La technologie de traitement haute performance est une technologie clé pour le traitement de pièces aérospatiales critiques, conduisant l’industrie aéronautique vers une efficacité de production et une qualité de traitement plus élevées. Cette technologie fournit un support technique pour le développement de haute qualité de pièces aérospatiales critiques en améliorant l'efficacité de la production et la précision du processus de traitement. Les avantages et les domaines d'application de la technologie d'usinage haute performance sont présentés et les progrès de la recherche des chercheurs en technologie d'usinage haute performance dans le domaine aérospatial sont résumés, notamment la technologie d'usinage à grande vitesse (HSM), la technologie d'usinage à liaison multi-axes, technologie de micro-usinage et traitement typique des matériaux aérospatiaux. Dans le même temps, les défis et les tendances de développement auxquels la technologie pourrait être confrontée à l'avenir sont également prospectés.
Préface
01
L'industrie aérospatiale est à la pointe des technologies de traitement de haute performance et a des exigences strictes en matière de performances et de précision des pièces mécaniques, en particulier celles utilisées dans des conditions difficiles telles que des températures et des pressions élevées [1]. La fabrication de ces pièces s'appuie sur des technologies d'usinage haute performance précises et fiables, telles que l'usinage à grande vitesse, l'usinage multi-axes, le micro-usinage et le traitement de matériaux typiques de l'aérospatiale. Ces technologies améliorent non seulement l'efficacité de la production et réduisent les coûts, mais garantissent également la qualité et les performances des pièces [2].
Dans le domaine aérospatial, les pièces clés telles que les roues, les aubes, les carters et les pièces à paroi mince sont généralement constituées d'alliages hautes performances, avec des conceptions complexes et des exigences de précision extrêmement élevées [3]. De plus, ces pièces sont sujettes à la déformation pendant le traitement, en particulier les pièces à paroi mince, c'est pourquoi une technologie de traitement haute performance est très importante lors de la fabrication de ces pièces critiques. Ces technologies peuvent non seulement gérer des matériaux difficiles à usiner, mais également garantir la qualité et les performances des produits dans des environnements de travail extrêmes et des exigences de conception complexes, tout en atteignant une précision d'usinage de l'ordre du micron à l'échelle nanométrique [4], en particulier dans la production de roues, d'aubes et de carters. En termes d'objets critiques et lourds, il a démontré des avantages significatifs.
En résumé, l’application d’une technologie de traitement haute performance dans le domaine aérospatial améliore non seulement l’efficacité de la fabrication et la qualité des produits, mais stimule également le développement de nouveaux matériaux et de conceptions innovantes. Ceci est essentiel pour répondre aux normes strictes et aux exigences de fabrication complexes de l’industrie aérospatiale.
Connotation de traitement technique haute performance
02
La technologie d'usinage haute performance est une technologie d'ingénierie qui intègre des éléments clés tels que la technologie d'usinage à grande vitesse (HSM), la technologie d'usinage à liaison multi-axes, la technologie de micro-usinage et la technologie des matériaux difficiles à usiner, visant à améliorer l'efficacité du traitement des matériaux. , précision et performance. Le cadre est illustré à la figure 1. Dans le domaine aérospatial, ces technologies sont utilisées pour fabriquer des pièces très demandées afin de répondre aux exigences de complexité et de fiabilité, entraînant ainsi l'avancement continu de la technologie de fabrication dans ce domaine.
Figure 1 Cadre technologique d'usinage haute performance
2.1 Technologie de traitement à grande vitesse
La technologie d'usinage à grande vitesse dans le secteur aérospatial joue un rôle clé dans la production de pièces complexes et de précision. Il raccourcit le cycle de production et améliore la qualité de surface des pièces en augmentant le taux d'enlèvement de matière et en optimisant le parcours d'usinage. Dans le fraisage à grande vitesse, des fraises à bout sphérique solides et indexables sont utilisées pour traiter des structures complexes sur des surfaces convexes et concaves et des fraiseuses CNC à cinq axes. Les opérations de fraisage sont représentées sur la figure 2, qui reflète la diversité et la complexité de la technologie [4].
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a) Fraisage d'une surface convexe b) Fraisage d'une surface concave
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c) Fraisage de structures complexes
Figure 2 Traitement de fraisage dans différentes conditions de travail [4]
Pour le matériau spécifique, l'alliage de titane TC4, Wang Sheng et al. [5] ont obtenu des améliorations significatives de l'efficacité du traitement et de la qualité de surface en optimisant les paramètres de fraisage des outils PCD. Les recherches de LUIS et al. [6] ont constaté que dans le fraisage de surfaces complexes, la profondeur radiale maximale, la quantité d'avance et la stratégie de coupe vers le bas sont cruciales pour améliorer la qualité de surface et la productivité. VOGEL et coll. [7] ont développé un porte-outil avancé avec une structure interne de remplissage de particules. Le porte-outil a été testé pour le tournage chez Monfort Company, comme le montre la figure 3. En réduisant les vibrations lors de l'usinage de l'alliage de titane, l'efficacité de l'usinage et le porte-outil ont été améliorés. vie.
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a) Configuration des tests
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b) Structure du manche de l'outil
Figure 3 Configuration de test de porte-outil remplie et structure du porte-outil [7]
De plus, l'application de systèmes de FAO avancés, tels que Mastercam, UnigraphicsNX et CATIA, fournit diverses stratégies de trajectoire d'outil pour l'usinage [8]. HASCOET et RAUCH [9] ont utilisé le contrôleur OpenNC et l'interpolation de trajectoire d'outil NURBS pour améliorer encore la qualité et l'efficacité de l'usinage à grande vitesse, apportant ainsi des progrès significatifs à l'industrie aérospatiale.
2.2 Technologie de traitement de liaison multi-axes
Dans l'industrie aérospatiale, la technologie d'usinage à liaison multi-axes, en particulier l'application de machines-outils CNC à quatre et cinq axes, a considérablement amélioré l'efficacité de la production et la qualité des pièces clés et a apporté une innovation significative.
En termes de recherche d'applications spécifiques, FAN et al. [10] ont développé une méthode d'usinage à cinq axes spécifiquement pour les roues centrifuges. Cette méthode divise la roue en différentes zones et optimise la trajectoire de l'outil pour obtenir un fraisage précis et efficace. MHAMDI et coll. [11] ont développé un modèle dynamique pour le fraisage multi-axes des pales de moteurs d'avion Ti-6Al-4V, obtenant une meilleure précision et une meilleure qualité de surface dans la fabrication des pales et résolvant des problèmes complexes de forme et de matériaux. Chen Kaihang [12] a développé une méthode de planification de la vitesse en temps semi-réel pour l'usinage CNC des turbines à cinq axes, qui a amélioré efficacement la qualité et l'efficacité du traitement et a répondu aux besoins réels du projet. En prenant la roue intégrale semi-ouverte comme exemple, le site de traitement de la liaison multi-axes et les échantillons sont illustrés à la figure 4.
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a) Processus de finition de la turbine
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b) Roue intégrale semi-ouverte
Figure 4 : Site de traitement de liaison multi-axes et exemples de pièces
De plus, Wenhao et al. [13] ont développé une nouvelle méthode pour générer des vecteurs d'axe d'outil pour l'usinage de surfaces de grille afin d'améliorer l'efficacité et la précision de la découpe CNC multi-axes. Wang Bo et coll. [14] ont développé une méthode de modélisation de la trajectoire des micro-éléments de l'arête de coupe dans une fraise sphérique multi-axes. Ils ont construit un modèle dynamique intégrant les caractéristiques géométriques des outils pour prédire avec précision les forces de fraisage.
La technologie d'usinage à liaison multi-axes est de plus en plus utilisée dans le domaine aérospatial, et son amélioration de l'efficacité de la production et de la qualité de fabrication ne peut être ignorée. Le développement et l’application de cette technologie ont ouvert une nouvelle voie pour davantage d’innovation dans l’industrie aérospatiale à l’avenir.
2.3 Technologie de micro-usinage
Dans le domaine aérospatial, les technologies de micro-usinage, notamment le micro-fraisage, le micro-usinage par électroérosion, le micro-usinage laser et l'usinage par ultrasons, jouent un rôle essentiel. Ces technologies jouent un rôle clé dans la fabrication de composants microscopiques aux formes complexes et aux exigences de haute précision.
La technologie du microfraisage présente des avantages dans la fabrication de micro-composants de haute précision et de géométries complexes. Tian Lu et coll. [15] ont progressé dans l'optimisation de l'épaisseur minimale de coupe et de la force de coupe, tandis que LI et al. [16] ont développé un nouveau matériau d'outil céramique micro-nano composite Ti(C, N)/WC pour les micro-fraises. /ZrO2, améliore efficacement la résistance à la flexion, la ténacité et la dureté des outils de coupe. De plus, Zhang Xinxin et al. [17] ont optimisé les paramètres de coupe par micro-fraisage à grande vitesse de matériaux résistants tels que l'alliage de titane et l'acier inoxydable, améliorant ainsi la qualité de surface et l'efficacité du traitement de ces matériaux difficiles à usiner.
Dans le domaine de l'usinage par micro-électroérosion, Tagawa [18] a confirmé l'effet de l'usinage par micro-électroérosion sur l'amélioration de l'efficacité du traitement et de la qualité de surface de l'alliage de titane Ti-6Al-4V. LIN et coll. [19] ont optimisé l'EDM de micro-fraisage de l'Inconel 718 grâce à la méthode Taguchi, obtenant un équilibre entre l'usure des électrodes, le taux d'enlèvement de matière et l'espace de travail, améliorant ainsi l'efficacité de coupe. HUU et coll. [20] ont utilisé des électrodes recouvertes de carbone pour améliorer l'efficacité du traitement des alliages de titane, démontrant ainsi le potentiel de l'usinage sans contact dans les matériaux durs. Les recherches de GARZON et al. [21] se concentre sur la technologie de mesure de force en micro-EDM, qui permet une surveillance plus précise du processus d'usinage. La plate-forme de traitement combinée construite et optimisée pour cet appareil sur la machine-outil Sarix sx200 est illustrée à la figure 5.
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Figure 5 Machine-outil de traitement combinée : micro fraisage + micro EDM [21]
Le développement de la technologie de micro-usinage laser a considérablement amélioré les performances de traitement local de divers matériaux. Comme le montrent les recherches de CHAVOSHI [22], le traitement local de divers matériaux via des faisceaux laser à haute énergie a amélioré les performances de traitement. Xiao Qiang et coll. [23] ont fabriqué avec succès des structures micro-nano en utilisant le traitement laser femtoseconde. SOLEIL et coll. [24] ont utilisé la µCT pour détecter les défauts vides dans le Ti-6Al-4V fabriqué par fabrication additive laser, ce qui a fourni des informations importantes pour l'assurance qualité aérospatiale.
Dans le même temps, la technologie de traitement par ultrasons a également réalisé des progrès importants. La technologie de découpe par ondes ultrasoniques à grande vitesse développée par Peng Zhenlong et al. [25] ont amélioré la vitesse de coupe et l'efficacité des matériaux difficiles à usiner, tandis que ZHAO et al. [26] ont utilisé un dispositif RUVAG auto-développé basé sur la vibration de la pièce pour effectuer un seul test de broyage de grains CBN. , visant à révéler le mécanisme d'enlèvement de matière et les performances d'usure des grains de CBN par vibration ultrasonore radiale. La méthode de perçage par picage assistée par ultrasons (UPD) proposée par LIU et al. [27] ont amélioré efficacement l’efficacité et la qualité du perçage des matériaux stratifiés CFRP/Ti.
L'application complète des technologies de découpe par micro-usinage démontre non seulement leurs avantages uniques, mais montre également un grand potentiel dans la fabrication de micro-composants de haute précision et de conceptions complexes. À mesure que la technologie de micro-découpe continue de se développer, elle continuera de promouvoir les progrès dans l’aérospatiale et d’autres industries de fabrication de précision.
2.4 Matériaux typiques de l'aviation difficiles à traiter
Dans l'industrie aérospatiale, la recherche sur les technologies d'usinage de précision pour les matériaux généralement difficiles à usiner tels que les alliages de titane, les alliages d'aluminium et les composites en fibre de carbone est cruciale. Ces matériaux jouent un rôle important dans la fabrication de pièces aéronautiques critiques en raison de leur excellente résistance mécanique et de leur résistance à la corrosion, mais ils posent également des problèmes de traitement.
Dans le domaine du traitement des alliages de titane, Tian Rongxin et al. [28] ont proposé une méthode d'optimisation des paramètres de processus pour le broyage à grande vitesse de l'alliage de titane TC11. Liu Peng et coll. [29] ont développé un modèle mathématique pour optimiser la force de coupe du fraisage à grande vitesse de l'alliage de titane TA15 avec des outils PCD et ont vérifié son efficacité. HOURMAND et coll. [30] ont constaté que les outils revêtus de carbure de tungstène (WC ou WC/Co) étaient plus performants en termes d'usure, de douceur, de durée de vie et de friction que les outils non revêtus. EZUGWU et coll. [31] ont découvert grâce à des recherches que lors de l'utilisation d'outils PCD pour le tournage de précision à grande vitesse TC4, le fluide de coupe à haute pression peut améliorer considérablement la douceur de la surface et la durée de vie de l'outil et réduire les dommages physiques. De plus, Yao Jun et al. [32] ont efficacement amélioré l'efficacité du traitement et réduit les coûts de l'alliage de titane TB6 en appliquant la technologie de coupe électrolytique par vibration.
En termes de traitement des alliages d'aluminium, DONG et al. [33] se sont concentrés sur l'étude de l'usure des outils diamantés dans l'usinage de précision, mettant en évidence l'influence du jeu de l'outil et de la vitesse d'avance. WANG et coll. [34] ont étudié le traitement de coupe de l'alliage d'aluminium 7050-T7451 et ont montré que des angles de coupe plus grands et des copeaux plus épais peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie, permettant ainsi une fabrication plus efficace et plus respectueuse de l'environnement. De plus, JAROSZ et al. [35] ont considérablement réduit le temps de traitement de l'alliage d'aluminium AL-6061-T6 (environ 37 %) et amélioré l'efficacité du traitement en optimisant les paramètres de surfaçage CNC.
De plus, pour le traitement des matériaux en fibre de carbone aérospatiale, WU et al. [36] ont développé des outils de coupe en diamant polycristallin pour les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP), qui ont amélioré l'efficacité et la qualité de coupe. Le modèle stochastique développé par ZHANG et al. [37] peuvent prédire avec précision la force de coupe lors du fraisage de matériaux composites renforcés de fibres, ce qui est d'une grande importance pour améliorer la précision et l'efficacité du traitement des matériaux composites. WU et coll. [38] ont utilisé des modèles d'éléments finis et le logiciel Deform 3D pour effectuer une analyse de simulation afin de résoudre le problème de forage et d'améliorer la qualité du traitement.
En résumé, dans le domaine aérospatial, la technologie de traitement des matériaux typiques difficiles à usiner est la clé pour parvenir à une fabrication haute performance de pièces aérospatiales critiques. Le développement de ces technologies de découpe améliore non seulement l'efficacité et la précision du traitement, mais ouvre également de nouvelles possibilités pour la découpe, le traitement et le formage d'autres nouveaux matériaux difficiles à usiner.
Cas d’application d’usinage à technologie haute performance
03
3.1 Usinage multi-axes des aubes de roue
En prenant comme exemple l'usinage à cinq axes d'une roue intégrale d'aviation, la méthode de fraisage de la géométrie de surface complexe des aubes de roue intégrées est considérée à l'avance, et la méthode de fraisage par points et la méthode de fraisage latéral sont utilisées. Ensuite, envisagez la sélection des outils de coupe lors de la finition des lames adjacentes pour éviter les sur-dépouilles et les sous-dépouilles, puis sélectionnez une fraise à queue conique et combinez-la avec la fonction d'analyse de distance de CAO pour l'analyse. Ensuite, la trajectoire de position de l'outil est conçue via le mode "blisk" du logiciel PowerMill. Enfin, afin de garantir la sécurité et la fiabilité de l'usinage à cinq axes, le logiciel de simulation VERICUT est utilisé pour simuler l'usinage global de la roue afin de garantir que l'usinage est sûr et fiable et répond aux exigences de taille et de précision [39]. Les principales questions et méthodes sont résumées ci-dessous.
1) Assurer l’efficacité et la précision globales du traitement de la turbine est la clé de la technologie de traitement. La méthode de fraisage ponctuel et la méthode de fraisage latéral sont utilisées dans le processus de fraisage, et la surface incurvée de la lame est traitée étape par étape le long de la direction profilée de la lame par contact ponctuel et par contact linéaire. L'utilisation de cette méthode de traitement garantit l'efficacité du traitement et la qualité de la surface.
2) Pour éviter que l'outil ne coupe trop ou pas assez lors de la finition des lames adjacentes, combinez l'analyse de la fraise à queue conique et le logiciel de CAO pour déterminer l'espacement minimum des lames, réservez la surépaisseur d'usinage et l'angle d'oscillation de l'axe de la fraise, ce qui améliore non seulement l'efficacité du traitement, mais la rigidité de l'outil est également améliorée.
3) La conception raisonnable du parcours de l'outil est l'étape la plus importante de l'usinage multi-axes. Utilisez le module « blisk » du logiciel PowerMill pour construire des surfaces auxiliaires grâce à des paramètres paramétrés et à la conception de stratégies, et effectuez des inspections de collision et de surcoupe pour formuler des trajectoires de position d'outil efficaces et raisonnables et obtenir de bons résultats dans le traitement réel ultérieur.
4) Afin de garantir la sécurité et la fiabilité de l'usinage à cinq axes, le logiciel de simulation VERICUT est utilisé pour simuler l'environnement d'usinage réel et l'outillage de processus, et combiné à la trajectoire de l'outil dans le programme CNC, la faisabilité du traitement de la roue globale est vérifié.
3.2 Traitement des pièces annulaires à paroi mince et de haute dureté du carter de moteur
Compte tenu des problèmes de déformation, de vibration et de qualité de surface susceptibles de se produire lors du traitement de l'anneau de montage de structure de forme spéciale à paroi mince du carter de moteur d'avion, un certain nombre de mesures ont été prises pour empêcher la déformation. Tout d’abord, le processus de fraisage grossier est ajouté pour libérer à l’avance la contrainte d’usinage. Deuxièmement, l'outillage d'expansion de la structure du diaphragme élastique et la méthode de traitement de tournage cycloïdal sont utilisés pour éviter efficacement la déformation des pièces. Enfin, le tournage au lieu du meulage est utilisé pour garantir la qualité de surface et la taille du revêtement, résolvant ainsi les problèmes clés de l'usinage [40]. Les principales questions et méthodes sont résumées ci-dessous.
1) Il est essentiel de réduire les contraintes et les déformations lors du traitement ultérieur et d’améliorer l’efficacité et la qualité de l’ensemble du processus de fabrication. L'excès de matériau sur la face d'extrémité est éliminé lors du processus de fraisage grossier pour libérer les contraintes de traitement et réduire la déformation, tout en laissant la marge nécessaire pour la finition. Ce processus améliore non seulement l'efficacité du traitement, mais réduit également les contraintes internes grâce à un recuit de détente, garantissant ainsi la précision et la qualité des pièces.
2) Afin de résoudre le problème de déformation grave des pièces pendant le traitement. En concevant des outils spéciaux et en adoptant une technologie de tournage efficace (voir Figure 6), la déformation pendant le traitement est efficacement contrôlée, garantissant ainsi la précision du traitement et la qualité des pièces. Cette méthode convient au traitement de pièces de forme spéciale à parois minces de haute dureté similaires, ce qui peut améliorer l'efficacité du traitement et réduire l'usure des outils tout en garantissant la qualité de surface et la taille du revêtement.
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a) Pince à structure de serrage élastique
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b) Diagramme de tournage trochoïdal
Figure 6 : Montage et tournage cycloïde [40]
3) Afin de résoudre le problème selon lequel le processus de meulage produit de grandes vibrations, ce qui provoque des marques de vibration sur la surface du revêtement et rend difficile le respect des exigences de rugosité de la surface, le processus de tournage est adopté à la place, en utilisant des outils de tournage spéciaux et un traitement raisonnable. .
paramètres de traitement. Par rapport au meulage des meules, la zone de contact du revêtement tournant est plus petite, ce qui réduit efficacement les vibrations, améliore la qualité de surface et la précision dimensionnelle du revêtement et répond aux exigences de fabrication.
Conclusion
04
Cet article fournit un aperçu complet des technologies d'usinage haute performance dans le domaine aérospatial, soulignant le rôle important de ces technologies dans la fabrication aérospatiale. Il a souligné l'importance de la technologie d'usinage de haute performance pour améliorer l'efficacité de la production et la qualité des pièces critiques et garantir les performances dans des conditions extrêmes, puis a présenté des exemples d'application spécifiques pour démontrer le rôle de ces technologies dans l'amélioration de la précision de l'usinage et la réduction des déformations et des vibrations. avantages significatifs. Cependant, dans le domaine aérospatial en développement rapide, la technologie de traitement haute performance est encore confrontée à de nombreux défis. La future industrie manufacturière aérospatiale se concentrera sur l’intégration de technologies innovantes telles que les jumeaux numériques et la fabrication intelligente, tout en se concentrant sur la durabilité environnementale et en promouvant le développement de matériaux et de processus plus écologiques. Des technologies plus efficaces, intelligentes et respectueuses de l’environnement seront le moteur de l’arrivée d’une nouvelle ère. .
