Высокопроизводительная технология обработки является ключевой технологией обработки критически важных деталей аэрокосмической отрасли, которая способствует повышению эффективности производства и качества обработки в авиационной промышленности. Эта технология обеспечивает техническую поддержку высококачественной разработки критически важных деталей аэрокосмической отрасли за счет повышения эффективности производства и точности обработки процесса. Представлены преимущества и области применения технологии высокопроизводительной обработки, а также обобщены достижения ученых в области технологии высокопроизводительной обработки в аэрокосмической области, включая технологию высокоскоростной обработки (HSM), технологию обработки с многоосным рычагом, технология микрообработки и обработка типичных аэрокосмических материалов. В то же время также рассматриваются проблемы и тенденции развития, с которыми технология может столкнуться в будущем.
Предисловие
01
Аэрокосмическая промышленность находится на переднем крае высокопроизводительных технологий обработки и предъявляет строгие требования к производительности и точности механических деталей, особенно тех, которые используются в суровых условиях, таких как высокая температура и высокое давление [1]. Производство этих деталей основано на точных и надежных технологиях высокопроизводительной обработки, таких как высокоскоростная обработка, многоосная обработка, микрообработка и обработка типичных материалов аэрокосмической отрасли. Эти технологии не только повышают эффективность производства и снижают затраты, но также обеспечивают качество и работоспособность деталей [2].
В аэрокосмической области ключевые детали, такие как рабочие колеса, лопасти, корпуса и тонкостенные детали, обычно изготавливаются из высокопроизводительных сплавов, имеют сложную конструкцию и чрезвычайно высокие требования к точности [3]. Кроме того, эти детали склонны к деформации в процессе обработки, особенно тонкостенные, поэтому при изготовлении этих ответственных деталей очень важна высокопроизводительная технология обработки. Эти технологии позволяют не только обрабатывать труднообрабатываемые материалы, но также обеспечивать качество и производительность продукции в экстремальных рабочих условиях и сложных требованиях к проектированию, обеспечивая при этом точность обработки от микронного до наномасштаба [4], особенно при производстве рабочих колес, лопастей и корпусов. С точки зрения критически важных и тяжелых предметов он продемонстрировал значительные преимущества.
Таким образом, применение высокопроизводительных технологий обработки в аэрокосмической области не только повышает эффективность производства и качество продукции, но также стимулирует разработку новых материалов и инновационных разработок. Это имеет решающее значение для соответствия строгим стандартам и сложным производственным требованиям аэрокосмической промышленности.
Значение высокопроизводительной технической обработки
02
Технология высокопроизводительной обработки — это инженерная технология, которая объединяет ключевые элементы, такие как технология высокоскоростной обработки (HSM), технология обработки с многоосным рычагом, технология микрообработки и технология обработки труднообрабатываемых материалов, с целью повышения эффективности обработки материалов. , точность и производительность. Схема показана на рисунке 1. В аэрокосмической области эти технологии используются для производства деталей с высоким спросом, отвечающих требованиям сложности и надежности, что способствует постоянному совершенствованию производственных технологий в этой области.
Рисунок 1. Структура технологии высокопроизводительной обработки.
2.1 Технология высокоскоростной обработки
Технология высокоскоростной обработки в аэрокосмической отрасли играет ключевую роль в производстве точных и сложных деталей. Это сокращает производственный цикл и улучшает качество поверхности деталей за счет увеличения скорости съема материала и оптимизации пути обработки. В высокоскоростном фрезеровании применяются цельные и сменные концевые сферические фрезы для обработки сложных конструкций на выпуклых и вогнутых поверхностях, а также пятикоординатные фрезерные станки с ЧПУ. Операции фрезерования показаны на рисунке 2, который отражает разнообразие и сложность технологии [4].
картина
а) Фрезерование выпуклой поверхности б) Фрезерование вогнутой поверхности
картина
в) Фрезерование сложных конструкций
Рисунок 2. Фрезерная обработка в различных условиях работы [4]
Что касается конкретного материала — титанового сплава TC4, Wang Sheng et al. [5] добились значительного повышения эффективности обработки и качества поверхности за счет оптимизации параметров фрезерования инструментов PCD. Исследования LUIS et al. [6] обнаружили, что при сложном фрезеровании поверхности максимальная радиальная глубина, величина подачи и стратегия резания вниз имеют решающее значение для улучшения качества поверхности и производительности. ФОГЕЛЬ и др. [7] разработали усовершенствованный держатель инструмента с внутренней структурой заполнения частиц. Держатель инструмента был испытан на токарную обработку в компании Monfort, как показано на рисунке 3. За счет снижения вибрации во время обработки титанового сплава эффективность обработки и держатель инструмента были улучшены. жизнь.
картина
а) Тестовая установка
картина
б) Конструкция рукоятки инструмента
Рис. 3. Испытательная установка заполненного держателя инструмента и структура держателя инструмента [7]
Кроме того, применение передовых CAM-систем, таких как Mastercam, UnigraphicsNX и CATIA, обеспечивает разнообразные стратегии траектории обработки при обработке [8]. HASCOET и RAUCH [9] использовали контроллер OpenNC и интерполяцию траектории инструмента NURBS для дальнейшего повышения качества и эффективности высокоскоростной обработки, что привело к значительному прогрессу в аэрокосмической промышленности.
2.2 Технология обработки многоосной связи
В аэрокосмической промышленности технология многоосной обработки, особенно применение четырехосных и пятиосных станков с ЧПУ, значительно повысила эффективность производства и качество ключевых деталей и принесла значительные инновации.
Что касается конкретных прикладных исследований, FAN et al. [10] разработали метод пятиосной обработки специально для центробежных рабочих колес. Этот метод делит рабочее колесо на разные области и оптимизирует траекторию инструмента для достижения точного и эффективного фрезерования. МХАМДИ и др. [11] разработали динамическую модель для многоосного фрезерования лопаток авиационных двигателей Ti-6Al-4V, позволяющую добиться большей точности и качества поверхности при изготовлении лопаток и решить сложные задачи по форме и материалам. Чэнь Кайхан [12] разработал метод планирования скорости в полуреальном времени для обработки крыльчаток на станке с ЧПУ с пятиосным рычажным механизмом, который эффективно улучшил качество и эффективность обработки и соответствовал фактическим потребностям проекта. На примере полуоткрытой интегральной крыльчатки участок обработки многоосной связи и образцы показаны на рисунке 4.
картина
а) Процесс отделки рабочего колеса
картина
б) Полуоткрытое встроенное рабочее колесо
Рисунок 4. Участок обработки многоосной связи и образцы деталей.
Кроме того, Венхао и др. [13] разработали новый метод генерации векторов осей инструмента для обработки сетчатой поверхности для повышения эффективности и точности многоосной резки с ЧПУ. Ван Бо и др. В [14] разработан метод моделирования микроэлементной траектории режущей кромки при многоосном сферическом фрезеровании. Они построили динамическую модель, объединяющую геометрические характеристики инструмента для точного прогнозирования сил фрезерования.
Технология обработки с многоосным соединением все более широко используется в аэрокосмической области, и нельзя игнорировать ее повышение эффективности производства и качества производства. Разработка и применение этой технологии открыли новый путь для дальнейших инноваций в аэрокосмической промышленности в будущем.
2.3 Технология микрообработки
В аэрокосмической области жизненно важную роль играют технологии микрообработки, особенно микрофрезерование, микроэлектроэрозионная обработка, лазерная микрообработка и ультразвуковая обработка. Эти технологии играют ключевую роль в производстве микроскопических компонентов сложной формы и высоких требований к точности.
Технология микрофрезерования показывает преимущества при изготовлении микрокомпонентов высокой точности и сложной геометрии. Тянь Лу и др. [15] добились прогресса в оптимизации минимальной толщины резания и силы резания, а LI et al. [16] разработали новый микро-нанокомпозитный керамический инструментальный материал Ti(C, N)/WC для микрофрез. /ZrO2 эффективно повышает прочность на изгиб, ударную вязкость и твердость режущих инструментов. Кроме того, Чжан Синьсинь и др. [17] оптимизировали параметры высокоскоростного микрофрезерования твердых материалов, таких как титановый сплав и нержавеющая сталь, улучшая качество поверхности и эффективность обработки этих труднообрабатываемых материалов.
В области микроэлектроэрозионной обработки Тагава [18] подтвердил влияние микроэлектроэрозионной обработки на повышение эффективности обработки и качества поверхности титанового сплава Ti-6Al-4V. ЛИН и др. [19] оптимизировали микрофрезерную электроэрозионную обработку Inconel 718 с помощью метода Тагучи, добившись баланса между износом электрода, скоростью съема материала и рабочим зазором, тем самым повысив эффективность резания. ХУУ и др. [20] использовали электроды с углеродным покрытием для повышения эффективности обработки титановых сплавов, демонстрируя потенциал бесконтактной обработки твердых материалов. Исследование GARZON et al. В [21] основное внимание уделяется технологии измерения силы в микроэрозионной электроэрозионной обработке, которая обеспечивает более точный контроль процесса обработки. Комбинированная платформа обработки, построенная и оптимизированная для этого устройства на станке Sarix sx200, показана на рисунке 5.
картина
Рисунок 5 Станок комбинированной обработки: микрофрезерование + микроэлектроэрозионная обработка [21]
Развитие технологии лазерной микрообработки позволило значительно повысить производительность локальной обработки различных материалов. Как показали исследования ЧАВОШИ [22], локальная обработка различных материалов высокоэнергетическими лазерными лучами улучшила производительность обработки. Сяо Цян и др. [23] успешно изготовили микро-наноструктуры с использованием фемтосекундной лазерной обработки. САН и др. [24] использовали микроКТ для обнаружения пустот в Ti-6Al-4V, изготовленном методом лазерного аддитивного производства, что предоставило важную информацию для обеспечения качества в аэрокосмической отрасли.
В то же время технология ультразвуковой обработки также добилась важного прогресса. Технология высокоскоростной ультразвуковой резки, разработанная Пэн Чжэньлуном и др. [25] улучшили скорость и эффективность резки труднообрабатываемых материалов, а ZHAO et al. [26] использовали устройство RUVAG собственной разработки, основанное на вибрации заготовки, для проведения одного испытания на измельчение зерна CBN. , с целью выявить механизм удаления материала и характеристики износа зерен CBN с помощью радиальной ультразвуковой вибрации. Метод расклинивающего сверления (UPD) с ультразвуковой поддержкой, предложенный LIU et al. [27] эффективно улучшили эффективность сверления и качество ламинированных материалов углепластик/титан.
Комплексное применение технологий микрообработки не только демонстрирует их уникальные преимущества, но и показывает большой потенциал в производстве микрокомпонентов высокой точности и сложной конструкции. Поскольку технология микрорезки продолжает развиваться, она будет и дальше способствовать прогрессу в аэрокосмической и других отраслях точного производства.
2.4 Типичные авиационные труднообрабатываемые материалы
В аэрокосмической промышленности решающее значение имеют исследования технологий прецизионной обработки обычно труднообрабатываемых материалов, таких как титановые сплавы, алюминиевые сплавы и композиты из углеродного волокна. Эти материалы играют важную роль в производстве критически важных авиационных деталей из-за их превосходной механической прочности и коррозионной стойкости, но они также создают проблемы при обработке.
В области обработки титановых сплавов Tian Rongxin et al. В работе [28] предложен метод оптимизации технологических параметров высокоскоростного фрезерования титанового сплава ТС11. Лю Пэн и др. [29] разработали математическую модель оптимизации силы резания при высокоскоростном фрезеровании титанового сплава ТА15 инструментами из PCD и проверили ее эффективность. ХОРМАНД и др. [30] обнаружили, что инструменты из карбида вольфрама (WC или WC/Co) с покрытием лучше работают с точки зрения износа, гладкости, срока службы и трения, чем инструменты без покрытия. ЭЗУГВУ и др. [31] в ходе исследования обнаружили, что при использовании инструментов PCD для высокоскоростного прецизионного точения TC4 смазочно-охлаждающая жидкость под высоким давлением может значительно улучшить гладкость поверхности и срок службы инструмента, а также уменьшить физические повреждения. Кроме того, Яо Цзюнь и др. [32] эффективно повысили эффективность обработки и снизили стоимость титанового сплава ТБ6 за счет применения технологии вибрационной электролитической резки.
Что касается обработки алюминиевых сплавов, DONG et al. [33] сосредоточились на изучении износа алмазных инструментов при прецизионной обработке, подчеркнув влияние зазора инструмента и скорости подачи. ВАНГ и др. [34] изучили режущую обработку алюминиевого сплава 7050-T7451 и показали, что больший передний угол и более толстая стружка могут значительно снизить потребление энергии, тем самым достигая более эффективного и экологически чистого производства. Кроме того, ЯРОС и др. [35] значительно сократили время обработки алюминиевого сплава АЛ-6061-Т6 (около 37%) и повысили эффективность обработки за счет оптимизации параметров торцевого фрезерования с ЧПУ.
Кроме того, для обработки материалов из углеродного волокна в аэрокосмической отрасли WU et al. [36] разработали поликристаллические алмазные режущие инструменты для пластиков, армированных углеродным волокном (CFRP), которые повысили эффективность и качество резки. Стохастическая модель, разработанная ZHANG et al. [37] могут точно предсказать силу резания при фрезеровании армированных волокном композитных материалов, что имеет большое значение для повышения точности и эффективности обработки композитных материалов. ВУ и др. [38] использовали модели конечных элементов и программное обеспечение Deform 3D для проведения симуляционного анализа с целью решения проблемы бурения и улучшения качества обработки.
Подводя итог, можно сказать, что в аэрокосмической области технология обработки типичных, труднообрабатываемых материалов является ключом к достижению высокопроизводительного производства критически важных авиационных деталей. Развитие этих технологий резки не только повышает эффективность и точность обработки, но и открывает новые возможности для резки, обработки и формования других новых труднообрабатываемых материалов.
Примеры применения высокопроизводительной технологии обработки
03
3.1 Многоосная обработка лопаток рабочего колеса
На примере пятиосной обработки авиационной цельной крыльчатки заранее рассматривается метод фрезерования сложной геометрии поверхности лопаток цельной крыльчатки и используются метод точечного фрезерования и метод бокового фрезерования. Затем рассмотрите выбор режущих инструментов во время чистовой обработки соседних лезвий, чтобы избежать перерезывания и подрезки, выберите фрезу с коническим хвостовиком и объедините ее с функцией анализа расстояний САПР для анализа. Затем траектория положения инструмента рассчитывается в режиме «blisk» программного обеспечения PowerMill. Наконец, чтобы обеспечить безопасность и надежность пятиосной обработки, программное обеспечение для моделирования VERICUT используется для моделирования всей обработки рабочего колеса, чтобы гарантировать, что обработка безопасна и надежна и соответствует требованиям к размеру и точности [39]. Ключевые вопросы и методы резюмируются следующим образом.
1) Обеспечение общей эффективности и точности обработки рабочего колеса является ключом к технологии обработки. В процессе фрезерования используются метод точечного фрезерования и метод бокового фрезерования, а изогнутая поверхность лезвия обрабатывается шаг за шагом вдоль направления линии тока лезвия посредством точечного контакта и линейного контакта. Использование этого метода обработки обеспечивает эффективность обработки и качество поверхности.
2) Чтобы предотвратить перерез или подрез инструмента во время чистовой обработки соседних лезвий, объедините анализ концевой фрезы с коническим хвостовиком и программное обеспечение САПР, чтобы определить минимальное расстояние между лезвиями, зарезервируйте припуск на обработку и угол поворота оси фрезы, что не только повышает эффективность обработки, но и повышает жесткость инструмента.
3) Разумное проектирование траектории инструмента является наиболее важным шагом в многоосной обработке. Используйте модуль «blisk» программного обеспечения PowerMill для построения вспомогательных поверхностей с помощью параметризованных настроек и разработки стратегии, а также проводите проверки столкновений и перерезов, чтобы сформулировать эффективные и разумные траектории положения инструмента и добиться хороших результатов при последующей фактической обработке.
4) Чтобы обеспечить безопасность и надежность пятиосной обработки, программное обеспечение для моделирования VERICUT используется для моделирования реальной среды обработки и технологического инструмента, а в сочетании с траекторией инструмента в программе ЧПУ возможность обработки всего рабочего колеса определяется проверено.
3.2 Обработка высокотвердых тонкостенных кольцевых деталей корпуса двигателя
Ввиду проблем с деформацией, вибрацией и качеством поверхности, которые могут возникнуть во время обработки тонкостенного монтажного кольца специальной конструкции корпуса авиационного двигателя, был принят ряд мер для предотвращения деформации. Во-первых, добавляется процесс чернового фрезерования, чтобы заранее снять напряжение обработки. Во-вторых, для эффективного предотвращения деформации детали используются инструменты для расширения упругой диафрагменной структуры и метод циклоидальной токарной обработки. Наконец, токарная обработка вместо шлифования используется для обеспечения качества поверхности и размера покрытия, тем самым решая ключевые вопросы механической обработки [40]. Ключевые вопросы и методы резюмируются следующим образом.
1) Это ключ к снижению напряжения и деформации во время последующей обработки и повышению эффективности и качества всего производственного процесса. Избыток материала на торцевой поверхности удаляется в процессе чернового фрезерования, чтобы снять напряжение обработки и уменьшить деформацию, оставляя при этом необходимый запас для чистовой обработки. Этот процесс не только повышает эффективность обработки, но и снижает внутренние напряжения за счет отжига для снятия напряжений, обеспечивая точность и качество деталей.
2) Чтобы решить проблему серьезной деформации деталей во время обработки. Путем разработки специального инструмента и применения эффективной технологии токарной обработки (см. Рисунок 6) можно эффективно контролировать деформацию во время обработки, обеспечивая точность обработки и качество детали. Этот метод подходит для обработки аналогичных тонкостенных деталей специальной формы с высокой твердостью, что позволяет повысить эффективность обработки и снизить износ инструмента, обеспечивая при этом качество поверхности и размер покрытия.
картина
а) Хомут эластичной зажимной конструкции
картина
б) Трохоидальная схема поворота
Рис. 6. Точение приспособления и циклоиды [40]
3) Чтобы решить проблему, связанную с тем, что процесс шлифования вызывает сильную вибрацию, которая вызывает вибрационные следы на поверхности покрытия и затрудняет соблюдение требований к шероховатости поверхности, вместо этого применяется процесс токарной обработки с использованием специальных токарных инструментов и разумной обработки. .
параметры для обработки. По сравнению с круговым шлифованием площадь контакта токарного покрытия меньше, что эффективно снижает вибрацию, улучшает качество поверхности и размерную точность покрытия и соответствует производственным требованиям.
Заключение
04
В этой статье представлен всесторонний обзор технологий высокопроизводительной обработки в аэрокосмической области, подчеркнута важная роль этих технологий в аэрокосмическом производстве. Подчеркнул важность технологий высокопроизводительной обработки для повышения эффективности производства и качества критически важных деталей и обеспечения производительности в экстремальных условиях, а затем представил конкретные примеры применения, чтобы продемонстрировать роль этих технологий в повышении точности обработки и снижении деформации и вибрации. существенные преимущества. Однако в быстро развивающейся аэрокосмической отрасли технология высокопроизводительной обработки по-прежнему сталкивается с множеством проблем. Будущая аэрокосмическая промышленность будет сосредоточена на интеграции инновационных технологий, таких как цифровые двойники и интеллектуальное производство, уделяя при этом особое внимание экологической устойчивости и содействию разработке более экологически чистых материалов и процессов. Более эффективные, интеллектуальные и экологически чистые технологии будут способствовать наступлению новой эры. .
