La industria de la aviación adopta ampliamente la tecnología de corte de alta velocidad para mejorar la eficiencia, reducir costos y garantizar la calidad.
Las piezas de aeronaves, especialmente las aleaciones de titanio, tienen estructuras complejas con alta resistencia y dureza, lo que provoca desgaste de las herramientas durante el mecanizado.
Los ingenieros seleccionan herramientas de corte de alta velocidad para acortar el tiempo, reducir la fuerza y la deformación y mejorar la precisión en aleación de titanio maquinado.
Descripción general de herramientas de corte de alta velocidad
Los ingenieros utilizan herramientas de corte de alta velocidad como herramientas especiales en el proceso de corte de alta velocidad.
Como elemento central de la tecnología de corte de alta velocidad, el rendimiento de la herramienta afectará directamente el efecto del procesamiento.
Las herramientas de corte de alta velocidad deben cumplir con demandas de rotación de alta velocidad, adaptándose a movimientos rápidos, grandes avances y alta velocidad.
Los fabricantes utilizan principalmente herramientas de diamante, CBN, PCD, cerámica y recubiertas como herramientas de corte de alta velocidad basadas en diferentes materiales.
Estrategia de aplicación de herramientas de corte de alta velocidad en el procesamiento de piezas complejas de aviación
Procesamiento de piezas complejas en la placa de pared general
Como parte clave de una aeronave, la calidad de la placa de pared afecta directamente la seguridad del vuelo, la eficiencia del combustible y el rendimiento.
Su estructura compleja, de paredes delgadas con cavidades ranuradas y refuerzos supone un reto para el mecanizado.
Las herramientas de corte tradicionales reducen la eficiencia y provocan deformación de las piezas al mecanizar placas de pared de aviones.
Las herramientas de fresado de alta velocidad reducen la deformación y los errores, disipan el calor, garantizan un corte suave y con baja vibración y mejoran la calidad de la superficie.
El uso de herramientas de carburo para desbaste y herramientas de PCD para acabado permite una producción eficiente y al mismo tiempo reduce costos.
Procesamiento de piezas complejas de estructuras de vigas
Las vigas de aeronaves, piezas portantes clave con estructuras complejas y tolerancias estrictas, a menudo utilizan aleaciones de titanio, lo que exige un alto rendimiento de las herramientas y los procesos.
Las fresas de carburo recubiertas de TiAlN ofrecen alta dureza y resistencia al desgaste, ideales para estas piezas.
Las fresas de carburo revestidas de TiAlN cumplen con los requisitos de precisión de la viga y acortan el tiempo de mecanizado.
Para vigas de aleación de titanio, las fresas de alta velocidad con profundidad y avance optimizados estabilizan el corte y reducen el desgaste de la herramienta.
Procesamiento de piezas complejas en álabes de turbinas
Los fabricantes fabrican álabes de turbinas a partir de aleaciones de alta temperatura que exigen un tamaño y una calidad de superficie precisos y suponen un desafío para el procesamiento.
Los fabricantes utilizan fresas de alta dureza para soportar el calor y la presión en el mecanizado de álabes de turbinas.
La fresadora de alta velocidad corta las palas de la turbina con precisión, reduce la vibración y la deformación, garantiza superficies lisas y mejora la precisión de las alas.
Para lograr la precisión de las palas de la turbina, mejore el rendimiento de la fresadora de alta velocidad diseñando ángulos geométricos y la estructura del cuerpo de la fresa.
El ángulo de hélice en el diseño de la fresa de alta velocidad acelera la descarga de viruta, mejora la precisión y protege el filo.
Procesamiento de piezas complejas en el ventilador del compresor
Los ventiladores de compresor de motores de aeronaves utilizan una aleación de titanio ligera y de alta resistencia, lo que exige fresas de alto rendimiento.
Un diseño de varilla larga de borde pequeño evita la desviación durante la rotación a alta velocidad, lo que permite un corte preciso de piezas complejas de ventiladores de aire presurizado.
El mecanizado de aleaciones de titanio genera tensión; los diseños de cortadores especiales equilibran las fuerzas de corte y reducen las fallas.
Diseño de pruebas de aplicaciones
Material de exámen
En este artículo, seleccionamos una parte del avión de pasajeros Air China C919 como muestra, con dimensiones de 75 mm × 54 mm × 15 mm.
En la prueba utilizamos la aleación de titanio TC4, que es una aleación de titanio bifásica de tipo α+β compuesta de Ti-6Al-4V.
Las ventajas de esta aleación de titanio incluyen alta resistencia, buena tenacidad a la fractura, alta templabilidad y un amplio rango de temperatura de forja.
Los cigüeñales y los discos compresores de los motores aeronáuticos utilizan en su mayoría productos semiacabados de aleación de titanio TC4, como piezas forjadas y bielas.
El tratamiento térmico ajusta la resistencia, tenacidad y plasticidad de las aleaciones TC4 y permite diversas formas de soldadura.
La Tabla 1 muestra las propiedades del material de la aleación de titanio TC4.
En las piezas de procesamiento de 3 orificios (diámetro de tamaño de 3 mm), su función principal es utilizar los tornillos en el medidor de fuerza para fijar la pieza de prueba TC4.
Selección de herramientas de fresado de alta velocidad
La Figura 1 muestra la herramienta utilizada para la prueba. Antes del fresado a alta velocidad, seleccione el plano de fresado y la periferia de los parámetros de la herramienta como se muestra en la Tabla 2.
(a) Herramienta a; (b) Herramienta b
Según la Tabla 2, el diámetro de la fresa a es de 6 mm y el diámetro de la fresa b es de 8 mm, ambos pertenecen a fresas de carburo sólido.
Las herramientas A y B comparten los mismos ángulos axiales y radiales hacia adelante, chaflán de punta, ancho de chaflán, diámetro de contacto de la cara y filos de corte efectivos.
Programa de prueba
El centro CNC HARTING fresa la aleación de titanio TC4 y el dinamómetro de tres componentes Kistler mide la fuerza de fresado.
Tres tornillos M3 fijan la muestra TC4 en el dinamómetro Kistler y un accesorio sujeta el dinamómetro al centro de fresado CNC.
Procedimiento de prueba
Realizamos pruebas de fresado escalonado en una muestra de aleación TC4 durante el proceso de fresado planar.
Realizamos la prueba de fresado de alta velocidad de profundo a superficial en un lado de la muestra de aleación de titanio.
En el fresado de agujeros, la broca en polvo SG-ESS perfora el agujero inferior, luego la herramienta A fresa paso a paso con avance axial, realizando un fresado de alta velocidad desde lo superficial a lo profundo.
Análisis de los resultados de las pruebas
Análisis de datos de los resultados del plano de fresado de la herramienta a
La topografía de la superficie de fresado de alta velocidad refleja con precisión la estabilidad del mecanizado y la calidad de la herramienta.
En este artículo se observa y analiza la topografía de molienda recolectada con la ayuda de un microscopio electrónico de barrido de filamento de tungsteno (modelo S-3400II).
Durante el fresado de alta velocidad, la rotación y la traslación de la herramienta a crean áreas de corte de entrada, intermedias y de corte de salida en la superficie de la muestra (Fig. 2).
La observación detallada de la morfología del fresado revela la fuerza de la herramienta, el desgaste y la eliminación de material, lo que proporciona una base para optimizar los parámetros de fresado de alta velocidad.
Medición de la rugosidad de la superficie
La rugosidad de la superficie de la muestra después del fresado a alta velocidad se mide con el perfilador de rugosidad JB-5C.
Cada grupo de prueba mide tres veces a lo largo del avance de la herramienta en los 5 mm centrales; el promedio arroja la rugosidad final.
La influencia de los parámetros de fresado de alta velocidad en la rugosidad de la superficie de la muestra se muestra en la Figura 3.
Las pruebas 3, 5, 6 y 9 muestran valores de rugosidad superficial Ra más elevados, siendo el grupo 3 el que tiene el más alto, 4.15 μm.
El análisis de datos muestra que el fresado de aleación de titanio TC4 con las herramientas a y b aumenta la rugosidad de la superficie a medida que aumenta la profundidad de fresado.
Aumentar la profundidad de fresado aumenta la fuerza de corte, lo que provoca una mayor vibración de la herramienta y más marcas de mecanizado, que aumentan la rugosidad de la superficie.
Comparación antes y después de la optimización del algoritmo genético
Aumente la velocidad del husillo a 1000 rpm, aumente el ancho de corte en 2 mm, aumente la profundidad de corte en 2 mm y reduzca la alimentación por diente en 0.04 mm.
La observación muestra que aumentar la velocidad de corte aumenta el ángulo de corte pero disminuye el coeficiente de deformación de corte en el fresado de aleaciones de titanio.
El fresado de alta velocidad evita la deformación de la aleación de titanio, reduce la fricción entre la herramienta recubierta y la viruta y disminuye la generación de calor.
Los algoritmos genéticos optimizan los parámetros de fresado para mejorar la eficiencia, la calidad y la vida útil de la herramienta.
En este artículo se aplica un algoritmo genético para optimizar los parámetros de molienda.
Utilizando la plataforma de prueba de calidad de superficie, probamos la superficie de la muestra TC4 antes y después de la optimización del algoritmo genético; los resultados aparecen en la Figura 4.
La optimización del algoritmo genético puede hacer que la configuración de los parámetros de molienda sea razonable y más efectiva.
Y la rugosidad de la superficie de la estructura de aleación de titanio se reduce obviamente, y la rugosidad de la superficie también se reduce de los 1.126 μm originales a 0.838 μm.
Después de la optimización, el espaciado de la trayectoria de la herramienta y la altura de la textura de la muestra TC4 disminuyen significativamente.
Efecto sobre el desgaste de la herramienta
Utilice parámetros de herramienta adecuados y enfriamiento con queroseno para fresar aleación TC4 con un cortador revestido en 150 pruebas durante 43.8 minutos; 450,000 toneladas de acero laminado.
El acero laminado fue de 450,000 toneladas. La evaluación incluyó la estabilidad de la precisión del control, la fiabilidad del funcionamiento del equipo, la frecuencia de fallos y otros indicadores.
La evaluación de la precisión del control muestra que la fuerza de rodadura, la velocidad y la tensión fluctúan dentro de los límites establecidos sin deterioro.
La confiabilidad del funcionamiento del equipo se refleja en la baja tasa de fallas y el tiempo promedio de funcionamiento sin problemas se extiende 2.5 veces.
La coordinación de los componentes del sistema es buena y no hay fallas de coordinación.
El análisis de la vibración, la temperatura y el desgaste confirma que el sistema se mantiene en buen estado.
El software del sistema de control se ejecuta de manera estable sin fallas del programa ni pérdida de datos.
El sistema tiene una fuerte capacidad antiinterferencias y mantiene un funcionamiento estable en condiciones de trabajo fluctuantes.
Se ha mejorado el grado de automatización del proceso de producción y se ha reducido significativamente la frecuencia de intervención del operador.
Se redujo la carga de trabajo de mantenimiento del sistema y el consumo de repuestos disminuyó en un 36%.
Mediante la evaluación de la estabilidad del sistema, se verifica que el efecto de las medidas de optimización sea duradero y confiable.
La evaluación utiliza métodos estadísticos y una base de datos de índices para respaldar una mayor optimización.
Conclusión
Optimice la automatización del laminado de acero mejorando la estructura del sistema y los parámetros de control con estrategias avanzadas para mejorar el rendimiento general.
El sistema optimizado funciona bien en estabilidad de velocidad, control de fuerza y respuesta de tensión.
Los datos de pruebas muestran mejoras significativas en la calidad, la eficiencia y la confiabilidad.
La evaluación del funcionamiento a largo plazo para verificar que el programa de optimización tenga importantes aplicaciones de ingeniería.
Las investigaciones futuras se centrarán en mejorar los algoritmos de control inteligente y la cooptimización de múltiples sistemas para mejorar el proceso de laminación.
PREGUNTAS MÁS FRECUENTES:
El corte de alta velocidad mejora la eficiencia del mecanizado, reduce los costos de producción y garantiza la alta precisión y calidad de superficie necesarias para componentes aeronáuticos complejos fabricados con materiales como aleaciones de titanio.
Las aleaciones de titanio presentan una alta resistencia y dureza, lo que dificulta su mecanizado. Provocan un desgaste significativo de las herramientas, generan altas temperaturas y son propensas a deformarse si no se procesan correctamente.
Las herramientas de corte de alta velocidad son herramientas especializadas, diseñadas para altas velocidades de rotación, avances rápidos y grandes profundidades de corte. Deben soportar calor y vibraciones intensos, manteniendo la precisión y la durabilidad.
Las herramientas de corte de alta velocidad generalmente están hechas de diamante, CBN (nitruro de boro cúbico), PCD (diamante policristalino), cerámica o carburo recubierto, según el material de la pieza de trabajo y las condiciones de corte.
Para placas de pared delgada, el fresado a alta velocidad minimiza la deformación y mejora el acabado superficial. Para vigas complejas de aleación de titanio, las fresas de carburo recubiertas reducen el desgaste de la herramienta y cumplen con los estrictos requisitos de tolerancia.
Los fabricantes utilizan fresas de alta velocidad con ángulos de hélice optimizados para mejorar la descarga de viruta, reducir la vibración y garantizar la precisión dimensional y la suavidad de la superficie en aleaciones de alta temperatura.
Los ventiladores de compresor de aleación de titanio requieren cortadores de varilla larga con filos finos para evitar la deflexión. Los diseños especiales de herramientas equilibran las fuerzas de corte y reducen la tensión de mecanizado para garantizar la precisión y fiabilidad de las piezas.
Los algoritmos genéticos optimizan los parámetros de fresado (velocidad del husillo, profundidad/ancho de corte, velocidad de avance) para mejorar la calidad de la superficie, reducir el desgaste de la herramienta y aumentar la eficiencia de corte en el mecanizado de aleaciones de titanio.
Los parámetros de fresado optimizados redujeron la rugosidad de la superficie de 1.126 μm a 0.838 μm, mejoraron la uniformidad de la textura y mejoraron la calidad general de la superficie manteniendo la estabilidad del corte.
El sistema optimizado mostró un funcionamiento estable, un menor desgaste de las herramientas, un mayor tiempo sin problemas, una menor carga de trabajo de mantenimiento y una automatización mejorada con menor intervención del operador y consumo de repuestos.
