxin et al. [17] hanno ottimizzato i parametri di taglio della microfresatura ad alta velocità di materiali resistenti come le leghe di titanio e l'acciaio inossidabile, migliorando la qualità della superficie e l'efficienza di lavorazione di questi materiali difficili da lavorare.
Nel campo della lavorazione con scarica microelettrica, Tagawa [18] ha confermato l'effetto della lavorazione con scarica microelettrica nel migliorare l'efficienza di lavorazione e la qualità della superficie della lega di titanio Ti-6Al-4V. LIN et al. [19] hanno ottimizzato la micro-fresatura EDM di Inconel 718 attraverso il metodo Taguchi, ottenendo un equilibrio tra usura dell'elettrodo, velocità di rimozione del materiale e spazio di lavoro, migliorando così l'efficienza di taglio. HUU et al. [20] hanno utilizzato elettrodi rivestiti di carbonio per migliorare l'efficienza di lavorazione delle leghe di titanio, dimostrando il potenziale della lavorazione senza contatto nei materiali duri. La ricerca di GARZON et al. [21] si concentra sulla tecnologia di misurazione della forza nella micro-EDM, che fornisce un monitoraggio più accurato del processo di lavorazione. La piattaforma di lavorazione combinata costruita e ottimizzata per questo dispositivo sulla macchina utensile Sarix sx200 è mostrata nella Figura 5.
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Figura 5 Macchina utensile a lavorazione combinata: microfresatura + microelettroerosione [21]
Lo sviluppo della tecnologia di microlavorazione laser ha migliorato significativamente le prestazioni di lavorazione locale di vari materiali. Come mostrato nella ricerca di CHAVOSHI [22], la lavorazione locale di vari materiali tramite raggi laser ad alta energia ha migliorato le prestazioni di lavorazione. Xiao Qiang et al. [23] hanno prodotto con successo micro-nanostrutture utilizzando l'elaborazione laser a femtosecondi. SOLE et al. [24] hanno utilizzato la µCT per rilevare difetti vuoti nel Ti-6Al-4V prodotto mediante produzione additiva laser, che ha fornito informazioni importanti per il controllo della qualità nel settore aerospaziale.
Allo stesso tempo, anche la tecnologia di elaborazione ad ultrasuoni ha fatto importanti progressi. La tecnologia di taglio delle onde ultrasoniche ad alta velocità sviluppata da Peng Zhenlong et al. [25] hanno migliorato la velocità di taglio e l'efficienza dei materiali difficili da lavorare, mentre ZHAO et al. [26] hanno utilizzato un dispositivo RUVAG sviluppato internamente basato sulla vibrazione del pezzo in lavorazione per condurre un singolo test di macinazione del grano CBN. , con l'obiettivo di rivelare il meccanismo di rimozione del materiale e le prestazioni di usura dei grani di CBN mediante vibrazioni ultrasoniche radiali. Il metodo di perforazione a pecking assistito da ultrasuoni (UPD) proposto da LIU et al. [27] hanno effettivamente migliorato l'efficienza di perforazione e la qualità dei materiali laminati CFRP/Ti.
L'applicazione completa delle tecnologie di taglio di microlavorazione non solo dimostra i loro vantaggi unici, ma mostra anche un grande potenziale nella produzione di microcomponenti con elevata precisione e design complessi. Man mano che la tecnologia del microtaglio continua a svilupparsi, continuerà a promuovere il progresso nel settore aerospaziale e in altri settori manifatturieri di precisione.
2.4 Materiali tipici dell'aviazione difficili da lavorare
Nell’industria aerospaziale, la ricerca sulle tecnologie di lavorazione di precisione per materiali tipicamente difficili da lavorare come le leghe di titanio, le leghe di alluminio e i compositi in fibra di carbonio è cruciale. Questi materiali svolgono un ruolo importante nella produzione di parti critiche per l'aviazione grazie alla loro eccellente resistenza meccanica e alla corrosione, ma comportano anche sfide di lavorazione.
Nel campo della lavorazione delle leghe di titanio, Tian Rongxin et al. [28] hanno proposto un metodo di ottimizzazione dei parametri di processo per la fresatura ad alta velocità della lega di titanio TC11. Liu Peng et al. [29] hanno sviluppato un modello matematico per ottimizzare la forza di taglio della fresatura ad alta velocità della lega di titanio TA15 con utensili PCD e ne hanno verificato l'efficacia. HOURMAND et al. [30] hanno scoperto che gli utensili rivestiti in carburo di tungsteno (WC o WC/Co) hanno prestazioni migliori in termini di usura, levigatezza, durata e attrito rispetto agli utensili non rivestiti. EZUGWU et al. [31] hanno scoperto attraverso una ricerca che quando si utilizzano utensili PCD per la tornitura di precisione ad alta velocità TC4, il fluido da taglio ad alta pressione può migliorare significativamente la levigatezza della superficie e la durata dell'utensile e ridurre i danni fisici. Inoltre, Yao Jun et al. [32] hanno migliorato efficacemente l'efficienza di lavorazione e ridotto i costi della lega di titanio TB6 applicando la tecnologia di taglio elettrolitico a vibrazione.
In termini di lavorazione delle leghe di alluminio, DONG et al. [33] si sono concentrati sullo studio dell'usura degli utensili diamantati nelle lavorazioni meccaniche di precisione, evidenziando l'influenza del gioco dell'utensile e della velocità di avanzamento. WANG et al. [34] hanno studiato la lavorazione di taglio della lega di alluminio 7050-T7451 e hanno dimostrato che angoli di spoglia più ampi e trucioli più spessi possono ridurre significativamente il consumo di energia, ottenendo così una produzione più efficiente e rispettosa dell'ambiente. Inoltre, JAROSZ et al. [35] hanno ridotto significativamente il tempo di lavorazione della lega di alluminio AL-6061-T6 (circa il 37%) e migliorato l'efficienza della lavorazione ottimizzando i parametri di spianatura CNC.
Inoltre, per la lavorazione dei materiali in fibra di carbonio aerospaziale, WU et al. [36] hanno sviluppato utensili da taglio in diamante policristallino per plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP), che hanno migliorato l'efficienza e la qualità del taglio. Il modello stocastico sviluppato da ZHANG et al. [37] possono prevedere con precisione la forza di taglio della fresatura di materiali compositi rinforzati con fibre, il che è di grande importanza per migliorare la precisione di lavorazione e l'efficienza dei materiali compositi. WU et al. [38] hanno utilizzato modelli a elementi finiti e il software Deform 3D per condurre analisi di simulazione per risolvere il problema della perforazione e migliorare la qualità della lavorazione.
In sintesi, nel campo aerospaziale, la tecnologia di lavorazione dei tipici materiali difficili da lavorare è la chiave per ottenere una produzione ad alte prestazioni di parti aerospaziali critiche. Lo sviluppo di queste tecnologie di taglio non solo migliora l’efficienza e la precisione della lavorazione, ma apre anche nuove possibilità per il taglio, la lavorazione e la formatura di altri nuovi materiali difficili da lavorare.
Casi applicativi di lavorazione tecnologica ad alte prestazioni
03
3.1 Lavorazione multiasse di pale di girante
Prendendo come esempio la lavorazione a cinque assi di una girante integrale aeronautica, viene considerato in anticipo il metodo di fresatura della complessa geometria superficiale delle pale della girante integrale e vengono utilizzati il metodo di fresatura a punti e il metodo di fresatura laterale. Quindi, considerare la selezione degli utensili da taglio durante la finitura delle lame adiacenti per evitare tagli eccessivi e sottosquadri, selezionare una fresa a codolo conico e combinarla con la funzione di analisi della distanza del CAD per l'analisi. Quindi, la traiettoria di posizione dell'utensile viene progettata tramite la modalità "blisk" del software PowerMill. Infine, al fine di garantire la sicurezza e l'affidabilità della lavorazione a cinque assi, il software di simulazione VERICUT viene utilizzato per simulare la lavorazione complessiva della girante per garantire che la lavorazione sia sicura e affidabile e soddisfi i requisiti di dimensioni e precisione [39]. Le questioni principali e i metodi sono riassunti come segue.
1) Garantire l'efficienza e la precisione complessive della lavorazione della girante è la chiave della tecnologia di lavorazione. Nel processo di fresatura vengono utilizzati il metodo di fresatura a punti e il metodo di fresatura laterale e la superficie curva della lama viene lavorata passo dopo passo lungo la direzione della linea aerodinamica della lama attraverso il contatto puntuale e il contatto lineare. L'utilizzo di questo metodo di lavorazione garantisce efficienza di lavorazione e qualità della superficie.
2) Per evitare che l'utensile tagli troppo o sottosquadri durante la finitura delle lame adiacenti, combinare l'analisi della fresa a codolo conico e il software CAD per determinare la spaziatura minima delle lame, riservare il sovrametallo di lavorazione e l'angolo di oscillazione dell'asse della fresa, che non solo migliora l'efficienza della lavorazione, ma aumenta anche la rigidità dell'utensile.
3) Una progettazione ragionevole del percorso utensile è il passo più importante nella lavorazione multiasse. Utilizza il modulo "blisk" del software PowerMill per costruire superfici ausiliarie attraverso impostazioni parametrizzate e progettazione strategica, ed esegui ispezioni di collisioni e sovrataglio per formulare traiettorie di posizione dell'utensile efficienti e ragionevoli e ottenere buoni risultati nella successiva elaborazione effettiva.
4) Al fine di garantire la sicurezza e l'affidabilità della lavorazione a cinque assi, il software di simulazione VERICUT viene utilizzato per simulare l'ambiente di lavorazione reale e l'utensileria di processo e, combinato con la traiettoria dell'utensile nel programma CNC, la fattibilità della lavorazione della girante complessiva è verificato.
3.2 Lavorazione di parti anulari a pareti sottili ad alta durezza della carcassa del motore
In considerazione dei problemi di deformazione, vibrazione e qualità della superficie che possono verificarsi durante la lavorazione dell'anello di montaggio della struttura a parete sottile di forma speciale dell'involucro del motore dell'aereo, sono state adottate una serie di misure per prevenire la deformazione. Innanzitutto, viene aggiunto il processo di fresatura di sgrossatura per rilasciare in anticipo lo stress di lavorazione. In secondo luogo, gli utensili di espansione della struttura del diaframma elastico e il metodo di lavorazione della tornitura cicloidale vengono utilizzati per evitare efficacemente la deformazione delle parti. Infine, la tornitura invece della rettifica viene utilizzata per garantire la qualità della superficie e le dimensioni del rivestimento, risolvendo così problemi chiave nella lavorazione [40]. Le questioni principali e i metodi sono riassunti come segue.
1) È fondamentale ridurre lo stress e la deformazione durante le lavorazioni successive e migliorare l'efficienza e la qualità dell'intero processo produttivo. Il materiale in eccesso sulla faccia frontale viene rimosso attraverso il processo di sgrossatura per scaricare lo stress di lavorazione e ridurre la deformazione, lasciando il margine necessario per la finitura. Questo processo non solo migliora l'efficienza della lavorazione, ma riduce anche lo stress interno attraverso la ricottura di distensione, garantendo la precisione e la qualità delle parti.
2) Per risolvere il problema della grave deformazione delle parti durante la lavorazione. Progettando attrezzature speciali e adottando un'efficiente tecnologia di tornitura (vedere Figura 6), la deformazione durante la lavorazione viene controllata in modo efficace, garantendo l'accuratezza della lavorazione e la qualità delle parti. Questo metodo è adatto per la lavorazione di parti simili a forma speciale a pareti sottili di elevata durezza, che possono migliorare l'efficienza di lavorazione e ridurre l'usura degli utensili garantendo al contempo la qualità della superficie e le dimensioni del rivestimento.
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a) Morsetto della struttura di bloccaggio elastico
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b) Diagramma di tornitura trocoidale
Figura 6: Tornitura di attrezzature e cicloidi [40]
3) Per far fronte al problema che il processo di rettifica produce grandi vibrazioni, che provocano segni di vibrazione sulla superficie del rivestimento e rendono difficile soddisfare i requisiti di rugosità superficiale, viene invece adottato il processo di tornitura, utilizzando speciali utensili di tornitura e una lavorazione ragionevole .
parametri per l'elaborazione. Rispetto alla rettifica della mola, l'area di contatto del rivestimento di tornitura è più piccola, il che riduce efficacemente le vibrazioni, migliora la qualità della superficie e l'accuratezza dimensionale del rivestimento e soddisfa i requisiti di produzione.
Conclusione
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Questo articolo fornisce una rassegna completa delle tecnologie di lavorazione ad alte prestazioni nel campo aerospaziale, evidenziando l'importante ruolo di queste tecnologie nella produzione aerospaziale. Ha sottolineato l'importanza della tecnologia di lavorazione ad alte prestazioni nel migliorare l'efficienza produttiva e la qualità delle parti critiche e nel garantire prestazioni in condizioni estreme, quindi ha introdotto esempi di applicazioni specifiche per dimostrare il ruolo di queste tecnologie nel migliorare la precisione della lavorazione e ridurre la deformazione e le vibrazioni. vantaggi significativi. Tuttavia, nel settore aerospaziale in rapido sviluppo, la tecnologia di elaborazione ad alte prestazioni deve ancora affrontare molteplici sfide. La futura industria manifatturiera aerospaziale si concentrerà sull’integrazione di tecnologie innovative come i gemelli digitali e la produzione intelligente, concentrandosi al tempo stesso sulla sostenibilità ambientale e promuovendo lo sviluppo di materiali e processi più ecologici. Tecnologie più efficienti, intelligenti e rispettose dell’ambiente guideranno l’arrivo di una nuova era. .
