Teknologi pemrosesan berkinerja tinggi adalah teknologi utama untuk pemrosesan suku cadang penting dirgantara, yang mendorong industri manufaktur penerbangan menuju efisiensi produksi dan kualitas pemrosesan yang lebih tinggi. Teknologi ini memberikan dukungan teknis untuk pengembangan suku cadang penting dirgantara berkualitas tinggi dengan meningkatkan efisiensi produksi dan akurasi pemrosesan dari proses pemrosesan. Keunggulan dan bidang penerapan teknologi pemesinan kinerja tinggi diperkenalkan, dan kemajuan penelitian para sarjana dalam teknologi pemesinan kinerja tinggi di bidang kedirgantaraan dirangkum, termasuk teknologi pemesinan kecepatan tinggi (HSM), teknologi pemesinan linkage multi-sumbu, teknologi permesinan mikro dan pemrosesan material khas Aerospace. Pada saat yang sama, tantangan dan tren perkembangan yang mungkin dihadapi teknologi di masa depan juga dapat diperkirakan.
Kata pengantar
01
Industri manufaktur dirgantara berada di garis depan dalam teknologi pemrosesan berkinerja tinggi dan memiliki persyaratan ketat terhadap kinerja dan keakuratan komponen mekanis, terutama yang digunakan dalam kondisi keras seperti suhu tinggi dan tekanan tinggi [1]. Pembuatan suku cadang ini bergantung pada teknologi pemesinan berkinerja tinggi yang akurat dan andal, seperti pemesinan kecepatan tinggi, pemesinan multi-sumbu, pemesinan mikro, dan pemrosesan material khas ruang angkasa. Teknologi ini tidak hanya meningkatkan efisiensi produksi dan mengurangi biaya, namun juga menjamin kualitas dan kinerja suku cadang [2].
Di bidang kedirgantaraan, bagian-bagian penting seperti impeler, bilah, selubung, dan bagian berdinding tipis biasanya terbuat dari paduan berperforma tinggi, dengan desain rumit dan persyaratan presisi yang sangat tinggi [3]. Selain itu, suku cadang ini rentan terhadap deformasi selama pemrosesan, terutama suku cadang berdinding tipis, sehingga teknologi pemrosesan berkinerja tinggi sangat penting dalam pembuatan suku cadang penting ini. Teknologi ini tidak hanya dapat menangani material yang sulit dikerjakan, namun juga memastikan kualitas dan kinerja produk di bawah lingkungan kerja yang ekstrem dan persyaratan desain yang rumit, sekaligus mencapai akurasi pemesinan skala mikro hingga nano [4], terutama dalam produksi impeler, bilah, dan casing. Dalam hal barang kritis dan berat, ini telah menunjukkan keunggulan yang signifikan.
Singkatnya, penerapan teknologi pemrosesan berkinerja tinggi di bidang kedirgantaraan tidak hanya meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas produk, namun juga mendorong pengembangan material baru dan desain inovatif. Hal ini penting untuk memenuhi standar yang ketat dan persyaratan manufaktur yang kompleks dalam industri manufaktur dirgantara.
Konotasi pemrosesan teknis berkinerja tinggi
02
Teknologi pemesinan kinerja tinggi adalah teknologi rekayasa yang mengintegrasikan elemen-elemen penting seperti teknologi pemesinan berkecepatan tinggi (HSM), teknologi pemesinan linkage multi-sumbu, teknologi pemesinan mikro, dan teknologi material yang sulit dikerjakan, yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi pemrosesan material. , akurasi dan kinerja. Kerangka kerjanya ditunjukkan pada Gambar 1. Di bidang kedirgantaraan, teknologi ini digunakan untuk memproduksi suku cadang dengan permintaan tinggi guna memenuhi persyaratan kompleksitas dan keandalan, sehingga mendorong kemajuan berkelanjutan dalam teknologi manufaktur di bidang ini.
Gambar 1 Kerangka teknologi pemesinan berkinerja tinggi
2.1 Teknologi pemrosesan berkecepatan tinggi
Teknologi permesinan berkecepatan tinggi di sektor kedirgantaraan memainkan peran penting dalam menghasilkan komponen yang presisi dan kompleks. Ini memperpendek siklus produksi dan meningkatkan kualitas permukaan suku cadang dengan meningkatkan laju penghilangan material dan mengoptimalkan jalur pemesinan. Dalam penggilingan berkecepatan tinggi, pabrik akhir ball-nose padat dan dapat diindeks digunakan untuk memproses struktur kompleks pada permukaan cembung dan cekung serta mesin penggilingan CNC lima sumbu. Operasi penggilingan ditunjukkan pada Gambar 2, yang mencerminkan keragaman dan kompleksitas teknologi [4].
gambar
a) Penggilingan permukaan cembung b) Penggilingan permukaan cekung
gambar
c) Penggilingan struktur kompleks
Gambar 2 Proses penggilingan dalam kondisi kerja yang berbeda [4]
Untuk material spesifik paduan titanium TC4, Wang Sheng dkk. [5] mencapai peningkatan signifikan dalam efisiensi pemrosesan dan kualitas permukaan dengan mengoptimalkan parameter penggilingan alat PCD. Penelitian LUIS dkk. [6] menemukan bahwa dalam penggilingan permukaan yang kompleks, kedalaman radial maksimum, jumlah umpan, dan strategi pemotongan ke bawah sangat penting untuk meningkatkan kualitas dan produktivitas permukaan. VOGEL dkk. [7] mengembangkan dudukan alat canggih dengan struktur pengisian partikel internal. Dudukan pahat diuji untuk pembubutan di Monfort Company, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dengan mengurangi getaran selama pemesinan paduan titanium, efisiensi pemesinan dan dudukan pahat ditingkatkan. kehidupan.
gambar
a) Pengaturan pengujian
gambar
b) Struktur pegangan alat
Gambar 3 Konfigurasi pengujian toolholder dan struktur toolholder [7]
Selain itu, penerapan sistem CAM canggih, seperti Mastercam, UnigraphicsNX dan CATIA, menyediakan beragam strategi jalur pahat untuk pemesinan [8]. HASCOET dan RAUCH [9] menggunakan pengontrol OpenNC dan interpolasi jalur alat NURBS untuk lebih meningkatkan kualitas dan efisiensi pemesinan berkecepatan tinggi, membawa kemajuan signifikan bagi industri manufaktur dirgantara.
2.2 Teknologi pemrosesan hubungan multi-sumbu
Dalam industri dirgantara, teknologi pemesinan multi-axis linkage, khususnya penerapan peralatan mesin CNC empat sumbu dan lima sumbu, telah secara signifikan meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas suku cadang utama serta membawa inovasi yang signifikan.
Dalam hal penelitian aplikasi spesifik, FAN et al. [10] mengembangkan metode pemesinan lima sumbu khusus untuk impeler sentrifugal. Metode ini membagi impeler menjadi beberapa area berbeda dan mengoptimalkan jalur pahat untuk mencapai penggilingan yang akurat dan efisien. MHAMDI dkk. [11] mengembangkan model dinamis untuk penggilingan multi-sumbu bilah mesin pesawat Ti-6Al{-4V, mencapai akurasi dan kualitas permukaan yang lebih baik dalam pembuatan bilah serta memecahkan tantangan bentuk dan material yang kompleks. Chen Kaihang [12] mengembangkan metode perencanaan kecepatan semi-real-time untuk pemesinan impeler CNC hubungan lima sumbu, yang secara efektif meningkatkan kualitas dan efisiensi pemrosesan serta memenuhi kebutuhan aktual proyek. Mengambil impeler integral semi-terbuka sebagai contoh, lokasi pemrosesan hubungan multi-sumbu dan sampel ditunjukkan pada Gambar 4.
gambar
a) Proses penyelesaian impeler
gambar
b) Impeler integral semi terbuka
Gambar 4: Situs pemrosesan tautan multi-sumbu dan bagian sampel
Selain itu, Wenhao dkk. [13] mengembangkan metode baru untuk menghasilkan vektor sumbu pahat untuk pemesinan permukaan kisi guna meningkatkan efisiensi dan akurasi pemotongan CNC multi-sumbu. Wang Bo dkk. [14] mengembangkan metode untuk memodelkan lintasan elemen mikro dari ujung tombak dalam penggilingan ujung bola multi-sumbu. Mereka membangun model dinamis yang mengintegrasikan karakteristik geometri alat untuk memprediksi gaya penggilingan secara akurat.
Teknologi pemesinan multi-axis linkage semakin banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, dan peningkatan efisiensi produksi serta kualitas manufaktur tidak dapat diabaikan. Perkembangan dan penerapan teknologi ini telah membuka jalan baru bagi inovasi lebih lanjut dalam industri manufaktur dirgantara di masa depan.
2.3 Teknologi pemesinan mikro
Di bidang kedirgantaraan, teknologi permesinan mikro, khususnya penggilingan mikro, permesinan pelepasan listrik mikro, permesinan mikro laser, dan permesinan ultrasonik, memainkan peran penting. Teknologi ini memainkan peran penting dalam pembuatan komponen mikroskopis dengan bentuk kompleks dan persyaratan presisi tinggi.
Teknologi micromilling menunjukkan keunggulan dalam pembuatan komponen mikro dengan presisi tinggi dan geometri yang kompleks. Tian Lu dkk. [15] membuat kemajuan dalam optimalisasi ketebalan pemotongan minimum dan gaya pemotongan, sementara LI et al. [16] mengembangkan bahan alat keramik komposit mikro-nano baru Ti(C, N)/WC untuk pemotong penggilingan mikro. /ZrO2, secara efektif meningkatkan kekuatan lentur, ketangguhan dan kekerasan alat pemotong. Selain itu, Zhang Xinxin dkk. [17] mengoptimalkan parameter pemotongan penggilingan mikro berkecepatan tinggi pada material keras seperti paduan titanium dan baja tahan karat, meningkatkan kualitas permukaan dan efisiensi pemrosesan material yang sulit dikerjakan dengan mesin ini.
Di bidang pemesinan pelepasan listrik mikro, Tagawa [18] mengkonfirmasi efek pemesinan pelepasan listrik mikro dalam meningkatkan efisiensi pemrosesan dan kualitas permukaan paduan titanium Ti-6Al-4V. LIN dkk. [19] mengoptimalkan EDM penggilingan mikro Inconel 718 melalui metode Taguchi, mencapai keseimbangan antara keausan elektroda, laju penghilangan material, dan celah kerja, sehingga meningkatkan efisiensi pemotongan. HUU dkk. [20] menggunakan elektroda berlapis karbon untuk meningkatkan efisiensi pemrosesan paduan titanium, menunjukkan potensi pemesinan non-kontak pada material keras. Penelitian GARZON dkk. [21] berfokus pada teknologi pengukuran gaya dalam mikro-EDM, yang memberikan pemantauan proses pemesinan yang lebih akurat. Platform pemrosesan gabungan yang dibangun dan dioptimalkan untuk perangkat ini pada peralatan mesin Sarix sx200 ditunjukkan pada Gambar 5.
gambar
Gambar 5 Alat mesin pengolah gabungan: penggilingan mikro + EDM mikro [21]
Perkembangan teknologi pemesinan mikro laser telah secara signifikan meningkatkan kinerja pemrosesan lokal berbagai bahan. Seperti yang ditunjukkan dalam penelitian CHAVOSHI [22], pemrosesan lokal berbagai bahan melalui sinar laser berenergi tinggi meningkatkan kinerja pemrosesan. Xiao Qiang dkk. [23] berhasil membuat struktur mikro-nano menggunakan pemrosesan laser femtosecond. MATAHARI dkk. [24] menggunakan µCT untuk mendeteksi cacat rongga pada Ti-6Al{-4V yang diproduksi oleh manufaktur aditif laser, yang memberikan informasi penting untuk jaminan kualitas ruang angkasa.
Pada saat yang sama, teknologi pemrosesan ultrasonik juga mengalami kemajuan penting. Teknologi pemotongan gelombang ultrasonik berkecepatan tinggi yang dikembangkan oleh Peng Zhenlong dkk. [25] meningkatkan kecepatan pemotongan dan efisiensi material yang sulit dikerjakan, sementara ZHAO dkk. [26] menggunakan perangkat RUVAG yang dikembangkan sendiri berdasarkan getaran benda kerja untuk melakukan uji penggilingan butiran CBN tunggal. , bertujuan untuk mengungkap mekanisme penghilangan material dan kinerja keausan butiran CBN dengan getaran ultrasonik radial. Metode pengeboran pecking berbantuan ultrasonik (UPD) yang diusulkan oleh LIU dkk. [27] secara efektif meningkatkan efisiensi pengeboran dan kualitas bahan laminasi CFRP/Ti.
Penerapan teknologi pemotongan pemesinan mikro secara komprehensif tidak hanya menunjukkan keunggulan uniknya, namun juga menunjukkan potensi besar dalam pembuatan komponen mikro dengan presisi tinggi dan desain kompleks. Seiring dengan berkembangnya teknologi pemotongan mikro, teknologi ini akan terus mendorong kemajuan di bidang kedirgantaraan dan industri manufaktur presisi lainnya.
2.4 Bahan khas penerbangan yang sulit diproses
Dalam industri dirgantara, penelitian tentang teknologi pemesinan presisi untuk material yang biasanya sulit dikerjakan seperti paduan titanium, paduan aluminium, dan komposit serat karbon sangatlah penting. Bahan-bahan ini memainkan peran penting dalam pembuatan suku cadang penerbangan penting karena kekuatan mekanik dan ketahanan korosinya yang sangat baik, namun bahan-bahan ini juga menghadirkan tantangan dalam pemrosesan.
Di bidang pemrosesan paduan titanium, Tian Rongxin dkk. [28] mengusulkan metode optimasi parameter proses untuk penggilingan paduan titanium TC11 berkecepatan tinggi. Liu Peng dkk. [29] mengembangkan model matematika untuk mengoptimalkan gaya potong penggilingan paduan titanium TA15 berkecepatan tinggi dengan alat PCD dan memverifikasi efektivitasnya. HOURMAND dkk. [30] menemukan bahwa perkakas tungsten karbida (WC atau WC/Co) yang dilapisi memiliki kinerja yang lebih baik dalam hal keausan, kehalusan, masa pakai, dan gesekan dibandingkan perkakas yang tidak dilapisi. EZUGWU dkk. [31] menemukan melalui penelitian bahwa ketika menggunakan alat PCD untuk pembubutan TC4 presisi kecepatan tinggi, cairan pemotongan bertekanan tinggi dapat secara signifikan meningkatkan kehalusan permukaan dan masa pakai alat serta mengurangi kerusakan fisik. Selain itu, Yao Jun dkk. [32] secara efektif meningkatkan efisiensi pemrosesan dan mengurangi biaya paduan titanium TB6 dengan menerapkan teknologi pemotongan elektrolitik getaran.
Dalam hal pemrosesan paduan aluminium, DONG dkk. [33] berfokus pada mempelajari keausan perkakas berlian dalam pemesinan presisi, menyoroti pengaruh jarak bebas pahat dan kecepatan pengumpanan. WANG dkk. [34] mempelajari proses pemotongan paduan aluminium 7050-T7451 dan menunjukkan bahwa sudut rake yang lebih besar dan chip yang lebih tebal dapat mengurangi konsumsi energi secara signifikan, sehingga mencapai manufaktur yang lebih efisien dan ramah lingkungan. Selain itu, JAROSZ dkk. [35] secara signifikan mengurangi waktu pemrosesan paduan aluminium AL-6061-T6 (sekitar 37%) dan meningkatkan efisiensi pemrosesan dengan mengoptimalkan parameter penggilingan wajah CNC.
Selain itu, untuk pengolahan bahan serat karbon dirgantara, WU et al. [36] mengembangkan alat pemotong berlian polikristalin untuk plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP), yang meningkatkan efisiensi dan kualitas pemotongan. Model stokastik yang dikembangkan oleh ZHANG dkk. [37] dapat secara akurat memprediksi gaya potong material komposit yang diperkuat serat penggilingan, yang sangat penting untuk meningkatkan akurasi pemrosesan dan efisiensi material komposit. WU dkk. [38] menggunakan model elemen hingga dan perangkat lunak Deform 3D untuk melakukan analisis simulasi guna memecahkan masalah pengeboran dan meningkatkan kualitas pemrosesan.
Singkatnya, di bidang kedirgantaraan, teknologi pemrosesan bahan-bahan khas yang sulit dikerjakan dengan mesin adalah kunci untuk mencapai manufaktur komponen-komponen penting dirgantara dengan kinerja tinggi. Perkembangan teknologi pemotongan ini tidak hanya meningkatkan efisiensi dan akurasi pemrosesan, namun juga membuka kemungkinan baru untuk pemotongan, pemrosesan, dan pembentukan material baru yang sulit dikerjakan dengan mesin.
Kasus aplikasi pemesinan teknologi berkinerja tinggi
03
3.1 Pemesinan multi-sumbu pada bilah impeler
Mengambil contoh pemesinan lima sumbu dari impeler integral penerbangan, metode penggilingan geometri permukaan kompleks dari bilah impeler integral dipertimbangkan terlebih dahulu, dan metode penggilingan titik dan metode penggilingan samping digunakan. Kemudian, pertimbangkan pemilihan alat pemotong selama penyelesaian bilah yang berdekatan untuk menghindari pemotongan berlebihan dan pemotongan terlalu rendah, dan pilih pemotong penggilingan betis tirus dan gabungkan dengan fungsi analisis jarak CAD untuk analisis. Kemudian, lintasan posisi pahat dirancang melalui mode "blisk" pada perangkat lunak PowerMill. Terakhir, untuk memastikan keamanan dan keandalan pemesinan lima sumbu, perangkat lunak simulasi VERICUT digunakan untuk mensimulasikan pemesinan impeller secara keseluruhan untuk memastikan bahwa pemesinan tersebut aman dan andal serta memenuhi persyaratan ukuran dan akurasi [39]. Permasalahan dan metode utama dirangkum sebagai berikut.
1) Memastikan efisiensi dan akurasi pemrosesan impeler secara keseluruhan adalah kunci teknologi pemrosesan. Metode penggilingan titik dan metode penggilingan samping digunakan dalam proses penggilingan, dan permukaan lengkung sudu diproses langkah demi langkah sepanjang arah aliran sudu melalui kontak titik dan kontak garis. Menggunakan metode pemrosesan ini memastikan efisiensi pemrosesan dan kualitas permukaan.
2) Untuk mencegah pahat melakukan overcutting atau undercutting selama finishing pada blade yang berdekatan, gabungkan analisis tapered shank end mill dan perangkat lunak CAD untuk menentukan jarak minimum blade, sisakan kelonggaran pemesinan dan sudut ayunan sumbu pemotong, yang tidak hanya meningkatkan efisiensi pemrosesan, kekakuan alat juga ditingkatkan.
3) Desain jalur pahat yang masuk akal adalah langkah terpenting dalam pemesinan multi-sumbu. Gunakan modul "blisk" perangkat lunak PowerMill untuk membangun permukaan tambahan melalui pengaturan parameter dan desain strategi, dan melakukan inspeksi tabrakan dan overcut untuk merumuskan lintasan posisi pahat yang efisien dan masuk akal, dan mencapai hasil yang baik dalam pemrosesan aktual selanjutnya.
4) Untuk memastikan keamanan dan keandalan pemesinan lima sumbu, perangkat lunak simulasi VERICUT digunakan untuk mensimulasikan lingkungan pemesinan aktual dan perkakas proses, dan dikombinasikan dengan lintasan pahat dalam program CNC, kelayakan pemrosesan keseluruhan impeler adalah diverifikasi.
3.2 Pemrosesan bagian cincin casing mesin berdinding tipis dengan kekerasan tinggi
Mengingat masalah deformasi, getaran, dan kualitas permukaan yang rentan terjadi selama pemrosesan cincin pemasangan struktur khusus berdinding tipis pada casing mesin pesawat, sejumlah tindakan telah diambil untuk mencegah deformasi. Pertama, proses penggilingan kasar ditambahkan untuk melepaskan tekanan pemesinan terlebih dahulu. Kedua, perkakas ekspansi struktur diafragma elastis dan metode pemrosesan putaran sikloidal digunakan untuk secara efektif menghindari deformasi bagian. Terakhir, pembubutan digunakan sebagai pengganti penggilingan untuk memastikan kualitas permukaan dan ukuran lapisan, sehingga memecahkan permasalahan utama dalam pemesinan [40]. Permasalahan dan metode utama dirangkum sebagai berikut.
1) Penting untuk mengurangi stres dan deformasi selama pemrosesan selanjutnya dan meningkatkan efisiensi dan kualitas seluruh proses produksi. Kelebihan material pada permukaan ujung dihilangkan melalui proses penggilingan kasar untuk melepaskan tekanan pemrosesan dan mengurangi deformasi, sekaligus menyisakan margin yang diperlukan untuk penyelesaian. Proses ini tidak hanya meningkatkan efisiensi pemrosesan, namun juga mengurangi tekanan internal melalui anil pelepas stres, memastikan keakuratan dan kualitas komponen.
2) Untuk mengatasi masalah deformasi bagian yang serius selama pemrosesan. Dengan merancang perkakas khusus dan mengadopsi teknologi pembubutan yang efisien (lihat Gambar 6), deformasi selama pemrosesan dapat dikontrol secara efektif, sehingga memastikan akurasi pemrosesan dan kualitas komponen. Metode ini cocok untuk memproses bagian berbentuk khusus berdinding tipis dengan kekerasan tinggi yang serupa, yang dapat meningkatkan efisiensi pemrosesan dan mengurangi keausan pahat sekaligus memastikan kualitas permukaan dan ukuran lapisan.
gambar
a) Penjepit struktur penjepit elastis
gambar
b) Diagram belokan trokoidal
Gambar 6: Perlengkapan dan pembubutan sikloid [40]
3) Untuk mengatasi masalah bahwa proses penggilingan menghasilkan getaran yang besar, yang menyebabkan tanda getaran pada permukaan lapisan dan mempersulit pemenuhan persyaratan kekasaran permukaan, maka dilakukan proses pembubutan, menggunakan alat pembubutan khusus dan pemrosesan yang wajar. .
parameter untuk diproses. Dibandingkan dengan penggilingan roda, area kontak lapisan balik lebih kecil, yang secara efektif mengurangi getaran, meningkatkan kualitas permukaan dan akurasi dimensi lapisan, dan memenuhi persyaratan produksi.
Kesimpulan
04
Artikel ini memberikan tinjauan komprehensif tentang teknologi permesinan berkinerja tinggi di bidang kedirgantaraan, menyoroti peran penting teknologi ini dalam manufaktur dirgantara. Menekankan pentingnya teknologi pemesinan berkinerja tinggi dalam meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas suku cadang penting serta memastikan kinerja dalam kondisi ekstrem, dan kemudian memperkenalkan contoh aplikasi spesifik untuk menunjukkan peran teknologi ini dalam meningkatkan akurasi pemesinan dan mengurangi deformasi dan getaran. keuntungan yang signifikan. Namun, di bidang kedirgantaraan yang berkembang pesat, teknologi pemrosesan berkinerja tinggi masih menghadapi banyak tantangan. Industri manufaktur dirgantara di masa depan akan fokus pada pengintegrasian teknologi inovatif seperti digital twins dan smart manufacturing, sambil berfokus pada kelestarian lingkungan dan mendorong pengembangan bahan dan proses yang lebih ramah lingkungan. Teknologi yang lebih efisien, cerdas, dan ramah lingkungan akan mendorong datangnya era baru. .
