Høyytelses prosesseringsteknologi er en nøkkelteknologi for prosessering av kritiske romfartsdeler, som driver luftfartsindustrien mot høyere produksjonseffektivitet og prosesskvalitet. Denne teknologien gir teknisk støtte for høykvalitetsutvikling av kritiske romfartsdeler ved å forbedre produksjonseffektiviteten og prosesseringsnøyaktigheten til prosesseringsprosessen. Fordelene og bruksområdene til høyytelses maskineringsteknologi introduseres, og forskningsfremgangen til forskere innen høyytelses maskineringsteknologi i romfartsfeltet er oppsummert, inkludert høyhastighets maskineringsteknologi (HSM), flerakset koblingsmaskinteknologi, mikrobearbeidingsteknologi og typisk bearbeiding av romfartsmaterialer. Samtidig prospekteres også utfordringene og utviklingstrendene som teknologien kan møte i fremtiden.
Forord
01
Luftfartsindustrien er i forkant av prosesseringsteknologi med høy ytelse og har strenge krav til ytelse og nøyaktighet til mekaniske deler, spesielt de som brukes under tøffe forhold som høy temperatur og høyt trykk [1]. Produksjonen av disse delene er avhengig av nøyaktige og pålitelige maskineringsteknologier med høy ytelse, for eksempel høyhastighetsmaskinering, flerakset maskinering, mikrobearbeiding og prosessering av typiske romfartsmaterialer. Disse teknologiene forbedrer ikke bare produksjonseffektiviteten og reduserer kostnadene, men sikrer også kvaliteten og ytelsen til deler [2].
I romfartsfeltet er nøkkeldeler som impellere, blader, foringsrør og tynnveggede deler vanligvis laget av høyytelseslegeringer, med komplekse design og ekstremt høye presisjonskrav [3]. I tillegg er disse delene utsatt for deformasjon under bearbeiding, spesielt tynnveggede deler, så høyytelses prosesseringsteknologi er svært viktig når man produserer disse kritiske delene. Disse teknologiene kan ikke bare håndtere materialer som er vanskelige å maskinere, men sikrer også produktkvalitet og ytelse under ekstreme arbeidsmiljøer og komplekse designkrav, samtidig som de oppnår maskineringsnøyaktighet fra mikron til nanoskala [4], spesielt ved produksjon av løpehjul, blader og foringsrør. Når det gjelder kritiske og tunge gjenstander, har den vist betydelige fordeler.
Oppsummert, bruken av høyytelses prosesseringsteknologi i romfartsfeltet forbedrer ikke bare produksjonseffektiviteten og produktkvaliteten, men driver også utviklingen av nye materialer og innovative design. Dette er avgjørende for å oppfylle de strenge standardene og komplekse produksjonskravene til luftfartsindustrien.
Høyytelses teknisk prosesseringskonnotasjon
02
Høyytelses maskineringsteknologi er en ingeniørteknologi som integrerer nøkkelelementer som høyhastighets maskineringsteknologi (HSM), multi-akse koblingsmaskinering teknologi, mikro-maskining teknologi og vanskelig å bearbeide materialteknologi, med sikte på å forbedre materialbehandlingseffektiviteten , nøyaktighet og ytelse. Rammeverket er vist i figur 1. I romfartsfeltet brukes disse teknologiene til å produsere deler med høy etterspørsel for å takle kravene til kompleksitet og pålitelighet, og driver den kontinuerlige utviklingen av produksjonsteknologi på dette feltet.
Figur 1 Rammeverk for maskineringsteknologi med høy ytelse
2.1 Høyhastighets prosesseringsteknologi
Høyhastighets maskineringsteknologi i romfartssektoren spiller en nøkkelrolle i å produsere presisjon og komplekse deler. Det forkorter produksjonssyklusen og forbedrer overflatekvaliteten til delene ved å øke materialfjerningshastigheten og optimalisere bearbeidingsbanen. Ved høyhastighetsfresing brukes solide og indekserbare endefreser med kulehode til å behandle komplekse strukturer på konvekse og konkave overflater og femaksede CNC-fresemaskiner. Freseoperasjonene er vist i figur 2, som gjenspeiler mangfoldet og kompleksiteten til teknologi [4].
bilde
a) Fresing av konveks overflate b) Fresing av konkav overflate
bilde
c) Fresing av komplekse strukturer
Figur 2 Fresebearbeiding under forskjellige arbeidsforhold [4]
For det spesifikke materialet TC4 titanlegering, Wang Sheng et al. [5] oppnådde betydelige forbedringer i prosesseringseffektivitet og overflatekvalitet ved å optimalisere freseparameterne til PCD-verktøy. Forskning av LUIS et al. [6] fant at ved kompleks overflatefresing er den maksimale radielle dybden, matemengden og nedadgående kuttestrategi avgjørende for å forbedre overflatekvaliteten og produktiviteten. VOGEL et al. [7] utviklet en avansert verktøyholder med en intern partikkelfyllingsstruktur. Verktøyholderen ble testet for dreiing hos Monfort Company, som vist i figur 3. Ved å redusere vibrasjoner under bearbeiding av titanlegering, ble maskineringseffektiviteten og verktøyholderen forbedret. liv.
bilde
a) Testoppsett
bilde
b) Verktøyhåndtaksstruktur
Figur 3 Testoppsett for fylt verktøyholder og verktøyholderstruktur [7]
I tillegg gir bruken av avanserte CAM-systemer, som Mastercam, UnigraphicsNX og CATIA, ulike verktøybanestrategier for maskinering [8]. HASCOET og RAUCH [9] brukte OpenNC-kontroller og NURBS-verktøybaneinterpolering for ytterligere å forbedre kvaliteten og effektiviteten til høyhastighetsmaskinering, noe som ga betydelig fremgang til luftfartsindustrien.
2.2 Flerakset koblingsbehandlingsteknologi
I romfartsindustrien har flerakset koblingsmaskineringsteknologi, spesielt bruken av fireakset og femakset CNC-maskinverktøy, betydelig forbedret produksjonseffektiviteten og kvaliteten på nøkkeldeler og brakt betydelig innovasjon.
Når det gjelder spesifikk applikasjonsforskning, har FAN et al. [10] utviklet en femakset maskineringsmetode spesielt for sentrifugalhjul. Denne metoden deler løpehjulet inn i ulike områder og optimerer verktøybanen for å oppnå nøyaktig og effektiv fresing. MHAMDI et al. [11] utviklet en dynamisk modell for flerakset fresing av aeromotorblader Ti-6Al-4V, for å oppnå bedre nøyaktighet og overflatekvalitet i bladproduksjon og løse komplekse form- og materialutfordringer. Chen Kaihang [12] utviklet en semi-sanntids hastighetsplanleggingsmetode for femakset koblings-CNC-bearbeiding av impellere, som effektivt forbedret prosesseringskvaliteten og effektiviteten og møtte de faktiske behovene til prosjektet. Med det halvåpne integrerte løpehjulet som et eksempel, er multi-akse koblingsbehandlingsstedet og prøvene vist i figur 4.
bilde
a) Etterbehandlingsprosess for impeller
bilde
b) Halvåpent integrert impeller
Figur 4: Flerakset koblingsbehandlingssted og prøvedeler
I tillegg har Wenhao et al. [13] utviklet en ny metode for å generere verktøyaksevektorer for bearbeiding av gitteroverflate for å forbedre effektiviteten og nøyaktigheten til flerakset CNC-skjæring. Wang Bo et al. [14] utviklet en metode for modellering av mikroelementbanen til skjærekanten i flerakset kuleendefresing. De konstruerte en dynamisk modell som integrerte verktøyets geometriske egenskaper for nøyaktig å forutsi fresekrefter.
Flerakset koblingsmaskineringsteknologi er i økende grad brukt i romfartsfeltet, og dens forbedring i produksjonseffektivitet og produksjonskvalitet kan ikke ignoreres. Utviklingen og anvendelsen av denne teknologien har åpnet en ny vei for ytterligere innovasjon i luftfartsindustrien i fremtiden.
2.3 Mikromaskinteknologi
I romfartsfeltet spiller mikrobearbeidingsteknologier, spesielt mikrofresing, mikroelektrisk utladningsmaskinering, lasermikromaskinering og ultralydbearbeiding, en viktig rolle. Disse teknologiene spiller en nøkkelrolle i produksjon av mikroskopiske komponenter med komplekse former og høye presisjonskrav.
Mikrofreseteknologi viser fordeler ved å produsere mikrokomponenter med høy presisjon og komplekse geometrier. Tian Lu et al. [15] gjorde fremskritt i optimaliseringen av minimum skjæretykkelse og skjærekraft, mens LI et al. [16] utviklet et nytt mikro-nano kompositt keramisk verktøymateriale Ti(C, N)/WC for mikrofresere. /ZrO2, forbedrer effektivt bøyestyrken, seigheten og hardheten til skjæreverktøy. I tillegg har Zhang Xinxin et al. [17] optimaliserte skjæreparametrene for høyhastighets mikrofresing for tøffe materialer som titanlegering og rustfritt stål, og forbedret overflatekvaliteten og prosesseringseffektiviteten til disse materialene som er vanskelig å maskinere.
Innen mikroelektrisk utladningsmaskinering bekreftet Tagawa [18] effekten av mikroelektrisk utladningsmaskinering for å forbedre prosesseringseffektiviteten og overflatekvaliteten til Ti-6Al-4V titanlegering. LIN et al. [19] optimaliserte mikrofresing EDM av Inconel 718 gjennom Taguchi-metoden, og oppnådde en balanse mellom elektrodeslitasje, materialfjerningshastighet og arbeidsgap, og forbedret dermed kutteeffektiviteten. HUU et al. [20] brukte karbonbelagte elektroder for å forbedre prosesseringseffektiviteten til titanlegeringer, og demonstrerte potensialet til berøringsfri bearbeiding i harde materialer. Forskningen til GARZON et al. [21] fokuserer på kraftmålingsteknologi i mikro-EDM, som gir mer nøyaktig overvåking av maskineringsprosessen. Den kombinerte prosesseringsplattformen bygget og optimalisert for denne enheten på Sarix sx200-maskinverktøyet er vist i figur 5.
bilde
Figur 5 Kombinert prosesseringsmaskinverktøy: mikrofresing + mikro EDM [21]
Utviklingen av lasermikromaskinteknologi har forbedret den lokale prosessytelsen til forskjellige materialer betydelig. Som vist i forskningen til CHAVOSHI [22], forbedret den lokale behandlingen av ulike materialer gjennom høyenergilaserstråler prosessytelsen. Xiao Qiang et al. [23] vellykket produsert mikro-nano-strukturer ved bruk av femtosekund-laserbehandling. SUN et al. [24] brukte µCT for å oppdage ugyldige defekter i Ti-6Al-4V produsert av lasertilsetningsproduksjon, som ga viktig informasjon for kvalitetssikring av romfart.
Samtidig har ultralydbehandlingsteknologi også gjort viktige fremskritt. Høyhastighets ultralydbølgeskjæringsteknologien utviklet av Peng Zhenlong et al. [25] forbedret skjærehastigheten og effektiviteten til materialer som var vanskelige å maskinere, mens ZHAO et al. [26] brukte en egenutviklet RUVAG-enhet basert på arbeidsstykkevibrasjoner for å utføre en enkelt CBN-kornslipetest. , med sikte på å avsløre materialfjerningsmekanismen og slitasjeytelsen til CBN-korn ved radiell ultralydvibrasjon. Metoden med ultralydassistert hakkeboring (UPD) foreslått av LIU et al. [27] forbedret effektivt boreeffektiviteten og kvaliteten til CFRP/Ti-laminatmaterialer.
Den omfattende anvendelsen av mikrobearbeidende skjæreteknologier demonstrerer ikke bare deres unike fordeler, men viser også et stort potensial i produksjon av mikrokomponenter med høy presisjon og komplekse design. Ettersom mikroskjæreteknologien fortsetter å utvikle seg, vil den fortsette å fremme fremgang i luftfarten og annen presisjonsindustri.
2.4 Typiske luftfartsmaterialer som er vanskelige å behandle
I romfartsindustrien er forskning på presisjonsbearbeidingsteknologier for typisk vanskelig bearbeidede materialer som titanlegeringer, aluminiumslegeringer og karbonfiberkompositter avgjørende. Disse materialene spiller en viktig rolle i produksjonen av kritiske flydeler på grunn av deres utmerkede mekaniske styrke og korrosjonsmotstand, men de gir også prosesseringsutfordringer.
Innenfor behandling av titanlegeringer har Tian Rongxin et al. [28] foreslo en prosessparameteroptimaliseringsmetode for høyhastighetsfresing av TC11 titanlegering. Liu Peng et al. [29] utviklet en matematisk modell for å optimalisere skjærekraften til høyhastighetsfresing av TA15 titanlegering med PCD-verktøy og bekreftet dens effektivitet. HOURMAND et al. [30] fant at belagte wolframkarbidverktøy (WC eller WC/Co) presterte bedre med hensyn til slitasje, glatthet, levetid og friksjon enn ubelagte verktøy. EZUGWU et al. [31] fant gjennom forskning at ved bruk av PCD-verktøy for høyhastighets presisjonsdreiing TC4, kan høytrykksskjærevæske betydelig forbedre overflatens glatthet og verktøylevetid og redusere fysisk skade. I tillegg har Yao Jun et al. [32] forbedret effektivt prosesseringseffektiviteten og reduserte kostnadene til TB6 titanlegering ved å bruke elektrolytisk vibrasjonsskjæreteknologi.
Når det gjelder bearbeiding av aluminiumslegeringer, har DONG et al. [33] fokuserte på å studere slitasjen til diamantverktøy i presisjonsmaskinering, og fremhevet påvirkningen av verktøyklaring og matehastighet. WANG et al. [34] studerte skjærebehandlingen av 7050-T7451 aluminiumslegering og viste at større skråvinkler og tykkere spon kan redusere energiforbruket betydelig, og dermed oppnå mer effektiv og miljøvennlig produksjon. I tillegg har JAROSZ et al. [35] reduserte behandlingstiden for AL-6061-T6-aluminiumlegering (ca. 37 %) betydelig og forbedret prosesseringseffektiviteten ved å optimalisere CNC-planfreseparametere.
I tillegg, for prosessering av karbonfibermateriale i romfart, WU et al. [36] utviklet polykrystallinske diamantskjæreverktøy for karbonfiberforsterket plast (CFRP), som forbedret kutteeffektiviteten og kvaliteten. Den stokastiske modellen utviklet av ZHANG et al. [37] kan nøyaktig forutsi skjærekraften til å frese fiberarmerte komposittmaterialer, noe som er av stor betydning for å forbedre prosesseringsnøyaktigheten og effektiviteten til komposittmaterialer. WU et al. [38] brukte endelige elementmodeller og Deform 3D-programvare for å utføre simuleringsanalyse for å løse boreproblemet og forbedre prosesseringskvaliteten.
For å oppsummere, i romfartsfeltet, er prosesseringsteknologi av typiske materialer som er vanskelige å maskinere nøkkelen til å oppnå høyytelsesproduksjon av kritiske romfartsdeler. Utviklingen av disse skjæreteknologiene forbedrer ikke bare prosesseringseffektiviteten og nøyaktigheten, men åpner også for nye muligheter for skjæring, bearbeiding og forming av andre nye materialer som er vanskelige å bearbeide.
Høyytelsesteknologi for maskinering av applikasjonssaker
03
3.1 Flerakset bearbeiding av impellerblader
Ved å ta den femaksede bearbeidingen av et integrert løpehjul for luftfart som et eksempel, vurderes fresemetoden for den komplekse overflategeometrien til de integrerte løpehjulbladene på forhånd, og punktfresemetoden og sidefresemetoden brukes. Vurder deretter valget av skjæreverktøy under etterbehandling av tilstøtende blader for å unngå overskjæring og underskjæring, og velg en konisk skaftfreser og kombiner den med avstandsanalysefunksjonen til CAD for analyse. Deretter utformes verktøyposisjonsbanen gjennom "blisk"-modusen til PowerMill-programvaren. Til slutt, for å sikre sikkerheten og påliteligheten til femakset bearbeiding, brukes simuleringsprogramvaren VERICUT til å simulere den totale impellerbearbeidingen for å sikre at bearbeidingen er sikker og pålitelig og oppfyller kravene til størrelse og nøyaktighet [39]. De viktigste problemene og metodene er oppsummert som følger.
1) Å sikre den totale effektiviteten og nøyaktigheten av pumpehjulet er nøkkelen til prosesseringsteknologi. Punktfresemetoden og sidefresemetoden brukes i freseprosessen, og den krumme bladets overflate bearbeides trinn for trinn langs bladets strømlinjeretning gjennom punktkontakt og linjekontakt. Bruk av denne bearbeidingsmetoden sikrer bearbeidingseffektivitet og overflatekvalitet.
2) For å forhindre at verktøyet overskjærer eller underskjærer under etterbehandling av tilstøtende kniver, kombiner analysen av endefresen med konisk skaft og CAD-programvare for å bestemme minimumsavstanden mellom knivene, reserver bearbeidingsgodtgjørelsen og svingvinkelen til kutteraksen, som ikke bare forbedrer prosesseringseffektiviteten, verktøyets stivhet er også forbedret.
3) Rimelig utforming av verktøybanen er det viktigste trinnet i flerakset bearbeiding. Bruk "blisk"-modulen til PowerMill-programvaren til å konstruere hjelpeoverflater gjennom parameteriserte innstillinger og strategidesign, og utføre kollisjons- og overkuttinspeksjoner for å formulere effektive og rimelige verktøyposisjonsbaner, og oppnå gode resultater i påfølgende faktisk prosessering.
4) For å sikre sikkerheten og påliteligheten til femakset bearbeiding, brukes VERICUT simuleringsprogramvare for å simulere det faktiske maskineringsmiljøet og prosessverktøyet, og kombinert med verktøybanen i CNC-programmet, er gjennomførbarheten av å behandle det totale løpehjulet. verifisert.
3.2 Bearbeiding av tynnveggede ringdeler med høy hardhet til motorhuset
I lys av deformasjonen, vibrasjonen og overflatekvalitetsproblemene som er tilbøyelige til å oppstå under behandlingen av den tynnveggede spesialformede strukturmonteringsringen til flymotorhuset, er det iverksatt en rekke tiltak for å forhindre deformasjon. Først legges grovfreseprosessen til for å frigjøre bearbeidingsspenningen på forhånd. For det andre brukes ekspansjonsverktøyet for den elastiske membranstrukturen og prosesseringsmetoden for cykloidal dreiing for effektivt å unngå deldeformasjon. Til slutt brukes dreiing i stedet for sliping for å sikre overflatekvaliteten og størrelsen på belegget, og derved løse sentrale problemstillinger ved maskinering [40]. De viktigste problemene og metodene er oppsummert som følger.
1) Det er nøkkelen til å redusere stress og deformasjon under påfølgende prosessering og forbedre effektiviteten og kvaliteten til hele produksjonsprosessen. Overflødig materiale på endeflaten fjernes gjennom grovfreseprosessen for å frigjøre bearbeidingsspenning og redusere deformasjon, samtidig som det etterlates nødvendig margin for etterbehandling. Denne prosessen forbedrer ikke bare prosesseringseffektiviteten, men reduserer også den indre spenningen gjennom spenningsavlastende gløding, noe som sikrer nøyaktigheten og kvaliteten til delene.
2) For å løse problemet med alvorlig deformasjon av deler under bearbeiding. Ved å designe spesialverktøy og ta i bruk effektiv dreieteknologi (se figur 6), kontrolleres deformasjon under behandlingen effektivt, noe som sikrer prosessnøyaktighet og delkvalitet. Denne metoden er egnet for behandling av lignende tynnveggede spesialformede deler med høy hardhet, som kan forbedre bearbeidingseffektiviteten og redusere verktøyslitasje samtidig som overflatekvaliteten og størrelsen på belegget sikres.
bilde
a) Elastisk klemstrukturklemme
bilde
b) Trochoidalt dreiediagram
Figur 6: Fixtur og cykloid dreiing [40]
3) For å håndtere problemet med at slipeprosessen produserer store vibrasjoner, som forårsaker vibrasjonsmerker på beleggsoverflaten og gjør det vanskelig å oppfylle kravene til overflateruhet, blir dreieprosessen tatt i bruk i stedet ved bruk av spesielle dreieverktøy og rimelig behandling .
parametere for behandling. Sammenlignet med hjulsliping er kontaktområdet til dreiebelegget mindre, noe som effektivt reduserer vibrasjoner, forbedrer overflatekvaliteten og dimensjonsnøyaktigheten til belegget og oppfyller produksjonskravene.
Konklusjon
04
Denne artikkelen gir en omfattende gjennomgang av høyytelses maskineringsteknologier i romfartsfeltet, og fremhever den viktige rollen til disse teknologiene i romfartsproduksjon. Understreket viktigheten av høyytelses maskineringsteknologi for å forbedre produksjonseffektiviteten og kvaliteten til kritiske deler og sikre ytelse under ekstreme forhold, og introduserte deretter spesifikke applikasjonseksempler for å demonstrere rollen til disse teknologiene i å forbedre maskineringsnøyaktigheten og redusere deformasjon og vibrasjon. betydelige fordeler. I det raskt utviklende romfartsfeltet står imidlertid prosesseringsteknologi med høy ytelse fortsatt overfor flere utfordringer. Fremtidens romfartsindustri vil fokusere på å integrere innovative teknologier som digitale tvillinger og smart produksjon, samtidig som den fokuserer på miljømessig bærekraft og fremme utviklingen av grønnere materialer og prosesser. Mer effektive, intelligente og miljøvennlige teknologier vil drive ankomsten av en ny æra. .
