A tecnologia de processamento de alto desempenho é uma tecnologia chave para o processamento de peças aeroespaciais críticas, conduzindo a indústria de fabricação de aviação a uma maior eficiência de produção e qualidade de processamento. Esta tecnologia fornece suporte técnico para o desenvolvimento de alta qualidade de peças aeroespaciais críticas, melhorando a eficiência da produção e a precisão do processamento. As vantagens e campos de aplicação da tecnologia de usinagem de alto desempenho são apresentados, e o progresso da pesquisa de estudiosos em tecnologia de usinagem de alto desempenho no campo aeroespacial é resumido, incluindo tecnologia de usinagem de alta velocidade (HSM), tecnologia de usinagem de articulação multieixo, tecnologia de microusinagem e processamento típico de materiais aeroespaciais. Ao mesmo tempo, também são prospectados os desafios e tendências de desenvolvimento que a tecnologia poderá enfrentar no futuro.
Prefácio
01
A indústria de fabricação aeroespacial está na vanguarda da tecnologia de processamento de alto desempenho e possui requisitos rígidos quanto ao desempenho e precisão das peças mecânicas, especialmente aquelas usadas sob condições adversas, como alta temperatura e alta pressão [1]. A fabricação dessas peças depende de tecnologias de usinagem precisas e confiáveis de alto desempenho, como usinagem de alta velocidade, usinagem multieixos, microusinagem e processamento de materiais aeroespaciais típicos. Essas tecnologias não apenas melhoram a eficiência da produção e reduzem custos, mas também garantem a qualidade e o desempenho das peças [2].
No campo aeroespacial, peças-chave como impulsores, pás, carcaças e peças de paredes finas são geralmente feitas de ligas de alto desempenho, com projetos complexos e requisitos de precisão extremamente elevados [3]. Além disso, essas peças são propensas à deformação durante o processamento, especialmente peças de paredes finas, portanto, a tecnologia de processamento de alto desempenho é muito importante na fabricação dessas peças críticas. Essas tecnologias podem não apenas lidar com materiais difíceis de usinar, mas também garantir a qualidade e o desempenho do produto sob ambientes de trabalho extremos e requisitos de projeto complexos, ao mesmo tempo em que alcançam precisão de usinagem em microescala a nanoescala [4], especialmente na produção de impulsores, pás e carcaças. Em termos de itens críticos e pesados, demonstrou vantagens significativas.
Em resumo, a aplicação de tecnologia de processamento de alto desempenho no campo aeroespacial não só melhora a eficiência de fabricação e a qualidade do produto, mas também impulsiona o desenvolvimento de novos materiais e designs inovadores. Isto é fundamental para atender aos padrões rigorosos e aos requisitos complexos de fabricação da indústria aeroespacial.
Conotação de processamento técnico de alto desempenho
02
A tecnologia de usinagem de alto desempenho é uma tecnologia de engenharia que integra elementos-chave, como tecnologia de usinagem de alta velocidade (HSM), tecnologia de usinagem de articulação multieixo, tecnologia de microusinagem e tecnologia de materiais difíceis de usinar, com o objetivo de melhorar a eficiência do processamento de materiais. , precisão e desempenho. A estrutura é mostrada na Figura 1. No campo aeroespacial, essas tecnologias são usadas para fabricar peças de alta demanda para lidar com requisitos de complexidade e confiabilidade, impulsionando o avanço contínuo da tecnologia de fabricação neste campo.
Figura 1 Estrutura tecnológica de usinagem de alto desempenho
2.1 Tecnologia de processamento de alta velocidade
A tecnologia de usinagem de alta velocidade no setor aeroespacial desempenha um papel fundamental na produção de peças complexas e de precisão. Encurta o ciclo de produção e melhora a qualidade superficial das peças, aumentando a taxa de remoção de material e otimizando o caminho de usinagem. No fresamento de alta velocidade, fresas de topo esféricas sólidas e intercambiáveis são usadas para processar estruturas complexas em superfícies convexas e côncavas e fresadoras CNC de cinco eixos. As operações de fresagem são mostradas na Figura 2, que reflete a diversidade e complexidade da tecnologia [4].
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a) Fresamento de superfície convexa b) Fresamento de superfície côncava
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c) Fresagem de estruturas complexas
Figura 2 Processamento de fresagem sob diferentes condições de trabalho [4]
Para o material específico liga de titânio TC4, Wang Sheng et al. [5] alcançaram melhorias significativas na eficiência do processamento e na qualidade da superfície, otimizando os parâmetros de fresamento das ferramentas de PCD. Pesquisa de LUIS et al. [6] descobriram que no fresamento superficial complexo, a profundidade radial máxima, a quantidade de avanço e a estratégia de corte descendente são cruciais para melhorar a qualidade superficial e a produtividade. VOGEL et al. [7] desenvolveram um porta-ferramentas avançado com estrutura interna de preenchimento de partículas. O porta-ferramenta foi testado para torneamento na Monfort Company, conforme mostrado na Figura 3. Ao reduzir a vibração durante a usinagem da liga de titânio, a eficiência da usinagem e o porta-ferramenta foram melhorados. vida.
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a) Configuração de teste
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b) Estrutura do cabo da ferramenta
Figura 3 Configuração do teste do porta-ferramenta preenchido e estrutura do porta-ferramenta [7]
Além disso, a aplicação de sistemas CAM avançados, como Mastercam, UnigraphicsNX e CATIA, fornece diversas estratégias de percurso de ferramenta para usinagem [8]. HASCOET e RAUCH [9] usaram o controlador OpenNC e a interpolação do caminho da ferramenta NURBS para melhorar ainda mais a qualidade e a eficiência da usinagem de alta velocidade, trazendo um progresso significativo para a indústria de fabricação aeroespacial.
2.2 Tecnologia de processamento de ligação multieixo
Na indústria aeroespacial, a tecnologia de usinagem de articulação multieixo, especialmente a aplicação de máquinas-ferramentas CNC de quatro e cinco eixos, melhorou significativamente a eficiência da produção e a qualidade de peças-chave e trouxe inovações significativas.
Em termos de pesquisa de aplicação específica, FAN et al. [10] desenvolveram um método de usinagem de cinco eixos especificamente para impulsores centrífugos. Este método divide o impulsor em diferentes áreas e otimiza o caminho da ferramenta para obter um fresamento preciso e eficiente. MHAMDI et al. [11] desenvolveram um modelo dinâmico para fresamento multieixos de pás de motores aeronáuticos Ti-6Al-4V, alcançando melhor precisão e qualidade de superfície na fabricação de pás e resolvendo desafios complexos de formas e materiais. Chen Kaihang [12] desenvolveu um método de planejamento de velocidade em tempo semi-real para usinagem CNC de impulsores com articulação de cinco eixos, o que melhorou efetivamente a qualidade e a eficiência do processamento e atendeu às necessidades reais do projeto. Tomando o impulsor integral semiaberto como exemplo, o local de processamento da ligação multieixo e as amostras são mostrados na Figura 4.
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a) Processo de acabamento do impulsor
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b) Rotor integral semiaberto
Figura 4: Local de processamento de articulação multieixo e peças de amostra
Além disso, Wenhao et al. [13] desenvolveram um novo método para gerar vetores de eixo de ferramenta para usinagem de superfície de grade para melhorar a eficiência e precisão do corte CNC multieixos. Wang Bo et al. [14] desenvolveram um método para modelar a trajetória de microelementos da aresta de corte em fresamento de topo esférico multieixos. Eles construíram um modelo dinâmico integrando características geométricas da ferramenta para prever com precisão as forças de fresamento.
A tecnologia de usinagem de articulação multieixo é cada vez mais utilizada no campo aeroespacial e sua melhoria na eficiência da produção e na qualidade da fabricação não pode ser ignorada. O desenvolvimento e a aplicação desta tecnologia abriram um novo caminho para mais inovações na indústria de fabricação aeroespacial no futuro.
2.3 Tecnologia de microusinagem
No campo aeroespacial, as tecnologias de microusinagem, especialmente microfresagem, usinagem por descarga microelétrica, microusinagem a laser e usinagem ultrassônica, desempenham um papel vital. Essas tecnologias desempenham um papel fundamental na fabricação de componentes microscópicos com formatos complexos e requisitos de alta precisão.
A tecnologia de microfresamento apresenta vantagens na fabricação de microcomponentes com alta precisão e geometrias complexas. Tian Lu et al. [15] progrediram na otimização da espessura mínima de corte e da força de corte, enquanto LI et al. [16] desenvolveram um novo material de ferramenta cerâmico compósito micro-nano Ti(C, N)/WC para microfresas. /ZrO2, melhora efetivamente a resistência à flexão, tenacidade e dureza das ferramentas de corte. Além disso, Zhang Xinxin et al. [17] otimizaram os parâmetros de corte de microfresamento de alta velocidade de materiais resistentes, como liga de titânio e aço inoxidável, melhorando a qualidade da superfície e a eficiência de processamento desses materiais difíceis de usinar.
No campo da usinagem por descarga microelétrica, Tagawa [18] confirmou o efeito da usinagem por descarga microelétrica na melhoria da eficiência do processamento e da qualidade da superfície da liga de titânio Ti-6Al-4V. LIN et al. [19] otimizaram a EDM de microfresamento do Inconel 718 através do método Taguchi, alcançando um equilíbrio entre desgaste do eletrodo, taxa de remoção de material e folga de trabalho, melhorando assim a eficiência de corte. HUU et al. [20] utilizaram eletrodos revestidos de carbono para melhorar a eficiência de processamento de ligas de titânio, demonstrando o potencial da usinagem sem contato em materiais duros. A pesquisa de GARZON et al. [21] concentra-se na tecnologia de medição de força em micro-EDM, que proporciona um monitoramento mais preciso do processo de usinagem. A plataforma de processamento combinada construída e otimizada para este dispositivo na máquina-ferramenta Sarix sx200 é mostrada na Figura 5.
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Figura 5 Máquina-ferramenta de processamento combinado: microfresamento + microEDM [21]
O desenvolvimento da tecnologia de microusinagem a laser melhorou significativamente o desempenho do processamento local de vários materiais. Conforme mostrado na pesquisa de CHAVOSHI [22], o processamento local de diversos materiais por meio de feixes de laser de alta energia melhorou o desempenho do processamento. Xiao Qiang et al. [23] fabricaram com sucesso estruturas micro-nano usando processamento a laser de femtosegundo. SUN et al. [24] usaram µCT para detectar defeitos vazios em Ti-6Al-4V fabricado por manufatura aditiva a laser, o que forneceu informações importantes para garantia de qualidade aeroespacial.
Ao mesmo tempo, a tecnologia de processamento ultrassônico também fez progressos importantes. A tecnologia de corte por ondas ultrassônicas de alta velocidade desenvolvida por Peng Zhenlong et al. [25] melhoraram a velocidade de corte e a eficiência de materiais difíceis de usinar, enquanto ZHAO et al. [26] usaram um dispositivo RUVAG autodesenvolvido baseado na vibração da peça para conduzir um único teste de moagem de grão de CBN. , com o objetivo de revelar o mecanismo de remoção de material e o desempenho ao desgaste dos grãos de CBN por vibração ultrassônica radial. O método de perfuração bicada assistida por ultrassom (UPD) proposto por LIU et al. [27] melhoraram efetivamente a eficiência de perfuração e a qualidade dos materiais laminados CFRP/Ti.
A aplicação abrangente de tecnologias de corte por microusinagem não apenas demonstra suas vantagens exclusivas, mas também mostra grande potencial na fabricação de microcomponentes com alta precisão e designs complexos. À medida que a tecnologia de microcorte continua a se desenvolver, ela continuará a promover o progresso na indústria aeroespacial e em outras indústrias de fabricação de precisão.
2.4 Materiais típicos de aviação difíceis de processar
Na indústria aeroespacial, a pesquisa sobre tecnologias de usinagem de precisão para materiais normalmente difíceis de usinar, como ligas de titânio, ligas de alumínio e compósitos de fibra de carbono, é crucial. Esses materiais desempenham um papel importante na fabricação de peças críticas para a aviação devido à sua excelente resistência mecânica e à corrosão, mas também trazem desafios de processamento.
Na área de processamento de ligas de titânio, Tian Rongxin et al. [28] propuseram um método de otimização de parâmetros de processo para fresamento em alta velocidade da liga de titânio TC11. Liu Peng et al. [29] desenvolveram um modelo matemático para otimizar a força de corte do fresamento em alta velocidade da liga de titânio TA15 com ferramentas de PCD e verificaram sua eficácia. HOURMAND et al. [30] descobriram que ferramentas revestidas de carboneto de tungstênio (WC ou WC/Co) tiveram melhor desempenho em termos de desgaste, suavidade, vida útil e atrito do que ferramentas não revestidas. EZUGWU et al. [31] descobriram por meio de pesquisas que, ao usar ferramentas de PCD para torneamento de precisão em alta velocidade TC4, o fluido de corte de alta pressão pode melhorar significativamente a suavidade da superfície e a vida útil da ferramenta, além de reduzir danos físicos. Além disso, Yao Jun et al. [32] melhoraram efetivamente a eficiência do processamento e reduziram os custos da liga de titânio TB6 através da aplicação da tecnologia de corte eletrolítico vibratório.
Em termos de processamento de ligas de alumínio, DONG et al. [33] focaram no estudo do desgaste de ferramentas diamantadas em usinagem de precisão, destacando a influência da folga da ferramenta e da velocidade de avanço. WANG et al. [34] estudaram o processamento de corte da liga de alumínio 7050-T7451 e mostraram que ângulos de saída maiores e cavacos mais grossos podem reduzir significativamente o consumo de energia, alcançando assim uma fabricação mais eficiente e ecologicamente correta. Além disso, JAROSZ et al. [35] reduziram significativamente o tempo de processamento da liga de alumínio AL-6061-T6 (cerca de 37%) e melhoraram a eficiência do processamento otimizando os parâmetros de fresamento de faceamento CNC.
Além disso, para processamento de material de fibra de carbono aeroespacial, WU et al. [36] desenvolveram ferramentas de corte de diamante policristalino para plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP), o que melhorou a eficiência e a qualidade do corte. O modelo estocástico desenvolvido por ZHANG et al. [37] podem prever com precisão a força de corte do fresamento de materiais compósitos reforçados com fibra, o que é de grande importância para melhorar a precisão e a eficiência do processamento de materiais compósitos. WU et al. [38] usaram modelos de elementos finitos e o software Deform 3D para conduzir análises de simulação para resolver o problema de perfuração e melhorar a qualidade do processamento.
Resumindo, no campo aeroespacial, a tecnologia de processamento de materiais típicos de difícil usinagem é a chave para alcançar a fabricação de alto desempenho de peças aeroespaciais críticas. O desenvolvimento destas tecnologias de corte não só melhora a eficiência e a precisão do processamento, mas também abre novas possibilidades para o corte, processamento e conformação de outros novos materiais difíceis de usinar.
Casos de aplicação de usinagem com tecnologia de alto desempenho
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3.1 Usinagem multieixos das pás do impulsor
Tomando como exemplo a usinagem de cinco eixos de um impulsor integral de aviação, o método de fresagem da geometria superficial complexa das pás do impulsor integral é considerado antecipadamente, e o método de fresagem pontual e o método de fresagem lateral são usados. Em seguida, considere a seleção de ferramentas de corte durante o acabamento de lâminas adjacentes para evitar corte excessivo e corte inferior, e selecione uma fresa de haste cônica e combine-a com a função de análise de distância do CAD para análise. Em seguida, a trajetória da posição da ferramenta é projetada através do modo “blisk” do software PowerMill. Finalmente, a fim de garantir a segurança e confiabilidade da usinagem de cinco eixos, o software de simulação VERICUT é usado para simular a usinagem geral do impulsor para garantir que a usinagem seja segura e confiável e atenda aos requisitos de tamanho e precisão [39]. As principais questões e métodos são resumidos a seguir.
1) Garantir a eficiência e precisão geral do processamento do impulsor é a chave para a tecnologia de processamento. O método de fresagem pontual e o método de fresagem lateral são usados no processo de fresagem, e a superfície curva da lâmina é processada passo a passo ao longo da direção aerodinâmica da lâmina através de contato pontual e contato linear. O uso deste método de processamento garante eficiência de processamento e qualidade de superfície.
2) Para evitar que a ferramenta corte demais ou corte inferior durante o acabamento de lâminas adjacentes, combine a análise da fresa de topo com haste cônica e o software CAD para determinar o espaçamento mínimo das lâminas, reserve a tolerância de usinagem e o ângulo de giro do eixo da fresa, o que não só melhora a eficiência do processamento, mas também aumenta a rigidez da ferramenta.
3) O projeto razoável do caminho da ferramenta é a etapa mais importante na usinagem multieixos. Use o módulo "blisk" do software PowerMill para construir superfícies auxiliares por meio de configurações parametrizadas e design de estratégia, e realizar inspeções de colisão e sobrecorte para formular trajetórias de posição de ferramenta eficientes e razoáveis, e obter bons resultados no processamento real subsequente.
4) Para garantir a segurança e confiabilidade da usinagem de cinco eixos, o software de simulação VERICUT é usado para simular o ambiente real de usinagem e as ferramentas do processo e, combinado com a trajetória da ferramenta no programa CNC, a viabilidade de processamento do impulsor geral é verificado.
3.2 Processamento de peças anulares de paredes finas e alta dureza da carcaça do motor
Tendo em vista os problemas de deformação, vibração e qualidade da superfície que são propensos a ocorrer durante o processamento do anel de montagem da estrutura de formato especial de parede fina da carcaça do motor da aeronave, uma série de medidas foram tomadas para evitar a deformação. Primeiro, o processo de fresamento em desbaste é adicionado para liberar antecipadamente a tensão de usinagem. Em segundo lugar, as ferramentas de expansão da estrutura do diafragma elástico e o método de processamento de torneamento cicloidal são usados para evitar efetivamente a deformação da peça. Finalmente, o torneamento em vez da retificação é usado para garantir a qualidade da superfície e o tamanho do revestimento, resolvendo assim problemas-chave na usinagem [40]. As principais questões e métodos são resumidos a seguir.
1) É fundamental reduzir o estresse e a deformação durante o processamento subsequente e melhorar a eficiência e a qualidade de todo o processo de fabricação. O excesso de material na face final é removido através do processo de fresamento em desbaste para liberar tensões de processamento e reduzir a deformação, deixando a margem necessária para acabamento. Este processo não só melhora a eficiência do processamento, mas também reduz as tensões internas através do recozimento para alívio de tensões, garantindo a precisão e a qualidade das peças.
2) Para resolver o problema de graves deformações das peças durante o processamento. Ao projetar ferramentas especiais e adotar tecnologia de torneamento eficiente (veja a Figura 6), a deformação durante o processamento é controlada de forma eficaz, garantindo a precisão do processamento e a qualidade da peça. Este método é adequado para processar peças semelhantes de formato especial e paredes finas de alta dureza, o que pode melhorar a eficiência do processamento e reduzir o desgaste da ferramenta, garantindo ao mesmo tempo a qualidade da superfície e o tamanho do revestimento.
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a) Braçadeira de estrutura de fixação elástica
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b) Diagrama de torneamento trocoidal
Figura 6: Fixação e torneamento ciclóide [40]
3) Para lidar com o problema de que o processo de retificação produz grandes vibrações, o que causa marcas de vibração na superfície do revestimento e dificulta o atendimento aos requisitos de rugosidade da superfície, o processo de torneamento é adotado, usando ferramentas de torneamento especiais e processamento razoável .
parâmetros para processamento. Em comparação com a retificação de rebolos, a área de contato do revestimento de torneamento é menor, o que reduz efetivamente a vibração, melhora a qualidade da superfície e a precisão dimensional do revestimento e atende aos requisitos de fabricação.
Conclusão
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Este artigo fornece uma revisão abrangente das tecnologias de usinagem de alto desempenho na área aeroespacial, destacando o importante papel dessas tecnologias na fabricação aeroespacial. Enfatizou a importância da tecnologia de usinagem de alto desempenho para melhorar a eficiência da produção e a qualidade de peças críticas e garantir o desempenho sob condições extremas e, em seguida, introduziu exemplos de aplicações específicas para demonstrar o papel dessas tecnologias na melhoria da precisão da usinagem e na redução de deformação e vibração. vantagens significativas. No entanto, no campo aeroespacial em rápido desenvolvimento, a tecnologia de processamento de alto desempenho ainda enfrenta múltiplos desafios. A futura indústria de produção aeroespacial concentrar-se-á na integração de tecnologias inovadoras, como os gémeos digitais e a produção inteligente, ao mesmo tempo que se centra na sustentabilidade ambiental e na promoção do desenvolvimento de materiais e processos mais ecológicos. Tecnologias mais eficientes, inteligentes e ecológicas impulsionarão a chegada de uma nova era. .
