고성능 가공 기술은 중요한 항공우주 부품 가공을 위한 핵심 기술로, 항공 제조 산업을 더 높은 생산 효율성과 가공 품질로 이끌고 있습니다. 이 기술은 가공 공정의 생산 효율성과 가공 정확도를 향상시켜 핵심 항공우주 부품의 고품질 개발을 위한 기술 지원을 제공합니다. 고성능 가공기술의 장점과 응용분야를 소개하고, 고속가공기술(HSM), 다축연동 가공기술, 항공우주분야 고성능 가공기술 분야 학자들의 연구 진행 상황을 요약한다. 미세 가공 기술과 일반적인 항공우주 재료 가공. 동시에, 미래에 기술이 직면할 수 있는 과제와 개발 동향도 전망됩니다.
머리말
01
항공우주 제조 산업은 고성능 가공 기술의 선두에 있으며 기계 부품, 특히 고온 및 고압과 같은 가혹한 조건에서 사용되는 부품의 성능과 정확성에 대한 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다[1]. 이러한 부품의 제조는 고속 가공, 다축 가공, 미세 가공 및 일반적인 항공우주 재료 가공과 같은 정확하고 안정적인 고성능 가공 기술에 의존합니다. 이러한 기술은 생산 효율성을 향상시키고 비용을 절감할 뿐만 아니라 부품의 품질과 성능을 보장합니다[2].
항공우주 분야에서 임펠러, 블레이드, 케이싱 및 벽이 얇은 부품과 같은 핵심 부품은 일반적으로 복잡한 설계와 극도로 높은 정밀도 요구 사항을 충족하는 고성능 합금으로 제작됩니다[3]. 또한 이러한 부품, 특히 벽이 얇은 부품은 가공 중에 변형되기 쉽기 때문에 이러한 중요한 부품을 제조할 때 고성능 가공 기술이 매우 중요합니다. 이러한 기술은 가공하기 어려운 재료를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 극한의 작업 환경과 복잡한 설계 요구 사항에서 제품 품질과 성능을 보장하는 동시에 특히 임펠러, 블레이드 및 케이싱 생산에서 미크론에서 나노 규모의 가공 정확도[4]를 달성합니다. 중요하고 무거운 품목의 측면에서 상당한 이점이 입증되었습니다.
요약하면, 항공우주 분야에 고성능 가공 기술을 적용하면 제조 효율성과 제품 품질이 향상될 뿐만 아니라 신소재와 혁신적인 디자인 개발이 촉진됩니다. 이는 항공우주 제조 산업의 엄격한 표준과 복잡한 제조 요구 사항을 충족하는 데 중요합니다.
고성능 기술 처리 의미
02
고성능 가공기술은 고속가공기술(HSM), 다축연동가공기술, 미세가공기술, 난삭재기술 등 핵심요소를 융합하여 소재가공효율 향상을 목표로 하는 엔지니어링 기술이다. , 정확성 및 성능. 프레임워크는 그림 1에 나와 있습니다. 항공우주 분야에서 이러한 기술은 복잡성과 신뢰성 요구 사항에 대처하기 위해 수요가 높은 부품을 제조하는 데 사용되며 이 분야의 제조 기술의 지속적인 발전을 주도합니다.
그림 1 고성능 가공 기술 프레임워크
2.1 고속처리 기술
항공우주 분야의 고속 가공 기술은 정밀하고 복잡한 부품을 생산하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 재료 제거율을 높이고 가공 경로를 최적화하여 생산 주기를 단축하고 부품의 표면 품질을 향상시킵니다. 고속 밀링에서는 볼록한 표면과 오목한 표면의 복잡한 구조를 가공하는 데 솔리드 및 인덱서블 볼 노즈 엔드밀과 5축 CNC 밀링 머신이 사용됩니다. 밀링 작업은 그림 2에 나와 있으며 이는 기술의 다양성과 복잡성을 반영합니다[4].
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a) 볼록면 밀링 b) 오목면 밀링
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c) 밀링 복잡한 구조
그림 2 다양한 작업 조건에서의 밀링 가공 [4]
특정 재료 TC4 티타늄 합금에 대해서는 Wang Sheng et al. [5]는 PCD 도구의 밀링 매개변수를 최적화하여 처리 효율성과 표면 품질을 크게 향상시켰습니다. LUIS 등의 연구. [6]은 복잡한 표면 밀링에서 최대 반경 방향 깊이, 이송량 및 하향 절삭 전략이 표면 품질과 생산성을 향상시키는 데 중요하다는 것을 발견했습니다. VOGELet al. [7]은 내부 입자 충전 구조를 갖춘 고급 도구 홀더를 개발했습니다. 그림 3과 같이 툴 홀더는 Monfort Company에서 선삭 테스트를 거쳤습니다. 티타늄 합금 가공 중 진동을 줄여 가공 효율과 툴 홀더가 향상되었습니다. 삶.
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a) 테스트 설정
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b) 도구 핸들 구조
그림 3 채워진 툴홀더 테스트 설정 및 툴홀더 구조 [7]
또한 Mastercam, UnigraphicsNX 및 CATIA와 같은 고급 CAM 시스템의 적용은 가공을 위한 다양한 공구 경로 전략을 제공합니다[8]. HASCOET 및 RAUCH [9]는 OpenNC 컨트롤러와 NURBS 공구 경로 보간을 사용하여 고속 가공의 품질과 효율성을 더욱 향상시켜 항공우주 제조 산업에 상당한 발전을 가져왔습니다.
2.2 다축연동 가공기술
항공우주 산업에서는 다축 연동 가공 기술, 특히 4축 및 5축 CNC 공작 기계의 적용으로 핵심 부품의 생산 효율성과 품질이 크게 향상되고 획기적인 혁신을 가져왔습니다.
특정 응용 연구 측면에서 FAN et al. [10]은 원심 임펠러를 위해 특별히 5축 가공 방법을 개발했습니다. 이 방법은 임펠러를 여러 영역으로 나누고 공구 경로를 최적화하여 정확하고 효율적인 밀링을 달성합니다. MHAMDIet al. [11]은 항공기 엔진 블레이드 Ti{4}}Al-4V의 다축 밀링을 위한 동적 모델을 개발하여 블레이드 제조에서 더 나은 정확성과 표면 품질을 달성하고 복잡한 형상 및 재료 문제를 해결했습니다. Chen Kaihang [12]은 임펠러의 5축 연결 CNC 가공을 위한 반실시간 속도 계획 방법을 개발하여 가공 품질과 효율성을 효과적으로 개선하고 프로젝트의 실제 요구 사항을 충족했습니다. 반개방형 일체형 임펠러를 예로 들면, 다축 연동 가공 현장과 샘플이 그림 4에 나와 있습니다.
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a) 임펠러 마무리 공정
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b) 반 개방형 일체형 임펠러
그림 4: 다축연동 가공 현장 및 샘플 부품
또한, Wenhao et al. [13]은 다축 CNC 절단의 효율성과 정확성을 향상시키기 위해 그리드 표면 가공을 위한 공구 축 벡터를 생성하는 새로운 방법을 개발했습니다. Wang Boet al. [14]는 다축 볼 엔드 밀링에서 절삭날의 미세 요소 궤적을 모델링하는 방법을 개발했습니다. 그들은 밀링 력을 정확하게 예측하기 위해 공구의 기하학적 특성을 통합한 동적 모델을 구축했습니다.
다축 연동 가공 기술은 항공우주 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있으며, 생산 효율성과 제조 품질의 향상은 무시할 수 없습니다. 이 기술의 개발과 적용은 미래 항공우주 제조 산업에서 더 많은 혁신을 위한 새로운 길을 열었습니다.
2.3 미세가공 기술
항공우주 분야에서는 미세 가공 기술, 특히 미세 밀링, 미세 방전 가공, 레이저 미세 가공 및 초음파 가공이 중요한 역할을 합니다. 이러한 기술은 모양이 복잡하고 정밀도가 요구되는 미세한 부품을 제조하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
마이크로밀링 기술은 고정밀도와 복잡한 형상을 갖춘 마이크로 부품을 제조하는 데 이점을 보여줍니다. Tian Luet al. [15]는 최소 절단 두께와 절단 힘의 최적화에 진전을 보인 반면 LI et al. [16]은 마이크로 밀링 커터용 새로운 마이크로 나노 복합 세라믹 공구 재료 Ti(C, N)/WC를 개발했습니다. /ZrO2는 절삭 공구의 굽힘 강도, 인성 및 경도를 효과적으로 향상시킵니다. 또한, Zhang Xinxin et al. [17]은 티타늄 합금 및 스테인레스강과 같은 견고한 재료의 고속 마이크로 밀링 절삭 매개변수를 최적화하여 이러한 난삭재의 표면 품질과 가공 효율성을 향상시켰습니다.
미세 방전 가공 분야에서 Tagawa [18]는 미세 방전 가공이 Ti{3}}Al-4V 티타늄 합금의 가공 효율성과 표면 품질을 향상시키는 효과를 확인했습니다. LIN et al. [19]는 Taguchi 방법을 통해 Inconel 718의 마이크로 밀링 EDM을 최적화하여 전극 마모, 재료 제거 속도 및 작업 간격 간의 균형을 달성하여 절단 효율성을 향상시켰습니다. HUUet al. [20]은 티타늄 합금의 가공 효율성을 향상시키기 위해 탄소 코팅 전극을 사용하여 경질 재료의 비접촉 가공 가능성을 입증했습니다. GARZON 등의 연구. [21]은 가공 공정을 보다 정확하게 모니터링하는 micro-EDM의 힘 측정 기술에 중점을 둡니다. Sarix sx200 공작 기계에서 이 장치에 맞게 구축 및 최적화된 결합 처리 플랫폼이 그림 5에 나와 있습니다.
그림
그림 5 복합 가공 기계: 마이크로 밀링 + 마이크로 EDM [21]
레이저 미세 가공 기술의 발전으로 다양한 재료의 국부 가공 성능이 크게 향상되었습니다. CHAVOSHI[22]의 연구에서 볼 수 있듯이 고에너지 레이저 빔을 통한 다양한 재료의 국부 가공으로 가공 성능이 향상되었다. Xiao Qianget al. [23] 펨토초 레이저 가공을 사용하여 마이크로 나노 구조를 성공적으로 제조했습니다. SUNet al. [24]는 항공우주 품질 보증에 중요한 정보를 제공하는 레이저 적층 제조로 제조된 Ti{5}}Al-4V의 보이드 결함을 탐지하기 위해 µCT를 사용했습니다.
동시에 초음파 가공 기술도 중요한 진전을 이루었습니다. Peng Zhenlong 등이 개발한 고속 초음파 절단 기술. [25]는 가공이 어려운 재료의 절단 속도와 효율성을 향상시켰으며 ZHAO 등은 [26]은 단일 CBN 입자 연삭 테스트를 수행하기 위해 공작물 진동을 기반으로 자체 개발한 RUVAG 장치를 사용했습니다. , 방사형 초음파 진동에 의한 CBN 입자의 재료 제거 메커니즘 및 마모 성능을 밝히는 것을 목표로 합니다. LIU 등이 제안한 초음파 보조 페킹 드릴링(UPD) 방법. [27]은 CFRP/Ti 라미네이트 재료의 드릴링 효율성과 품질을 효과적으로 향상시켰습니다.
마이크로머시닝 절단 기술의 포괄적인 적용은 고유한 장점을 보여줄 뿐만 아니라 고정밀 및 복잡한 설계를 갖춘 마이크로 부품 제조에 큰 잠재력을 보여줍니다. 미세 절단 기술이 계속 발전함에 따라 항공우주 및 기타 정밀 제조 산업의 발전을 계속 촉진할 것입니다.
2.4 일반적인 항공 난가공 재료
항공우주 산업에서는 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 탄소섬유 복합재 등 일반적으로 가공이 어려운 소재의 정밀 가공 기술 연구가 매우 중요합니다. 이러한 소재는 우수한 기계적 강도와 내부식성으로 인해 중요한 항공 부품 제조에 중요한 역할을 하지만 가공상의 어려움도 초래합니다.
티타늄 합금 가공 분야에서는 Tian Rongxin et al. [28]은 TC11 티타늄 합금의 고속 밀링을 위한 공정 매개변수 최적화 방법을 제안했습니다. Liu Penget al. [29]는 PCD 공구를 사용하여 TA15 티타늄 합금의 고속 밀링 절삭력을 최적화하기 위한 수학적 모델을 개발하고 그 효율성을 검증했습니다. HOURMANDet al. [30]은 코팅된 텅스텐 카바이드(WC 또는 WC/Co) 공구가 코팅되지 않은 공구보다 마모, 부드러움, 수명 및 마찰 측면에서 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 발견했습니다. EZUGWUet al. [31]은 고속 정밀 터닝 TC4에 PCD 공구를 사용할 때 고압 절삭유를 사용하면 표면 평활도와 공구 수명을 크게 향상시키고 물리적 손상을 줄일 수 있다는 연구 결과를 얻었습니다. 또한 Yao Jun et al. 진동 전해 절단 기술을 적용하여 TB6 티타늄 합금의 가공 효율성을 효과적으로 향상시키고 비용을 절감했습니다.
알루미늄 합금 가공 측면에서 DONG et al. [33]은 정밀 가공에서 다이아몬드 공구 마모 연구에 중점을 두고 공구 간격과 이송 속도의 영향을 강조했습니다. 왕 외. [34]는 7050-T7451 알루미늄 합금의 절삭 가공을 연구하고 더 큰 경사각과 더 두꺼운 칩이 에너지 소비를 크게 줄여 보다 효율적이고 환경 친화적인 제조를 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 또한, JAROSZ et al. [35]는 AL-6061-T6 알루미늄 합금 가공 시간(약 37%)을 크게 줄이고 CNC 페이스 밀링 매개변수를 최적화하여 가공 효율성을 향상시켰습니다.
또한, 항공우주 탄소섬유 소재 가공에 대해서는 WU et al. [36]은 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)용 다결정 다이아몬드 절단 도구를 개발하여 절단 효율성과 품질을 향상시켰습니다. ZHANG 등이 개발한 확률론적 모델. [37]은 섬유강화 복합재료 밀링의 절단력을 정확하게 예측할 수 있으며 이는 복합재료의 가공 정확도와 효율성을 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다. WUet al. [38]은 드릴링 문제를 해결하고 처리 품질을 향상시키기 위해 시뮬레이션 분석을 수행하기 위해 유한 요소 모델과 Deform 3D 소프트웨어를 사용했습니다.
요약하자면, 항공우주 분야에서는 일반적인 난삭재 가공 기술이 중요한 항공우주 부품의 고성능 제조를 달성하는 데 핵심입니다. 이러한 절단 기술의 개발은 가공 효율성과 정확성을 향상시킬 뿐만 아니라 기타 난삭재의 절단, 가공 및 성형에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다.
고성능 기술 가공 적용 사례
03
3.1 임펠러 블레이드의 다축 가공
항공 일체형 임펠러의 5축 가공을 예로 들면 일체형 임펠러 블레이드의 복잡한 표면 형상의 밀링 방식을 미리 고려하고 포인트 밀링 방식과 사이드 밀링 방식을 사용한다. 그런 다음 과절삭과 언더절삭을 방지하기 위해 인접 블레이드 정삭 시 절삭 공구 선택을 고려하고, 테이퍼 섕크 밀링 커터를 선택하고 CAD의 거리 분석 기능과 결합하여 분석합니다. 그런 다음 PowerMill 소프트웨어의 "블리스크" 모드를 통해 도구 위치 궤적이 설계됩니다. 마지막으로 5축 가공의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 시뮬레이션 소프트웨어 VERICUT을 사용하여 전체 임펠러 가공을 시뮬레이션하여 가공이 안전하고 신뢰할 수 있으며 크기 및 정확도 요구 사항을 충족하는지 확인합니다[39]. 주요 이슈와 방법을 정리하면 다음과 같다.
1) 전체적인 임펠러 가공 효율과 정확성을 확보하는 것이 가공 기술의 핵심입니다. 밀링 공정에는 포인트밀링(Point Milling) 방식과 사이드밀링(Side Milling) 방식이 사용되며, 블레이드 곡면은 점접촉과 선접촉을 거쳐 블레이드 유선방향을 따라 단계별로 가공된다. 이 처리 방법을 사용하면 처리 효율성과 표면 품질이 보장됩니다.
2) 인접한 블레이드를 정삭하는 동안 공구가 과도하게 절단되거나 언더컷되는 것을 방지하려면 테이퍼 생크 엔드밀 분석과 CAD 소프트웨어를 결합하여 블레이드의 최소 간격을 결정하고 가공 공차와 커터 축의 스윙 각도를 예약합니다. 이는 가공 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 공구 강성도 향상됩니다.
3) 다축가공에서는 공구경로의 합리적인 설계가 가장 중요하다. PowerMill 소프트웨어의 "blisk" 모듈을 사용하여 매개변수화된 설정 및 전략 설계를 통해 보조 표면을 구성하고 충돌 및 오버컷 검사를 수행하여 효율적이고 합리적인 도구 위치 궤적을 공식화하고 후속 실제 처리에서 좋은 결과를 얻습니다.
4) 5축 가공의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 VERICUT 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 실제 가공 환경과 공정 툴링을 시뮬레이션하고 CNC 프로그램의 공구 궤적과 결합하여 전체 임펠러 가공의 타당성을 확보합니다. 확인되었습니다.
3.2 엔진 케이싱의 고경도 박벽 링 부품 가공
항공기 엔진 케이싱의 얇은 벽 특수 형상 구조 장착 링을 가공하는 동안 발생하기 쉬운 변형, 진동 및 표면 품질 문제를 고려하여 변형을 방지하기 위한 여러 가지 조치가 취해졌습니다. 먼저, 가공 응력을 미리 해소하기 위해 황삭 밀링 공정을 추가합니다. 둘째, 탄성 다이어프램 구조 확장 툴링과 사이클로이드 선삭 가공 방법을 사용하여 부품 변형을 효과적으로 방지합니다. 마지막으로 연삭 대신 선삭을 사용하여 코팅의 표면 품질과 크기를 보장함으로써 가공의 주요 문제를 해결합니다[40]. 주요 이슈와 방법을 정리하면 다음과 같다.
1) 후속 가공 시 응력과 변형을 줄이고 전체 제조 공정의 효율성과 품질을 향상시키는 것이 핵심입니다. 단면의 잉여 소재는 황삭 밀링 공정을 통해 제거되어 가공 응력을 완화하고 변형을 줄이면서 마무리에 필요한 여유를 남겨둡니다. 이 공정은 가공 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 응력 제거 어닐링을 통해 내부 응력을 줄여 부품의 정확성과 품질을 보장합니다.
2) 가공 중 부품의 심각한 변형 문제를 해결하기 위해. 특수 툴링을 설계하고 효율적인 선삭 기술을 채택함으로써(그림 6 참조) 가공 중 변형이 효과적으로 제어되어 가공 정확도와 부품 품질이 보장됩니다. 이 방법은 유사한 고경도 얇은 벽의 특수 형상 부품을 가공하는 데 적합하며 코팅의 표면 품질과 크기를 보장하면서 가공 효율성을 높이고 공구 마모를 줄일 수 있습니다.
그림
a) 탄성 클램핑 구조 클램프
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b) 트로코이드 터닝 다이어그램
그림 6: 고정 장치 및 사이클로이드 선삭 [40]
3) 연삭 공정에서 큰 진동이 발생하여 코팅 표면에 진동 자국이 발생하고 표면 거칠기 요구 사항을 충족하기 어렵게 만드는 문제를 해결하기 위해 대신 특수 선삭 공구와 합리적인 가공을 사용하여 선삭 공정을 채택합니다. .
처리를 위한 매개변수입니다. 휠 연삭에 비해 터닝 코팅의 접촉 면적이 작아 진동을 효과적으로 줄이고 코팅의 표면 품질과 치수 정확도를 향상하며 제조 요구 사항을 충족합니다.
결론
04
이 기사에서는 항공우주 분야의 고성능 가공 기술에 대한 포괄적인 검토를 제공하고 항공우주 제조에서 이러한 기술의 중요한 역할을 강조합니다. 중요한 부품의 생산 효율성과 품질을 향상하고 극한 조건에서 성능을 보장하는 데 있어 고성능 가공 기술의 중요성을 강조한 다음, 가공 정확도를 향상하고 변형 및 진동을 줄이는 데 있어 이러한 기술의 역할을 보여주기 위해 구체적인 적용 사례를 소개했습니다. 중요한 이점. 그러나 빠르게 발전하는 항공우주 분야에서 고성능 처리 기술은 여전히 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 미래 항공우주 제조 산업은 디지털 트윈, 스마트 제조 등 혁신 기술을 통합하는 동시에 환경 지속 가능성에 초점을 맞추고 친환경 소재 및 프로세스 개발을 촉진하는 데 중점을 둘 것입니다. 보다 효율적이고 지능적이며 환경친화적인 기술은 새로운 시대의 도래를 이끌 것입니다. .
