Liechti - obróbka łopatek

2017-11-14 12:00

Obrabiarki firmy Liechti AG zostały opracowane wyłącznie z przeznaczeniem dla przemysłu lotniczego oraz energetycznego.

big-banner-liechti

Specjalne 5-osiowe centra frezarskie CNC są dedykowane wyłącznie do obróbki łopatek dla lotniczych silników turboodrzutowych oraz turbin energetycznych (przemysł energetyczny).

Ze względu na liczby potrzebnych łopatek czy to w turbinach energetycznych, czy to w lotniczych silnikach turboodrzutowych ich wytwarzanie zalicza się do produkcji seryjnej, niezależnie od ogólnej liczby produkowanych silników lotniczych czy turbin parowych dla elektrowni.

Ilustracja 1: Budowa lotniczego silnika turboodrzutowego ze wskazanymi elementami, które można wytwarzać z wykorzystaniem obrabiarek GF Machining Solutions, w tym LIECHTI.

Silniki turboodrzutowe pomimo skomplikowanej konstrukcji stanowią obecnie jedne z najbardziej niezawodnych zespołów współczesnych samolotów, które pracują „na skrzydle” nawet ponad 20.000 h. Wirnik turbiny może być obecnie produkowany w dwóch technologiach. W pierwszej z nich poszczególne łopatki są wykonywane indywidualnie i osadzane w piaście turbiny. Druga metoda polega na frezowaniu całej turbiny (piasta + łopatki) z jednego bloku materiału (ang. blisk = Blade Integrated Disk lub alternatywna nazwa IBR = Integrally Bladed Rotor). Ta metoda jest obecnie coraz bardziej popularna ze względu na możliwość przenoszenia wyższych ciśnień, dłuższą żywotność i mniejszą o 30% wagę blisku w porównaniu do turbiny tradycyjnej.

Ilustracja 3. a.) przykład dysku i łopatek wykonanych jako przedmiot monolityczny;

Nowoczesna technologia produkcji łopatek i blisków polega na wydajnym frezowaniu z pełnego materiału wszystkich operacji tzn. obróbki zgrubnej, wykańczającej, a nawet szczotkowania powierzchni. Bliski stosowane są zazwyczaj w elementach sprężarki silnika lotniczego (wentylator, komora niskiego i wysokiego ciśnienia).

Zapotrzebowanie na dużą liczbę wykonywanych elementów oraz konieczność produkcji „na gotowo”, wymuszają zastosowanie specjalnej, dedykowanej konstrukcji maszyny, która jest w stanie zagwarantować ekstremalną produktywność. Wydajna obróbka pięcioosiowa jest prowadzona z przyspieszeniem/hamowaniem 1g dla każdej osi.  Stosowane są wrzeciona o wysokim momencie obrotowym oraz mocy. Konstrukcja ta jest dedykowana do obróbki materiałów egzotycznych, jak stopy niklu, tytanu, chromu itd. Czynnikiem, który bezwzględnie należy wyeliminować są wibracje korpusu obrabiarki, co poprawia jakość obróbki oraz obniża koszty narzędzi skrawających.

Oprócz zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych nie mniej ważnym aspektem jest nowoczesne oprogramowanie technologiczne CAM. Liechti AG dysponuje w tym zakresie specjalistycznym pakietem oprogramowania Turbosoft Plus, w którym zawarta została kilkudziesięcioletnia wiedza technologiczna producenta z zakresu programowania obrabiarek do produkcji łopatek i turbin.

Ze względu na warunki pracy materiały stosowane na łopatki turbin powinny spełniać następujące wymagania:

  • wytrzymałość i zachowanie sztywności przy wysokiej temperaturze;
  • żarowytrzymałość;
  • żaroodporność;
  • odporność na erozję;

Podatność technologiczna jest tu drugoplanowa co wynika z zastosowania łopatek w silnikach lotniczych. Wykorzystywane stopy niklu lub kobaltu z wieloma składnikami i dodatkami stopowymi (m.in. Ti, Mo, W, Nb, Al, Zr, Re, Ta i innymi) nie stanowią materiałów łatwoobrabialnych.

Łopatki wirnikowe ze względu na rozmiary, poprawę wytrzymałości i niezawodności cechują się skomplikowanych kształtem. Obróbka łopatek to odpowiedzialny etap procesu produkcyjnego lotniczego silnika turboodrzutowego co wynika ze:

  • złożonej geometrii kształtu łopatki, w tym wymiarów gabarytowych;
  • wysokich wymagań w zakresie dokładności geometrycznej wykonania oraz stanu warstwy wierzchniej;
  • kosztownych materiałów o niskiej skrawalności;
  • czasochłonności obróbki;
  • zapewnienia odpowiedniej kontroli technicznej wykonanego przedmiotu (specjalistyczne oprzyrządowanie);
  • wysokich kompetencji pracowników.

Samo przygotowanie półfabrykatu stanowi istotne wyzwanie ze względu na konieczne do uzyskania właściwości materiału (m.in. matrycowe prasowanie na gorąco; walcowanie na gorąco lub izotermiczne).

Koszt wytworzenia łopatek i czasochłonność tego procesu technologicznego może wynosić od 20 do 35% procesu produkcyjnego całego silnika.

Przedstawione powyższe uwarunkowania powodują, że zapotrzebowanie na obrabiarki dedykowane do obróbki łopatek na potrzeby lotniczych silników turboodrzutowych oraz turbin energetycznych jest w pełni uzasadnione. 

Ilustracja 3.b.): pojedyncza łopatka.

Oferta obrabiarek LIECHTI  jest dwutorowa:

  • obrabiarki umożliwiające obróbkę dysków wraz z łopatkami jako monolitycznego przedmiotu (ilustracja 3.a);
  • obrabiarki do obróbki pojedynczych łopatek (ilustracja 3.b)

Poszczególne modele obrabiarek w tych dwóch rodzinach różnią się między sobą maksymalnymi dopuszczalnymi gabarytami przedmiotów obrabianych. W przypadku obróbki dysku i łopatek w przypadku konstrukcji monolitycznej maksymalnym wymiarem decydującym o wyborze obrabiarki jest średnica obrabianego komponentu (obrabiarki go-Mill 350, 600, g-Mill 850, 1150 i 1350 – średnice maksymalne).

Taka konstrukcja pozwala na uniknięcie obróbki i stosowania tzw. zamka wielotrapezowego (jodełkowego), który poprzez od 2 do 5 zazębień ma za zadanie zapewnić równomierne przekazywanie obciążenia na dysk.

Obrabiarki przeznaczone do obróbki pojedynczej łopatki to go-Mill 350, Turbomill 800i, 800g, 800gTwin, 1400i oraz odmiana g i gTwin, Turbomill 2000gx i gxTwin oraz Turbomill 2600gx.

Rozszerzenie Twin oznacza, iż obrabiarka wyposażona jest we dwa wrzeciona (napędy główne) co umożliwia jednoczesną obróbkę dwóch łopatek w tym samym czasie. Jest to jeden ze sposobów optymalizowania procesu technologicznego z kryterium głównego czasu maszynowego poprzez konstrukcję maszyny technologicznej.

Ilustracja 4. Przykład jednoczesnej obróbki dwóch łopatek - obrabiarka GF Machining Solutions Liechti typu Twin.

Nadrzędnym kryterium optymalizacji procesów technologicznych są koszty. Liczba łopatek niezbędnych dla jednego egzemplarza silnika w pełni uzasadnia nie tylko samo wdrażanie obrabiarek dedykowanych do obróbki łopatek, lecz także modyfikacje konstrukcji tych maszyn technologicznych w celu minimalizowania kosztów wytworzenia poprzez zwiększenie wydajności. Wykorzystanie dwuwrzecionowych obrabiarek nie jest już innowacyjnością. Dotychczas były stosowane w przemyśle samochodowym, który pomimo zmiennych uwarunkowań nadal zaliczany jest do produkcji masowej. Rozwiązanie tego typu jest już sprawdzone i ekonomicznie uzasadnione przy określonej skali produkcji. W przypadku obróbki łopatek dodatkowym argumentem przemawiającym za obrabiarkami dwuwrzecionowymi jest fakt, iż obróbka łopatek jest czasochłonna.

Napędy główne obrabiarek Liechti zapewniają wysoki moment dla zgrubnej obróbki wysokowydajnej (ang. HPM). Ze względu na specyfikę obróbki łopatek obrabiarki te umożliwiają ultradynamiczną obróbkę z wykorzystaniem TPP (ang. Tool Pivot Point) oraz w pełni kontrolowane przeciążenie 1g we wszystkich osiach. Konstrukcja korpusu obrabiarki jest siatkowa,, co zapewnia lepsze tłumienie drgań i zachowanie stabilności obróbki.

Przedstawiona na ilustracji 3.a konstrukcja monolityczna, zespolona łopatki i dysku wymagała 3h obróbki na jedną łopatkę i 72h na całość komponentu. Uzyskano chropowatość powierzchni Ra0,6.

Pojedyncza łopatka z zamkiem (ilustracja 3.b) o wysokości 130 mm została wykonana na obrabiarce Liechti go-Mill 350 w ciągu 25 minut. Uzyskano chropowatość Ra1,6.

Obrabiarki GF Machining Solutions Liechti to obrabiarki stanowiące przykład produktu wysokich technologii. Ograniczenie stosowalność i dedykowanie tych obrabiarek wyłącznie do obróbki łopatek i blisków to wybór uzasadniony zarówno ekonomicznie jak i technologicznie. Konkretne zastosowanie obróbkowe i związane z tym wymagania pozwalają na zaprojektowanie obrabiarki spełniające owe wymagania istotnie lepiej od standardowego 5-osiowego centrum frezarskiego CNC.

Wróć