Titan Turbinenschaufeln | Profilprozessanalyse | PTJ-Blog

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Analyse der Profilbearbeitung großer Titan-Turbinenschaufeln

2020-04-18

Analyse des Profilprozesses für die Bearbeitung großer Titan-Turboschaufeln


Die Fanschaufeln des Turbofan-Triebwerks mit großem Bypassverhältnis haben in Bezug auf Länge und Größe grundsätzlich mehr als 500 mm erreicht. Dieses großflächige Konstruktionsmerkmal macht die Fliehkraft und Vibrationsbelastung während ihrer Arbeit sehr groß, so dass es auch ein großes Turbofan-Triebwerk zu sehr wichtigen Teilen geworden ist.


Titan Turbo Blades -PTJ CNC MACHINING Shop
Analyse der Bearbeitung großer Titan-Turbinenschaufel-Profilprozesse -PTJ CNC-BEARBEITUNG Shop

Gegenwärtig verwenden viele Turbofan-Triebwerke noch die reiferen dämpfenden Fan-Schaufeln aus Titanlegierung. Die schmale und lange Struktur dieses Schaufelprofils lässt seine schwache Steifigkeit in Form einer dünnwandigen Struktur in Richtung Beckenrücken noch stärker hervortreten. Die geringe Steifigkeit der Struktur und die große Oberfläche des Profils sowie die schwierig zu verarbeitende Materialbeschaffenheit wirken sich negativ auf die traditionelle Bearbeitungsprozess, was sich intuitiv in der Konturgrößengenauigkeit und Positionsgenauigkeit des Profils widerspiegelt. Es ist schwer zu garantieren, die Effizienz des manuellen Polierens ist gering, der Arbeitsaufwand groß und der Blatttyp anfällig für Verbrennungen und Ablation. 

Die Existenz der obigen Probleme stellt einen Flaschenhals für die Klingenproduktion dar. Mit der Entwicklung und Anwendung von Mehrachsgestänge CNC-Bearbeitung Technologie und der Erforschung der Bearbeitungstechnologie dieses Schaufelprofils wurden die Schwierigkeiten dieser Schaufelprofilbearbeitung nach und nach durchbrochen und die Bearbeitungsqualität und der Wirkungsgrad haben einen relativ idealen Zustand erreicht.




Der technologische Hauptweg der CNC-Bearbeitung von großen Lüfterflügelprofilen aus Titanlegierung

Für die Bearbeitung des großen Fan-Schaufelprofils aus Titanlegierung haben unter Berücksichtigung aller Aspekte, die mit dem traditionellen Verfahren verbunden sind, seine nachteiligen Auswirkungen die folgenden Aspekte.

1. Einfluss von Materialien

  1. ▶ Die Titanlegierung hat einen kleinen Elastizitätsmodul, der leicht die Klemmverformung der Klingenbearbeitung verursacht; der Verschleiß der Freifläche während der Bearbeitung neigt dazu, die Schnittkraft zu erhöhen.
  2. ▶ Schlechte Wärmeleitfähigkeit, handpolierter Trockenschliff führt leicht zu Spannungsverformungen, Verbrennungen und Abtrag.

2. Einfluss der Klingenstruktur

  1. ▶ Die Gesamtbearbeitungsfläche des Profils ist groß und die durch Verschleiß während des gesamten Werkzeugprozesses verursachte Präzision wird stark beeinträchtigt.
  2. ▶ Aufgrund der umständlichen Handhabung ist das manuelle Polieren arbeitsintensiv und die Bearbeitungsgenauigkeit ist schwer zu garantieren.

3. Einfluss des Wollzustandes

Aufgrund des Einflusses von Materialien und Spezifikationen ist es schwierig, eine ideale Randverteilung zu erzielen, was zu Schnittkraftschwankungen durch ungleichmäßiges Abtragen des Profilrandes und Spannungsverformung führt.

4. Einfluss von Werkzeugmaschinenfunktionen

  1. ▶ Die gebogene Struktur des Klingenprofils, die Schnittrichtung des Werkzeugs, der tatsächliche Schnittwinkel und die Schnittparameter sind unterschiedlich, wodurch sich die Schnittkraft ändert.
  2. ▶ Schlechte Kühlbedingungen, unzureichende Kühlung und keine Kühlung führen zu thermischen Spannungsverformungen.

Mit Blick auf die schwierigen Faktoren der Bearbeitung der Schaufeloberfläche von großen Lüftern aus Titanlegierung, basierend auf den umfassenden Bearbeitungsvorteilen der CNC-Bearbeitungstechnologie mit Mehrachsengestänge, wurde die Hauptbearbeitungsroute bestimmt: 

die Bearbeitung des Klingenzapfens und des Hilfspositionierungsbezugs → das Klingenprofil CNC-Schruppfräsen Bearbeitung → Spannungsarmglühen → Positionierungs-Benchmark-Reparatur → Numerische Steuerung CNC-Fräsen von Klingen → Profilschlichten. 

Die Gesamtprozessidee, die durch die obige Prozessroute erstellt wird, ist: Der Oberflächen-CNC-Schruppfräsprozess entfernt den größten Teil des Rands, und der Schlichtfräsprozess weist eine ideale Randverteilung auf; das Klingenprofil CNC-Präzisionsfräsprozess stellt die Geometrie des Profils sicher Und die Positionsgenauigkeit entspricht im Wesentlichen den endgültigen Genauigkeitsanforderungen der Klinge; die Veredelung des Schaufelprofils stellt sicher, dass die Qualität der Oberflächenschicht des Profils den Anforderungen entspricht.

Die wichtigsten Punkte beim CNC-Fräsen von großen Lüfterflügelprofilen aus Titanlegierung

Titan Turbo Blades Profil - PTJ Image

Entsprechend den technologischen Gesamtanforderungen an das Schaufelprofil muss durch das Fräsen des Schaufelprofils sichergestellt werden, dass die geometrische Lagegenauigkeit des Profils grundsätzlich den konstruktiven Anforderungen entspricht und eine gewisse Oberflächenrauheitsgüte aufweist. Gleichzeitig steht die Effizienzsteigerung in der Zerspanung auch beim Profilfräsen Work one im Fokus. 

Entsprechend dem Verständnis der Bearbeitungseigenschaften des großen Fanschaufelprofils aus Titanlegierung ist es notwendig, den Einfluss vieler Faktoren wie Ausrüstung, Werkzeuge, Bearbeitungspositionierung usw. umfassend zu berücksichtigen. Zum Fräsen von großen Lüfterschaufeln aus Titanlegierung ist es notwendig, ein XNUMX-Achs-Bearbeitungszentrum auszuwählen. Bei der Auswahl eines ausgereiften XNUMX-Achsen-Gestänge-Bearbeitungszentrums sind sowohl hocheffiziente Bearbeitungserwägungen als auch Möglichkeiten zur Gewährleistung der Bearbeitungsgenauigkeit zu berücksichtigen. 

Für die Profilbearbeitung mit großen Krümmungsänderungen lässt sich die Schwenkwinkelfunktion der Werkzeugmaschinenspindel gut an die Anforderungen einer konstanten Schnittkraft entsprechend der Profilkrümmung anpassen. Das Hochdruckkühlsystem der Werkzeugmaschine reduziert die Schnitttemperatur stark und vermeidet schnellen Werkzeugverschleiß. , Damit die Profilbearbeitung eine gute Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenbearbeitungsqualität erzielen kann. Um Torsionsverformungen beim Einspannen und Schneiden langer Klingen zu vermeiden und zu reduzieren, muss sichergestellt werden, dass die rotierenden Welles der Klingen am vorderen und hinteren Ende der Ausrüstung haben eine synchrone Rotationsfunktion, und der Zweck besteht darin, die einseitige Klemmung und ein Ende der traditionellen Klingenbearbeitungstechnologie zu ändern. 

Festpositionierendes Spannverfahren zur Vermeidung von Biegeverformungen während der Klingenklemmung und Torsionsverformungen des Klingenprofils in Längsrichtung, die durch ein Drehen an einem Ende und ein Ende nachfolgend während der Klingendrehbearbeitung verursacht werden. Um die Anforderungen der Klingenpositionierung und -klemmung zu erfüllen, hat der Hilfspositionierungsteil am hinteren Ende der Klinge strenge Anforderungen an die Positionsgenauigkeit in Bezug auf die Zapfenpositionierungsreferenz am vorderen Ende. 

Nach Abschluss des Schruppens des Profils werden die Vorder- und Rückseite der Klinge aufgrund der Spannungsverformung Der Positionsgenauigkeitsfehler zwischen den Endpositionierungsreferenzen muss behoben werden. Nach der Installation der Vorrichtungen für die Klingenprofilbearbeitung an den Drehwellen am vorderen und hinteren Ende der Werkzeugmaschine und nachdem festgestellt wurde, dass kein Rundlauffehler an den Drehwellen am vorderen und hinteren Ende der Werkzeugmaschine vorliegt, ist die Installationsgenauigkeit von vorne und hinten Armaturen wird mit einem speziellen Dorn erfasst und justiert. Stellen Sie sicher, dass die Armaturen an beiden Enden haben ein genaues Positionsgenauigkeitsverhältnis, um die zusätzliche Torsionsbelastung durch die synchrone Drehfunktion der vorderen und hinteren Drehachsen der Werkzeugmaschine aufgrund der schlechten Spanngenauigkeit der Werkzeugmaschine zu vermeiden Armaturen. Das Schruppfräsen des Schaufelprofils soll einen großen Rand entfernen und einen gleichmäßigen Bearbeitungsspielraum zum Schlichten lassen. Unter dieser Prämisse sollte die Bearbeitung dieses Prozesses eine hohe Bearbeitungseffizienz gewährleisten. Das XNUMX-Achs-Anlenkschaufel-Bearbeitungszentrum verfügt über eine Breitreihen-Bearbeitungsfunktion. 

Das Prinzip besteht darin, dass beim Fräsen der Klinge die Werkzeugmittellinie nicht senkrecht zur Tangente des zu fräsenden Punkts oder der zu fräsenden Fläche verläuft, sondern in Richtung des Werkzeugs und des zu fräsenden Punkts oder der zu fräsenden Fläche. Die Normalenrichtung weist einen bestimmten Winkel auf. Bei dieser Art des Fräsens wird ein zylindrischer Schaftfräser verwendet, und der Fräsweg ist ein breiter elliptischer Bogen. Im Vergleich zum Fräsen eines Kugelkopfes wird die gleiche Profilspitzenhöhe bzw. -fläche gefräst. Qualitativ ist der Abstand zwischen den erzeugten Werkzeugbahnen viel größer. Daher weist diese Art der Bearbeitung eine hohe Bearbeitungseffizienz auf. Bei der eigentlichen Bearbeitung wird das Drehbearbeitungsverfahren verwendet, das sich in der Länge der Schaufel von einem Ende zum anderen Ende bewegt, d. h. das Spiralfräsverfahren. Aus Effizienzgesichtspunkten weist das Spiralfräsverfahren gegenüber dem Längsfräsverfahren zudem eine höhere Bearbeitungseffizienz auf. Das Feinfräsen des Schaufelprofils soll eine höhere Geometrie- und Positionsgenauigkeit erreichen und gleichzeitig die Profilrauheit bestimmten Anforderungen genügen. Um den Einfluss des "Rückpralls" durch die Bearbeitung von Titanlegierungsmaterialien und den Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Bearbeitungsgenauigkeit bei der Bearbeitung von großflächigen Profilen zu reduzieren, muss das Werkzeug scharf sein und eine längere Bearbeitung eines Werkzeugs vermeiden. Verwenden Sie daher nach Möglichkeit einen Schaftfräser zum Längsfräsen des Profils. Beim Längsfräsen können mit mehreren Werkzeugen die Schaufelrückseite, die Blattoberfläche, die Einlaufkante und die Auslaufkante gefräst werden, um den Verschleiß durch eine großflächige Bearbeitung eines Werkzeugs zu vermeiden und eine Präzision in der Oberfläche der Klinge. 

Die Inkonsistenz begünstigt die Endbearbeitung des Profils. Beim Fräsen einer großen Fan-Rotorschaufel aus Titanlegierung sind zur Verbesserung der Schnittbedingungen alle Maßnahmen zur Vermeidung von Werkzeugverschleiß erforderlich. In Bezug auf die Auswahl der Werkzeugmaterialien und Spezifikationen wird der gesamte hartlegierungsbeschichtete zylindrische Kugelfräser verwendet, um die Innenseite der Schneidplatte, die Innenseite der Schneidplatte und den Profilübergangsbogen, das Übergangsprofil zu bearbeiten zum Kantenblech 1. Wählen Sie für die Ein- und Austrittskante einen Schaftfräser mit zylindrischer Wendeschneidplatte und hartmetallbeschichteter Klinge, um die großflächige Profiloberfläche von Klingenblatttopf und Klingenrücken zu bearbeiten. 

Die Auswahl der Beschichtungsmaterialien für die Bearbeitung von Werkzeugen aus Titanlegierungen ist sehr wichtig. Vermeiden Sie die Verwendung von Beschichtungsmaterialien, die eine Affinität zu Titanlegierungen aufweisen. Derzeit werden PVD-beschichtete Werkzeuge häufig für die Bearbeitung von Titanlegierungen verwendet. Die PVD-Beschichtung ist dünn und glatt. Wenn sie auf dem Hartmetallsubstrat des Werkzeugs befestigt werden, erzeugen sie auch eine Eigenspannung. Diese Belastung trägt zur Verbesserung der Beschädigungsbeständigkeit des Werkzeugs bei. PVD Es kann eng am Werkzeug angebracht werden, was hilfreich ist, um die scharfe Schneidenform zu erhalten. Das PVD-Werkzeug hat eine gute Abriebfestigkeit, stabile chemische Eigenschaften und eine nicht einfach herzustellende Aufbauschneide. Während der Bearbeitung sollte ausreichend Kühlmittel verwendet werden, um das Werkzeug zu kühlen und die Reibungswirkung zu verbessern, angemessene Schnittparameter zu wählen und die Wirkung der Schnittkraft zu verbessern.




Merkmale der CNC-Bearbeitung von großen Titan-Lüfterflügelprofilen

Die Bearbeitung von Schaufelprofilen soll sicherstellen, dass die Profilrauheit und Welligkeit den konstruktiven Anforderungen entsprechen, sich das Materialgefügeverhalten nicht ändert und die durch das Fräsen erzielten geometrischen Abmessungen und Positionsgenauigkeiten während der Bearbeitung im Wesentlichen unverändert bleiben. 

Bei der eigentlichen Bearbeitung basiert das Schlichten des Schaufelprofils darauf, die verbleibenden Werkzeugspuren beim Fräsprozess zu entfernen, um die erforderliche Rauheit und Welligkeit zu erreichen. Der Metallabtrag auf jeder Seite der Formoberfläche sollte nicht mehr als 0.05 mm betragen. Gegenwärtig ist die Verwendung von CNC-Schleifband-Schleif- und Poliermaschinenwerkzeugen für die Oberflächenveredelung von Schaufeln ein ausgereifteres Verfahren für praktische Bearbeitungsanwendungen, und die Verwendung von CNC-Diamant-Schleifscheiben-Schleifmaschinen für die Schaufeloberflächenveredelung ist eine Versuchsanwendung. Weg. 

Der Grund, warum diese Bearbeitungsmethoden für die Anwendung ausgewählt werden, liegt darin, dass sie ihre eigenen Eigenschaften haben. Für das Bearbeitungsverfahren von CNC-Schleifband-Schleif- und Poliermaschinen weist es zunächst folgende Eigenschaften auf:

  1. ▶ Das Schleifkorn des Schleifbandes ist scharf und die Schleifeffizienz ist hoch, die das 10-fache des Fräsens und das 5-fache des normalen Schleifscheibenschleifens erreicht hat.
  2. ▶ Die Reibung zwischen Schleifbandschleifen und Werkstück ist gering, das Schleifen erzeugt wenig Wärme, der Schleifbandumfang ist groß und das Schleifkorn hat ein langes Zeitintervall zur Wärmeableitung. Es ist einfach, eine vollständige Kühlung von Luft und Schneidflüssigkeit zu erreichen, wodurch die Verformung des Werkstücks effektiv reduziert werden kann Verbrennungen und Ablation;
  3. ▶ Die Weichheit des Schleifbandes und die Gummikörperstruktur auf der Oberfläche der Arbeitsscheibe sorgen für einen guten Kontakt des Schleifbandes mit dem Werkstück und eine gute Einlauf- und Polierwirkung;
  4. ▶ Schleifbandschleifen Es gibt eine stabile Schleifwerkzeuggröße, da das Schleifband zum Schleifen an der Arbeitsscheibe befestigt wird, hat die Schleifwerkzeuggröße eine bessere Stabilität;
  5. ▶ Schleifbandschleifen kann nicht lange mit großem Abtrag bearbeitet werden und das Schleifband enthält Die Gesamtmenge an Schleifmitteln ist begrenzt, und eine Langzeitbearbeitung mit großem Überschuss verbraucht die Schleifmittel schnell und es ist notwendig um die Bearbeitung zu unterbrechen und das Schleifband zu wechseln.

Die oben erwähnten Eigenschaften des Schleifbandschleifens machen es möglich, dass das Oberflächenpolieren von großen Titanlegierungsfächern eine mechanisierte Produktion unter programmgesteuerten Bedingungen ermöglicht. Derzeit stehen zwei Verfahren für das CNC-Bandschleifverfahren zum Klingenpolieren zur Auswahl: Zum einen die Verwendung einer sechsachsigen CNC-Bandschleif- und Poliermaschine und zum anderen ein Roboter-CNC-Bandpoliersystem. Bearbeitung. Die Bewegungsfunktion der sechsachsigen CNC-Bandschleif- und Poliermaschine ähnelt beim Fräsen dem fünfachsigen CNC-Bearbeitungszentrum. 

Der konstruktive Unterschied zwischen der Bandschleifarbeitsscheibe und der Schaftfräserbearbeitung macht eine Anpassung der Profilbearbeitung an den Schaufelaufbau erforderlich. Mit Schwenkwinkelfunktion in 2 Richtungen. Die sechsachsige CNC-Schleifband-Schleif- und Poliermaschine hat die Doppelfunktionen des Profilschleifens und Polierens. Die Funktionsumwandlung hängt von der Umformung des Kraftkopfes in Form von starrem Schleifen und schwimmendem Schleifen ab. 

Während des Poliervorgangs wird der Konstantdruck-Schwimmmechanismus aktiviert, so dass die Änderung des Schleifvorlaufdrucks durch den Drucksensor, den Schleifkraftsensor, den Konstantdruckzylinder und andere Mechanismen genau gesteuert werden kann, um sich an die Differenz der Größe jedes Schaufelprofils innerhalb eines bestimmten Bereichs. Polierbearbeitung ohne die Genauigkeit des Profils zu zerstören. Beim Profilschleifen ist der Schwebemechanismus der Kontaktscheibe gesperrt, um ein starres Schleifen des Profils zu ermöglichen. 

Der starre Schleifprozess des Profils kann die Situation ergänzen oder ersetzen, wenn die Präzision des Profils schlecht ist und die Körnung des verwendeten Schleifbandes entsprechend der Marge geändert werden sollte. Diese Bearbeitung wird die ursprüngliche Maßhaltigkeit der Position ändern, und relativ zum Fräsprozess führt das Entfernen übermäßiger Ränder zu einer größeren Spannungsverformung. Es wird daher nicht empfohlen, die Schleiffunktion unter der Prämisse zu verwenden, dass der Fräsprozess die Genauigkeit garantieren kann. Das Roboter-CNC-Schleifband-Polierverfahren besteht darin, dass der Roboter die Klinge hält und eine zusammengesetzte Bewegung unter Programmsteuerung ausführt, um eine Polierbearbeitung auf einer Maschine mit festem Schleifband durchzuführen. Die Bearbeitung verwendet die Reverse Engineering-Technologie. Vor der Bearbeitung hält der Roboter den Klingenzapfenteil, um das Profil des Klingenprofils abzutasten, und dann erzeugt der Datenbearbeitungsmechanismus ein Bearbeitungssteuerprogramm und realisiert schließlich das Polieren der Klinge unter der Programmsteuerung. Aufgrund der Einschränkung der Bewegungsgenauigkeit wird das Roboter-Schleifband-Schleifverfahren derzeit im Allgemeinen nur als Verfahren zum Profilpolieren verwendet. Das Schleifverfahren von CNC-Diamant-Schleifscheiben gehört zum typischen harten und starren Schleifen. Der verwendete Bewegungsmechanismus der Werkzeugmaschine ist im Wesentlichen der gleiche wie beim Fräsbearbeitungszentrum mit XNUMX-Achsen-Gestänge. Als Schneidwerkzeug wird der Vertikalfräser auf die diamantpulverbeschichtete Oberfläche gewechselt. Zylindrische Schleifscheibe. Beim Schleifen kommt die Wide-Line-Bearbeitungstechnologie zum Einsatz. Diese Art der Bearbeitung ist hartes und starres Schleifen. Da die Diamantscheibe selbst eine schlechte Luftdurchlässigkeit hat, kann sie den Effekt der Wärmeableitung durch Speicherung und Austausch des Kühlmediums nicht erreichen, daher ist sie nicht geeignet, die Oberfläche des Teils mit großem Abtrag zu schleifen, und sogar Es ist a Prozess, der einen kleinen Rand entfernt, und es ist auch leicht, das Schleifen der Klingenoberfläche des Titanlegierungsmaterials zu verbrennen. 

Daher ist es bei der Bearbeitung der Klingenoberfläche der Klinge aus Titanlegierung mit diesem Verfahren erforderlich, die am besten geeigneten Schnittparameter und die Kühlung der Werkzeugmaschine herauszufinden. Der Weg muss sehr effektiv sein. Darüber hinaus haben die harten und steifen Schleifeigenschaften der Diamantscheibe auf der Profiloberfläche auch eine gewisse „Kante“ des Fräsers. Sie kann zwar durch Anpassung des Programms an die Spezifikation der Schleifscheibe verbessert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Der Einfluss der Schaufelermüdungsleistung ist ungünstig, daher müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um Oberflächen-„Grate“ zu beseitigen. Es kann auch erforderlich sein, CNC-Schleifband-Schleif- und Poliermaschinen zur ergänzenden Bearbeitung unter entsprechender Programmsteuerung einzusetzen. Darüber hinaus sollte auch die Nutzung der freien abrasiven Eigenschaften des Nasssandblasverfahrens für die ergänzende Bearbeitung ein praktikables Verfahren sein. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften des CNC-Diamant-Schleifscheiben-Schleifverfahrens befindet sich deren spanende Anwendung noch in der Erforschung. Das CNC-Schleifband-Schleif- und Werkzeugmaschinen-Polierverfahren wird derzeit aufgrund seiner vielen Vorteile zum am besten geeigneten Verfahren zum Polieren von großen Schaufelprofilen. Sein umfassender Vorteil besteht darin, dass er für Trockenschliff und Nassschliff verwendet werden kann. Es kann auch bei ultraniedriger Temperatur unter CO2-Kühlung schleifen, was sehr vorteilhaft ist, um Verbrennungen und Ablation des großen Klingenprofils aus Titanlegierungsmaterial zu vermeiden. 

Der Einsatz von CNC-Schleif- und Polierwerkzeugmaschinen hat das großflächige manuelle Polieren großer Klingenprofile verändert, was eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Produktionseffizienz großer Klingen gespielt hat. Die Entwicklung und Anwendung der Mehrachsen-Gestängebearbeitungstechnologie hat die Genauigkeit und Qualitätssicherungsfähigkeit des Schlüsselbearbeitungsglieds der Profilbearbeitung von Großtriebwerksbläserschaufeln stark verbessert und auch zufriedenstellende Ergebnisse bei der Bearbeitungseffizienz erzielt. Ich glaube, dass sich mit dem Prozess Kontinuierliche Forschung und Verbesserung der Gerätetechnik die großformatige Technologie zur Bearbeitung von Lüfterflügelprofilen in Richtung Mechanisierung und Automatisierung entwickeln wird.

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