Feinbearbeitungstechnologie und -ausrüstung für dünnwandige, spezialgeformte und komplexe Schaufeln von Flugzeugtriebwerken

Als Schlüsselkomponente zur Erreichung der Leistung von Strahltriebwerken haben Schaufeln typische Merkmale wie dünnwandig, spezialgeformt, komplexe Strukturen, schwer zu verarbeitende Materialien und hohe Anforderungen an die Verarbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität. Wie die präzise und effiziente Verarbeitung von Schaufeln zu erreichen ist, stellt eine der größten Herausforderungen im aktuellen Bereich der Herstellung von Strahltriebwerken dar. Durch die Analyse der wesentlichen Faktoren, die die Verarbeitungsgenauigkeit von Schaufeln beeinflussen, wird der aktuelle Stand der Forschung zu Technologien und Geräten für die Präzisionsverarbeitung von Schaufeln umfassend zusammengefasst und die Entwicklungstendenz der Verarbeitungstechnologie von Strahltriebwerksschaufeln wird erwartet.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden leichte, hochfestige dünnwandige Teile weitgehend eingesetzt und sind Schlüsselkomponenten zur Erreichung der Leistung wichtiger Geräte wie Flugzeugtriebwerke [1]. Zum Beispiel können die Titanlegierungs-Luftföhnblätter von Triebwerken mit großem Umflussverhältnis bis zu 1 Meter lang sein, mit komplexen Profilen und Dämpfungskantenstrukturen, wobei die Dicke des dünnsten Teils nur 1,2 mm beträgt, was ein typisches großes dünnwandiges spezielles Teil ist [2]. Als typisches dünnwandiges spezielles Teil mit geringer Steifigkeit neigen die Blätter während der Bearbeitung zu Verformungen und Vibrationen [3]. Diese Probleme beeinflussen die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität der Blätter erheblich.

Die Leistung des Motors hängt weitgehend von der Fertigungsgenauigkeit der Schaufeln ab. Während des Motorbetriebs müssen die Schaufeln unter extremen Betriebsbedingungen, wie hohen Temperaturen und Drücken, stabil arbeiten. Dazu muss das Schaufelmaterial eine gute Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit aufweisen und die strukturelle Stabilität gewährleisten [2]. Normalerweise werden Titanlegierungen oder Hochtemperaturlegierungen für Turbinenschaufeln verwendet. Allerdings weisen Titanlegierungen und Hochtemperaturlegierungen eine schlechte Bearbeitbarkeit auf. Während des Schneidprozesses ist die Schneidkraft groß und das Werkzeug verschleißt schnell. Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß nimmt die Schneidkraft weiter zu, was zu stärkeren Bearbeitungsverformungen und Vibrationen führt und somit zu geringer Maßgenauigkeit und schlechter Oberflächenqualität der Teile führt. Um den Einsatzanforderungen des Motors unter extremen Arbeitsbedingungen gerecht zu werden, sind die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität der Schaufeln äußerst hoch. Am Beispiel der Titanlegierungsschaufeln eines national hergestellten Turbofan-Motors mit hoher Umströmrate: Die Gesamtlänge der Schaufel beträgt 681 mm, während die Dicke weniger als 6 mm beträgt. Die Profilanforderungen liegen bei -0,12 bis +0,03 mm, die Maßgenauigkeit der Ein- und Auslasskanten liegt bei -0,05 bis +0,06 mm, und der Verdrehungsfehler des Schaufelschnitts liegt innerhalb ± 10′, und der Oberflächenrauheitswert Ra ist besser als 0.4 μ m. Dies erfordert normalerweise Präzisionsbearbeitung an einer Fünf-Achsen-CNC-Fräsmaschine. Aufgrund jedoch der geringen Steifigkeit der Schaufel, der komplexen Struktur und der schwer zu bearbeitenden Materialien müssen die Prozesskräfte während des Bearbeitungsprozesses die Schnittparameter mehrfach anpassen, um die Bearbeitungspräzision und -qualität zu gewährleisten. Dies begrenzt die Leistungsfähigkeit des CNC-Bearbeitungszentrums erheblich und führt zu einem großen Effizienzverlust [4]. Daher stellt sich mit dem raschen Fortschritt der CNC-Bearbeitungstechnologie die Frage, wie Verformungen und Schwingungen bei der Bearbeitung von dünnwandigen Teilen kontrolliert und unterdrückt werden können und wie die volle Bearbeitungskapazität der CNC-Bearbeitungszentren genutzt wird. Dies hat sich zu einer dringenden Anforderung für fortschrittliche Herstellungsunternehmen entwickelt.

Die Forschung zu Deformationskontrolltechnologien von dünnwandigen, schwach starren Bauteilen hat seit langem die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Forschern erregt. In frühen Produktionspraktiken verwendeten Menschen oft die Wasserscheitestrategie des Wechselns zwischen Fräsen auf beiden Seiten von dünnwandigen Strukturen, was die unerwünschten Auswirkungen von Verformungen und Schwingungen auf die Abmessungsgenauigkeit bis zu einem gewissen Grad verringern kann. Darüber hinaus gibt es auch die Möglichkeit, die Bearbeitungssteifigkeit durch das Einrichten vorab gefertigter Opferstrukturen wie Verstärkungsrippen zu verbessern.

Schneidtechnologie für schwer verarbeitbare Materialien

Um den Anforderungen eines stabilen Betriebs in einer Hochtemperatur- und Hochdruckumgebung gerecht zu werden, sind die gebräuchlichen Materialien für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken Titanlegierungen oder Hochtemperaturlegierungen. In den letzten Jahren haben Titan-Aluminium-Zwischenmetallverbindungen sich ebenfalls als Schaufelmaterial mit großem Anwendungspotential etabliert. Titanlegierungen weisen die Charakteristiken einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, geringer Plastizität, niedrigen elastischen Moduls und starker Affinität auf, was dazu führt, dass sie bei der Bearbeitung Probleme wie große Schneidkräfte, hohe Schneidtemperaturen, starke Verfestigung und großen Werkzeugverschleiß verursachen. Sie gehören zu den typischen schwer zu bearbeitenden Materialien (Mikrostrukturmorphologie siehe Abbildung 2a) [7]. Die Hauptcharakteristiken von Hochtemperaturlegierungen sind hohe Plastizität und Stärke, schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine große Menge an dichten Festlöstionen im Inneren [8]. Die plastische Verformung während der Bearbeitung verursacht eine starke Verzerrung des Gitters, hohen Formwiderstand, große Schneidkräfte und ein starkes Phänomen der kalten Verfestigung, weshalb sie ebenfalls zu den typischen schwer zu bearbeitenden Materialien zählen (Mikrostrukturmorphologie siehe Abbildung 2b). Daher ist es äußerst wichtig, effiziente und präzise Bearbeitungstechnologien für schwer zu bearbeitende Materialien wie Titanlegierungen und Hochtemperaturlegierungen zu entwickeln. Um eine effiziente und präzise Bearbeitung dieser schwer zu bearbeitenden Materialien zu erreichen, haben inländische und ausländische Forscher umfassende Untersuchungen bezüglich innovativer Bearbeitungsverfahren, optimaler Werkstoffe für Bearbeitungswerkzeuge und optimierter Bearbeitungsparameter durchgeführt.

2.1 Innovation von Schnittverarbeitungsverfahren

In Bezug auf innovative Forschung und Entwicklung von Schneidverfahren haben Wissenschaftler unterstützende Mittel wie Lasererhitzung und kryogene Kühlung eingeführt, um die Bearbeitbarkeit von Materialien zu verbessern und effizientes Schneiden zu erreichen. Das Funktionsprinzip der laserunterstützten Bearbeitung [9] (siehe Abbildung 3a) besteht darin, einen hochleistungsfähigen Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche vor der Schneide zu fokussieren, das Material durch lokale Erwärmung des Strahls zu weichen, die Fliessgrenze des Materials zu senken, wodurch sich der Schneidkraft- und Werkzeugverschleiß reduziert und die Qualität und Effizienz des Schneidens verbessert. Die kryogen-kühlungsunterstützte Bearbeitung [10] (siehe Abbildung 3b) verwendet Flüssigstickstoff, hochdruckgetriggerte Kohlendioxidgas und andere Kühlmedien, die auf den Schnittbereich gesprüht werden, um den Schneidprozess abzukühlen, das Problem einer zu hohen lokalen Schneidtemperatur infolge schlechter Wärmeleitfähigkeit des Materials zu vermeiden und das Werkstück lokal kalt und spröde zu machen, was den Spanbrucheffekt erhöht. Das Unternehmen Nuclear AMRC im Vereinigten Königreich hat erfolgreich Hochdruck-Kohlendioxidgas zur Kühlung des Titanlegierungsbearbeitungsprozesses eingesetzt. Im Vergleich zum trockenen Schneiden zeigt die Analyse, dass kryogene Kühlung nicht nur den Schneidkraftwert reduziert und die Oberflächenqualität verbessert, sondern auch das Werkzeugverschleiß wirksam verringert und die Lebensdauer des Werkzeugs erhöht. Darüber hinaus ist die ultraschallunterstützte Bearbeitung [11, 12] (siehe Abbildung 3c) ebenfalls ein effektives Verfahren für die effiziente Bearbeitung schwer bearbeitbarer Materialien. Durch Anwendung hoher Frequenzen und kleiner Amplituden an dem Werkzeug wird während des Bearbeitungsprozesses eine intermittierende Trennung zwischen Werkzeug und Werkstück erreicht, was den Materialentfernungsmechanismus ändert, die Stabilität des dynamischen Schneidens verstärkt, Reibung zwischen Werkzeug und bearbeiteter Oberfläche wirksam verhindert, den Schneidtemperatur- und Kraftwert reduziert, Oberflächenrauheitswerte senkt und Werkzeugverschleiß minimiert. Seine hervorragenden Prozesseffekte haben weitreichende Aufmerksamkeit gefunden.

2.2 Auswahl von Werkstoffen für Werkzeuge

Bei schwer bearbeitbaren Materialien wie Titanlegierungen kann die Optimierung der Werkzeugwerkstoffe die Bearbeitungsergebnisse effektiv verbessern [8, 13]. Studien haben gezeigt, dass bei der Bearbeitung von Titanlegierungen je nach Bearbeitungsgeschwindigkeit verschiedene Werkzeuge ausgewählt werden können. Bei Niedriggeschwindigkeitsbearbeitung wird hochcobaltiges Hochgeschwindigkeitsstahl eingesetzt, bei Mittelgeschwindigkeitsbearbeitung werden Hartmetallwerkzeuge mit Aluminiumoxidbeschichtung verwendet und bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitung werden kubische Borstickstoff (CBN)-Werkzeuge eingesetzt; bei der Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen sollten hochvanadiumige Hochgeschwindigkeitsstähle oder YG-Hartmetallwerkzeuge mit hoher Härte und guter Verschleißwiderstand verwendet werden.

2.3 Optimale Schneidparameter

Schnittparameter sind ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Bearbeitungsqualität beeinflusst. Die Verwendung geeigneter Schnittparameter für die entsprechenden Materialien kann die Bearbeitungsqualität und -effizienz effektiv verbessern. Am Beispiel des Schnelligkeitsparameters lässt sich feststellen, dass eine niedrige Schneidgeschwindigkeit leicht zu Bildung von Aufbauschichten auf der Materialoberfläche führt, was die Oberflächenbearbeitungsgenauigkeit verringert; eine hohe Schneidgeschwindigkeit kann leicht zu Wärmeansammlung führen, was zu Verbrennungen am Werkstück und am Werkzeug führen kann. In diesem Zusammenhang analysierte das Team von Professor Zhai Yuansheng an der Harbin University of Science and Technology die mechanischen und physikalischen Eigenschaften gebräuchlicher schwer bearbeitbarer Materialien und fasste durch orthogonale Bearbeitungsversuche eine empfohlene Tabelle der Schneidgeschwindigkeiten für schwer bearbeitbare Materialien zusammen [14] (siehe Tabelle 1). Die Verwendung der in der Tabelle empfohlenen Werkzeuge und Schneidgeschwindigkeiten kann Bearbeitungsfehler und Werkzeugabnutzung effektiv reduzieren und die Bearbeitungsqualität verbessern.

3-fach Präzisions-CNC-Frästechnologie für komplexe Schaufeloberflächen

In den letzten Jahren, mit dem raschen Wachstum der Luftfahrtindustrie und dem steigenden Marktanforderungen, haben sich die Anforderungen an effiziente und präzise Bearbeitung von dünnwandigen Schaufeln weiter verschärft, und die Nachfrage nach präziseren Verformungssteuerungstechnologien ist dringender geworden. Im Rahmen der intelligenten Fertigungstechnologie kann die Kombination mit moderner elektronischer Informationstechnologie zur intelligenten Steuerung von Verformung und Vibration bei der Bearbeitung von Flugtriebwerksblättern führen und ist zu einem heißen Forschungsthema für viele Wissenschaftler geworden. Die Einführung intelligenter CNC-Systeme in die Präzisionsbearbeitung komplexer gekrümmter Schaufeloberflächen sowie die aktive Kompensation von Bearbeitungsfehlern auf Basis intelligenter CNC-Systeme können Verformungen und Vibrationen wirksam unterdrücken.

Für die aktive Fehlerkompensation im Bearbeitungsprozess, um die Optimierung und Steuerung von Bearbeitungsparametern wie dem Werkzeugpfad zu erreichen, ist es notwendig, zuerst den Einfluss der Prozessparameter auf Bearbeitungsverformung und -vibrationen zu ermitteln. Es gibt zwei gebräuchliche Methoden: Eine besteht darin, die Ergebnisse jeder Werkzeugdurchfahrt durch maschinennahe Messungen und Fehleranalyse zu analysieren und zu begründen [15]; die andere Methode besteht darin, ein Vorhersagemodell für Bearbeitungsverformungen und -vibrationen mittels dynamischer Analyse [16], Finite-Elemente-Modellierung [17], Experimente [18] und Neuronale Netze [19] (siehe Abbildung 4) zu erstellen.

Basierend auf dem oben genannten Vorhersagemodell oder der Maschinenmessungstechnik können Menschen die Bearbeitungsparameter optimieren und sogar in Echtzeit steuern. Die Hauptströmung besteht darin, Fehler, die durch Verformung und Vibration verursacht werden, durch Neuplanung des Werkzeugpfads zu kompensieren. Die in dieser Richtung gebräuchliche Methode ist die "Spiegelkompensationsmethode" [20] (siehe Abbildung 5). Diese Methode kompensiert die Verformung bei einer einzelnen Bearbeitung, indem sie die nominale Werkzeugbahn korrigiert. Eine einzige Kompensation kann jedoch neue Bearbeitungsverformungen verursachen. Daher ist es notwendig, eine iterative Beziehung zwischen Schneidkraft und Bearbeitungsverformung durch mehrere Kompensationen herzustellen, um die Verformungen nacheinander zu korrigieren. Neben der Methode der aktiven Fehlerkompensation basierend auf Werkzeugpfadplanung forschen viele Wissenschaftler auch darüber, wie man Verformungen und Vibrationen durch Optimierung und Steuerung der Schneid- und Werkzeugparameter kontrollieren kann. Bei der Bearbeitung einer bestimmten Art von Flugtriebwerksblatt wurden die Bearbeitungsparameter in mehreren Runden orthogonaler Tests geändert. Basierend auf den Testdaten wurde der Einfluss jedes Schneidparameters und Werkzeugparameters auf die Blattbearbeitungsverformung und die Vibration analysiert [21-23]. Ein empirisches Vorhersagemodell wurde erstellt, um die Bearbeitungsparameter zu optimieren, die Bearbeitungsverformung effektiv zu reduzieren und das Schneiden zu dämpfen.

Basierend auf den oben genannten Modellen und Methoden haben viele Unternehmen die CNC-Systeme von CNC-Fräseinsätzen weiterentwickelt oder verbessert, um eine Echtzeit-Adaptivsteuerung der Bearbeitungsparameter für dünnwandige Teile zu erreichen. Das optimale Frähsystem des israelischen Unternehmens OMAT [24] ist ein typisches Beispiel in diesem Bereich. Es passt hauptsächlich die Fütterungsgeschwindigkeit durch adaptive Technologie an, um das Ziel einer konstanten Kraftfräsbearbeitung zu erreichen und so eine effiziente und hochwertige Bearbeitung komplexer Produkte zu ermöglichen. Darüber hinaus hat Beijing Jingdiao ähnliche Technologie in einem klassischen technischen Fall angewendet, bei dem Oberflächenmuster auf einem Eierschalenobjekt durch maschinengebundene adaptive Kompensation eingeritzt wurden [25]. THERRIEN von GE in den USA [26] schlug eine Methode zur Echtzeit-Korrektur von CNC-Bearbeitungsdaten während der Bearbeitung vor, was einen grundlegenden technischen Ansatz für adaptive Bearbeitung und Echtzeitsteuerung komplexer dünnwandiger Schaufeln bereitstellte. Das automatisierte Reparatsystem für Turbinenteile von Flugzeugtriebwerken der Europäischen Union (AROSATEC) realisiert eine adaptive Präzisionsfräsbearbeitung nach der Reparatur der Schaufeln mittels Additiver Fertigung und wurde bereits in der Serienproduktion der Schaufelreparaturen des deutschen Unternehmens MTU und des irischen Unternehmens SIFCO eingesetzt [27].

4. Verbesserung der Verarbeitungssteifigkeit auf Basis intelligenter Prozessgeräte

Durch den Einsatz intelligenter Prozessgeräte zur Verbesserung der Steifigkeit des Prozesssystems und der Dämpfungseigenschaften bietet sich auch eine effektive Möglichkeit an, die Verformung und Vibration bei der Bearbeitung dünnwandiger Blätter zu unterdrücken, die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern und die Oberflächenqualität zu erhöhen. In den letzten Jahren wurden in der Bearbeitung verschiedener Arten von Flugtriebwerksblättern eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessgeräte eingesetzt [28]. Da Flugtriebwerksblätter im Allgemeinen dünnwandige und unregelmäßige Strukturmerkmale aufweisen, einen kleinen Spann- und Positionierungsflächenbereich haben, eine geringe Bearbeitungssteifigkeit besitzen und unter dem Einfluss von Schneidlasten lokale Verformungen erfahren, wendet die Blattbearbeitungsanlage normalerweise eine Hilfsunterstützung für das Werkstück an, basierend auf dem Sechs-Punkte-Positionierungsprinzip [29], um die Steifigkeit des Prozesssystems zu optimieren und Bearbeitungsverformungen zu verhindern. Dünnwandige und unregelmäßige gekrümmte Flächen stellen zwei Anforderungen an die Positionierung und Spannung der Werkzeugfassung: Erstens sollte die Spannkraft oder Berührungskraft des Werkzeugs so gleichmäßig wie möglich auf der gekrümmten Fläche verteilt sein, um ernsthafte lokale Verformungen des Werkstücks unter dem Einfluss der Spannkraft zu vermeiden; Zweitens müssen die Positionierung-, Spann- und Hilfsunterstützungselemente der Fassung besser mit der komplexen gekrümmten Fläche des Werkstücks übereinstimmen, um an jedem Berührungspunkt eine gleichmäßige Oberflächenkontaktkraft zu erzeugen. Im Einklang mit diesen beiden Anforderungen haben Forscher ein flexibles Werkzeugsystem vorgeschlagen. Flexible Werkzeugsysteme können in Phasenwechsel-flexible Werkzeugsysteme und adaptive flexible Werkzeugsysteme unterteilt werden. Phasenwechsel-flexible Werkzeugsysteme nutzen die Veränderungen der Steifigkeit und Dämpfung vor und nach dem Phasenwechsel des Fluids: Das Fluid im flüssigen Zustand oder mobilen Zustand hat eine geringe Steifigkeit und Dämpfung und kann unter niedrigem Druck der komplexen gekrümmten Fläche des Werkstücks angepasst werden. Danach wird das Fluid in einen festen Zustand überführt oder durch äußere Kräfte wie Elektrizität/Magnetismus/Wärme konsolidiert, wodurch sich die Steifigkeit und Dämpfung stark verbessern und somit dem Werkstück eine gleichmäßige und flexible Unterstützung geboten wird, um Verformungen und Vibrationen zu unterdrücken.

Die Prozessausstattung in der traditionellen Bearbeitungstechnologie von Flugzeugtriebwerksblättern besteht darin, Phasenübergangsmaterialien wie Niederschmelzlegierungen für das Füllen von Hilfsunterstützungen zu verwenden. Das bedeutet, dass nachdem das Werkstück-Rohling an sechs Punkten positioniert und gesichert wurde, das Positionierungsreferenz des Werkstücks durch Gießen in einen Gussblock aus der Niederschmelzlegierung transformiert wird, um dem Werkstück eine zusätzliche Unterstützung zu bieten. Dadurch wird die komplexe Punktpositionierung in eine regelmäßige Oberflächenpositionierung umgewandelt, bevor die präzise Bearbeitung des zu verarbeitenden Teils durchgeführt wird (siehe Abbildung 6). Diese Verfahrensweise hat offensichtliche Mängel: Die Umwandlung des Positionierungsreferenz führt zu einer Verringerung der Positioniergenauigkeit; die Produktionsvorbereitung ist kompliziert, und das Gießen und Schmelzen der Niederschmelzlegierung verursacht auch Rückstände und Reinigungsprobleme auf der Werkstückoberfläche. Gleichzeitig sind die Gieß- und Schmelzbedingungen ebenfalls relativ schlecht [30]. Um die oben genannten Verfahrensmängel zu beheben, ist ein gebräuchliches Verfahren die Einführung einer Mehrpunkte-Unterstützstruktur in Kombination mit einem Phasenübergangsmaterial [31]. Die obere Seite der Unterstützungskonstruktion berührt das Werkstück zur Positionierung, während die untere Seite in die Kammer mit der Niederschmelzlegierung getaucht ist. Eine flexible Hilfsunterstützung wird aufgrund der Phasenübergangseigenschaften der Niederschmelzlegierung erreicht. Obwohl die Einführung einer Unterstützungskonstruktion Oberflächenmängel verhindern kann, die durch den Kontakt von Niederschmelzlegierungen mit den Blättern entstehen, können Phasenübergangs-Werkzeuge aufgrund der Leistungsbegrenzungen der Phasenübergangsmaterialien nicht gleichzeitig den beiden Hauptanforderungen nach hoher Steifigkeit und hoher Reaktionsgeschwindigkeit gerecht werden und sind schwer in hoch effizienten automatisierten Produktionsprozessen einzusetzen.

Um die Nachteile von flexiblen Werkzeugen bei Phasenänderungen zu beheben, haben viele Forscher das Konzept der Anpassungsfähigkeit in die Forschung und Entwicklung flexibler Werkzeuge integriert. Adaptive flexible Werkzeuge können sich durch elektromechanische Systeme an komplexe Schaufelgeometrien und mögliche Formfehler anpassen. Um sicherzustellen, dass die Kontaktkraft gleichmäßig über die gesamte Schaufel verteilt ist, verwenden die Werkzeuge normalerweise mehrere Unterstützungspunkte, um eine Unterstützungsmatrix zu bilden. Das Team von Wang Hui an der Tsinghua-Universität schlug ein flexibles Mehrpunkt-Hilfsunterstützungssystem für den Nahe-Netz-Form-Prozess von Schaufeln vor [32, 33] (siehe Abbildung 7). Die Werkzeuge verwenden mehrere flexible Materialklammerungselemente, um die Schaufeloberfläche einer Nahe-Netz-Form-Schaufel zu unterstützen und die Kontaktoberfläche zu erhöhen. ​​ jeden Kontaktbereich und sicherstellen, dass die Presskraft gleichmäßig auf jedes Kontaktpart und das gesamte Blatt verteilt wird, wodurch die Steifigkeit des Prozesssystems verbessert und eine lokale Verformung des Blatts effektiv verhindert wird. Die Werkzeughaltung verfügt über mehrere passive Freiheitsgrade, die sich an die Form des Blatts und dessen Fehler anpassen können, während überbestimmte Positionen vermieden werden. Neben der Erreichung einer adaptiven Unterstützung durch flexible Materialien wird auch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zur Entwicklung von adaptiver flexibler Werkzeughaltung angewendet. Das Team von Yang Yiqing an der Beihang University hat ein unterstützendes Gerät basierend auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion erfunden [34]. Die Werkzeughaltung verwendet eine durch ein elektromagnetisches Signal erregte flexible zusätzliche Unterstützung, die die Dämpfungscharakteristiken des Prozesssystems ändern kann. Während des Spannvorgangs passt sich die zusätzliche Unterstützung unter dem Einfluss eines Permanentmagneten der Form des Werkstücks an. Während der Bearbeitung wird die durch das Werkstück erzeugte Schwingung auf die zusätzliche Unterstützung übertragen, und gemäß dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird eine Gegenkraft erregt, die die Schwingungen bei der Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke unterdrückt.

Derzeit werden im Prozess der Anlagengestaltung allgemein Methoden wie Finite-Elemente-Analyse, Genetischer Algorithmus und andere verwendet, um die Anordnung von Mehrpunkthilfsaufhängern zu optimieren [35]. Allerdings kann das Optimierungsresultat normalerweise nur sicherstellen, dass die Verformung an einem Punkt minimiert wird, ohne garantieren zu können, dass dieselbe Verformungshemmung in anderen Bearbeitungsbereichen erreicht wird. Im Schaufelbearbeitungsprozess werden oft eine Reihe von Werkzeuggängen am Werkstück auf derselben Maschine durchgeführt, aber die Spannanforderungen für die Bearbeitung unterschiedlicher Teile sind verschieden und können sogar zeitabhängig sein. Bei der statischen Mehrpunktaufhängemethode führt die Verbesserung der Steifigkeit des Prozesssystems durch Erhöhung der Anzahl der Hilfsaufhänger einerseits zu einer Zunahme der Masse und des Volumens der Werkzeugausstattung und andererseits zur Komprimierung des Bewegungsraums des Werkzeugs. Wenn die Position des Hilfsaufhängers bei der Bearbeitung unterschiedlicher Teile zurückgesetzt wird, wird der Bearbeitungsprozess unvermeidlich unterbrochen und die Bearbeitungseffizienz verringert. Deshalb wurde nachfolgendes Prozessgerät [36-38] vorgeschlagen, das die Aufhängenanordnung und die Aufhängkraft automatisch online entsprechend dem Bearbeitungsprozess anpasst. Das nachfolgende Prozessgerät (siehe Abbildung 8) kann durch koordinierte Zusammenarbeit von Werkzeug und Werkzeugausstattung dynamische Unterstützung leisten, basierend auf der Werkzeugtrajektorie und den Änderungen der Arbeitsbedingungen des zeitabhängigen Schnittprozesses, bevor jeder Bearbeitungsschritt beginnt: Zuerst wird der Hilfsaufhänger an eine Position bewegt, die hilfreich ist, um die aktuelle Bearbeitungsverformung zu reduzieren, so dass das Bearbeitungsgebiet  das Werkstück wird aktiv gestützt, während andere Teile des Werkstücks mit so wenig Kontakt wie möglich in Position bleiben, wodurch den zeitabhängigen Spannanforderungen während des Bearbeitungsprozesses entsprochen wird.

Um die adaptive dynamische Unterstützungsfähigkeit von Prozessgeräten weiter zu verbessern, den komplexeren Halteanforderungen im Bearbeitungsprozess gerecht zu werden und die Qualität und Effizienz der Schaufelbearbeitungsproduktion zu steigern, wird die nachfolgende Hilfsunterstützung in eine Gruppe erweitert, die aus mehreren dynamischen Hilfsunterstützungen besteht. Jede dynamische Hilfsunterstützung muss koordinierte Aktionen durchführen und den Kontakt zwischen der Unterstützunggruppe und dem Werkstück automatisch und schnell entsprechend den zeitvarianten Anforderungen des Fertigungsprozesses rekonstruieren. Der Rekonstruktionsprozess beeinträchtigt nicht die Positionierung des gesamten Werkstücks und verursacht keine lokale Verschiebung oder Vibration. Auf Basis dieses Konzepts wird das Prozessgerät als selbstrekonfigurierbares Gruppenhaltegerät bezeichnet [39], das die Vorteile von Flexibilität, Rekonfigurierbarkeit und Autonomie aufweist. Das selbstrekonfigurierbare Gruppenhaltegerät kann mehrere Hilfsunterstützungen gemäß den Anforderungen des Fertigungsprozesses an verschiedene Positionen der getragenen Oberfläche verteilen und sich an komplex geformte Werkstücke mit großem Umfang anpassen, während es ausreichende Steifigkeit gewährleistet und überflüssige Unterstützung eliminiert. Die Arbeitsweise des Haltegeräts ist, dass der Controller Anweisungen gemäß dem programmierten Programm sendet und die bewegliche Basis das Tragelement gemäß den Anweisungen zur Zielposition bringt. Das Tragelement passt sich der lokalen Geometrie des Werkstücks an, um eine komplianzfähige Unterstützung zu erreichen. Die dynamischen Eigenschaften (Steifigkeit und Dämpfung) des Kontaktbereichs zwischen einem einzelnen Tragelement und dem lokalen Werkstück können durch Änderung der Parameter des Tragelements gesteuert werden (zum Beispiel kann ein hydraulisches Tragelement normalerweise die Eingangshydraulikdruck ändern, um die Kontakteigenschaften zu verändern). Die dynamischen Eigenschaften des Prozesssystems entstehen durch die Kopplung der dynamischen Eigenschaften des Kontaktbereichs zwischen mehreren Tragelementen und dem Werkstück und hängen von den Parametern jedes Tragelements und der Anordnung der Tragelementgruppe ab. Der Entwurf des Mehrpunkte-Unterstützungsumbau-Schemas des selbstrekonfigurierbaren Gruppenhaltegeräts muss die folgenden drei Probleme berücksichtigen: Anpassung an die Geometrie des Werkstücks, schnelle Neupositionierung der Tragelemente und koordinierte Zusammenarbeit mehrerer Stützpunkte [40]. Daher ist es notwendig, beim Einsatz des selbstrekonfigurierbaren Gruppenhaltegeräts die Werkstückform, Lastcharakteristiken und inherenten Randbedingungen als Eingabe zu verwenden, um die Mehrpunkt-Unterstützungsanordnung und -Parameter unter verschiedenen Bearbeitungsbedingungen zu lösen, den Bewegungspfad der Mehrpunkt-Unterstützung zu planen, aus den Lösungsergebnissen Steuercode zu generieren und diesen in den Controller zu importieren. Derzeit haben in- und ausländische Forscher einige Forschungen und Versuche zu selbstrekonfigurierbaren Gruppenhaltegeräten durchgeführt. Im Ausland hat das EU-Projekt SwarmItFIX ein neues, hochgradig anpassungsfähiges selbstrekonfigurierbares Haltegerätesystem entwickelt [41], das eine Reihe beweglicher Hilfsstützen verwendet, die sich frei auf dem Werkzeugtisch bewegen und in Echtzeit neu positionieren können, um die bearbeiteten Teile besser zu unterstützen. Das Prototypensystem von SwarmItFIX wurde in diesem Projekt implementiert (siehe Abbildung 9a) und am Standort eines italienischen Flugzeugherstellers getestet. In China hat Wang Huis Team an der Tsinghua-Universität eine vierpunktige Spannsupport-Arbeitsplatte entwickelt, die mit einer Werkzeugmaschine koordiniert gesteuert werden kann [42] (siehe Abbildung 9b). Diese Arbeitsplatte kann das vorspringende Zapfen stützen und automatisch dem Werkzeug bei der Feinbearbeitung des Zapfens einer Turbinenschaufel ausweichen. Während des Bearbeitungsprozesses kooperiert die vierpunktige Hilfsunterstützung mit dem CNC-Bearbeitungszentrum, um den vierpunktigen Kontaktzustand entsprechend der Werkzeugbewegungsposition neu zu konfigurieren. Dies verhindert nicht nur Störungen zwischen Werkzeug und Hilfsunterstützung, sondern gewährleistet auch die Unterstützungseffekte.

5 Diskussion über zukünftige Entwicklungsrichtungen

5.1 Neue Materialien

Da die Anforderungen an das Schub-Gewicht-Verhältnis bei Flugzeugtriebwerken weiter steigen, wird die Anzahl der Teile allmählich reduziert, und die Belastungsebene der Komponenten wird immer höher. Die Leistungsfähigkeit der beiden Haupttraditionen von Hochtemperaturstrukturmaterialien hat ihren Grenzwert erreicht. In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung neuer Materialien für Turbinenschaufeln von Flugzeugantrieben stark entwickelt, und es werden zunehmend leistungsstärkere Materialien zur Herstellung von dünnwandigen Schaufeln eingesetzt. Dazu gehört unter anderem die γ -TiAl-Legierung[43], die hervorragende Eigenschaften wie hohe spezifische Stärke, Widerstandsfähigkeit bei hohen Temperaturen und gute Oxidationsbeständigkeit aufweist. Gleichzeitig beträgt ihre Dichte 3,9g/cm³, was nur die Hälfte im Vergleich zu Hochtemperaturlegierungen ist. In Zukunft bietet sie großes Potenzial als Schaufel im Temperaturbereich von 700-800 ℃ . Obwohl γ -TiAl Legierung weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, ihre hohe Härte, niedrige Wärmeleitfähigkeit, geringe Bruchzähigkeit und hohe Sprödigkeit führen zu schlechter Oberflächenintegrität und niedriger Präzision bei γ -TiAl Werkstoff während des Schneidens, was den Dienstleben der Komponenten erheblich beeinträchtigt. Daher hat die Bearbeitungsforschung von γ -TiAl Legierung eine wichtige theoretische Bedeutung und einen hohen Wert und ist eine wichtige Forschungsrichtung der aktuellen Schaufelbearbeitungstechnologie.

5.2 Zeitvariante adaptive Bearbeitung

Turbomotor-Schaufeln haben komplexe gekrümmte Flächen und erfordern eine hohe Formgenauigkeit. Derzeit wird bei ihrer Präzisionsbearbeitung hauptsächlich auf geometrische adaptive Bearbeitungsverfahren zurückgegriffen, die auf Pfadplanung und Modellrekonstruktion basieren. Diese Methode kann die Auswirkungen von Fehlern, die durch Positionierung, Spannung usw. entstehen, wirksam reduzieren. Aufgrund der ungleichmäßigen Dicke des Schmiedeteilblanks variiert die Schnitttiefe in verschiedenen Bereichen des Werkzeugs während des Bearbeitungsprozesses gemäß dem geplanten Pfad, was unsichere Faktoren im Bearbeitungsprozess verursacht und die Bearbeitungsstabilität beeinträchtigt. In Zukunft sollte während des CNC-adaptiven Bearbeitungsprozesses der tatsächliche Bearbeitungszustandswechsel besser verfolgt werden [44], wodurch die Bearbeitungspräzision komplexer gekrümmter Flächen erheblich verbessert wird und eine zeitvariante Kontrollmethode für adaptive Bearbeitung entwickelt wird, die auf Echtzeit-Rückmeldedaten basiert und die Schnittparameter anpasst.

5.3 Intelligente Prozessanlagen

Als größte Art von Komponenten im Motor beeinflusst die Fertigungseffizienz der Schaufeln direkt die Gesamtfertigungseffizienz des Motors, und die Fertigungsqualität der Schaufeln beeinflusst direkt die Leistung und Lebensdauer des Motors. Daher ist die intelligente Präzisionsbearbeitung von Schaufeln geworden die Entwicklungsrichtung der Motorschaufelfertigung auf der Welt heute. Die Forschung und Entwicklung von Werkzeugmaschinen und Prozessanlagen ist der Schlüssel zur Realisierung intelligenter Schaufelbearbeitung. Mit der Entwicklung der CNC-Technologie hat sich das Intelligenzniveau der Werkzeugmaschinen stark verbessert und die Bearbeitungs- und Produktionskapazität wurde erheblich gesteigert. Daher ist die Forschung, Entwicklung und Innovation intelligenter Prozessanlagen eine wichtige Entwicklungsrichtung für effizientes und präzises Bearbeiten dünnwandiger Schaufeln. Hochintelligente CNC-Werkzeugmaschinen werden mit Prozessanlagen kombiniert, um ein intelligentes Schaufelbearbeitungssystem (siehe Abbildung 10) zu bilden, das hochpräzise, effiziente und adaptive CNC-Bearbeitung dünnwandiger Schaufeln ermöglicht.