航空宇宙重要部品の高性能加工技術

高性能加工技術は、重要な航空宇宙部品の加工における重要な技術であり、航空製造業界の生産効率と加工品質の向上を推進します。この技術は、加工工程の生産効率や加工精度を向上させ、航空宇宙重要部品の高品質な開発を技術支援します。高性能加工技術の利点と応用分野を紹介し、高速加工技術(HSM)、多軸リンク加工技術、微細加工技術と典型的な航空宇宙材料の加工。同時に、その技術が将来直面する可能性のある課題と開発傾向も予測されます。

序文

航空宇宙製造業界は高性能加工技術の最前線にあり、機械部品、特に高温や高圧などの過酷な条件下で使用される部品の性能と精度に対して厳しい要件があります[1]。これらの部品の製造は、高速加工、多軸加工、微細加工、一般的な航空宇宙材料の加工など、正確で信頼性の高い高性能加工技術に依存しています。これらの技術は、生産効率を向上させ、コストを削減するだけでなく、部品の品質と性能を保証します[2]。

航空宇宙分野では、インペラ、ブレード、ケーシング、薄肉部品などの主要部品は通常、複雑な設計と非常に高い精度の要件を備えた高性能合金で作られています[3]。さらに、これらの部品、特に薄肉部品は加工中に変形しやすいため、これらの重要な部品を製造する際には高性能の加工技術が非常に重要です。これらの技術は、加工が難しい材料を処理できるだけでなく、特にインペラ、ブレード、ケーシングの製造において、ミクロンからナノスケールの加工精度 [4] を達成しながら、極端な作業環境や複雑な設計要件の下でも製品の品質と性能を保証します。重要なアイテムや重いアイテムに関しては、大きな利点が実証されています。

要約すると、航空宇宙分野における高性能加工技術の適用は、製造効率と製品品質を向上させるだけでなく、新しい材料や革新的なデザインの開発も促進します。これは、航空宇宙製造業界の厳しい基準と複雑な製造要件を満たすために重要です。

高性能技術処理の意味合い

高性能加工技術とは、高速加工技術（HSM）、多軸連携加工技術、微細加工技術、難削材技術などの要素を統合し、材料加工の効率向上を目指すエンジニアリング技術です。、精度とパフォーマンス。その枠組みを図 1 に示します。航空宇宙分野では、複雑さと信頼性の要件に対応する需要の高い部品の製造にこれらの技術が使用され、この分野の製造技術の継続的な進歩を推進しています。

図1 高性能加工技術の枠組み

2.1 高速処理技術

航空宇宙分野における高速加工技術は、精密で複雑な部品の製造に重要な役割を果たしています。材料除去率を高め、加工パスを最適化することで、生産サイクルを短縮し、部品の表面品質を向上させます。高速フライス加工では、中実で刃先交換可能なボールエンドミルを使用して、凸面および凹面の複雑な構造と 5 軸 CNC フライス盤を加工します。フライス加工操作を図 2 に示します。これは技術の多様性と複雑さを反映しています [4]。

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a) 凸面のフライス加工 b) 凹面のフライス加工

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c) 複雑な構造のミリング
図 2 異なる加工条件でのフライス加工 [4]

特定の材料である TC4 チタン合金については、Wang Sheng et al. [5] PCD 工具のフライス加工パラメータを最適化することで、加工効率と表面品質の大幅な改善を達成しました。 LUISらによる研究。 [6] は、複雑な表面フライス加工では、最大半径方向深さ、送り量、および下向き切削戦略が表面品質と生産性を向上させるために重要であることを発見しました。フォーゲルら。 [7] は内部粒子充填構造を備えた高度なツールホルダーを開発しました。図 3 に示すように、モンフォート社でツールホルダーの旋削加工がテストされました。チタン合金加工時の振動を低減することで、加工効率とツールホルダーが向上しました。人生。

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a) テストセットアップ

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b) ツールハンドルの構造
図 3 充填工具ホルダのテスト設定と工具ホルダの構造 [7]
さらに、Mastercam、UnigraphicsNX、CATIA などの高度な CAM システムのアプリケーションにより、加工のための多様なツールパス戦略が提供されます [8]。 HASCOET と RAUCH [9] は、OpenNC コントローラーと NURBS ツールパス補間を使用して、高速加工の品質と効率をさらに向上させ、航空宇宙製造業界に大きな進歩をもたらしました。

2.2 多軸連動加工技術

航空宇宙産業では、多軸リンケージ加工技術、特に 4 軸および 5 軸 CNC 工作機械の応用により、主要部品の生産効率と品質が大幅に向上し、重大な革新をもたらしました。

特定の応用研究に関しては、FAN et al. [10] は、遠心羽根車専用の 5 軸加工法を開発しました。インペラを複数の領域に分割し、ツールパスを最適化することで、正確かつ効率的なフライス加工を実現します。 MHAMDIら。 [11] は、航空機エンジンのブレード Ti-6Al-4V の多軸フライス加工用の動的モデルを開発し、ブレード製造における精度と表面品質の向上を達成し、複雑な形状と材料の課題を解決しました。 Chen Kaihang [12] は、インペラの 5 軸リンケージ CNC 加工のための半リアルタイム速度計画手法を開発しました。これにより、処理品質と効率が効果的に向上し、プロジェクトの実際のニーズが満たされました。セミオープン一体型インペラを例に、多軸リンケージ加工部位とサンプルを図4に示します。

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a) インペラの仕上げ工程

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b) セミオープン一体型インペラ
図4：多軸連携加工現場とサンプル部品

さらに、Wenhao ら。 [13] は、多軸 CNC 切削の効率と精度を向上させるために、グリッド表面加工用の工具軸ベクトルを生成する新しい方法を開発しました。ワン・ボーら。 [14] は、多軸ボールエンドミル加工における刃先の微小要素の軌道をモデル化する方法を開発しました。彼らは、フライス加工力を正確に予測するために工具の幾何学的特性を統合した動的モデルを構築しました。

航空宇宙分野では多軸連動加工技術の活用が進んでおり、生産効率や製造品質の向上は無視できません。この技術の開発と応用は、将来の航空宇宙製造業界におけるさらなる革新への新たな道を切り開きます。

2.3 微細加工技術

航空宇宙分野では、微細加工技術、特に微細加工、微細放電加工、レーザー微細加工、超音波加工が重要な役割を果たしています。これらの技術は、複雑な形状と高精度が要求される微細部品の製造において重要な役割を果たします。

マイクロミリング技術は、高精度で複雑な形状のマイクロコンポーネントの製造に利点を示します。ティアン・ルーら。 [15] は最小切削厚さと切削抵抗の最適化で進歩を遂げましたが、LI らは [16] は、マイクロフライス用の新しいマイクロ・ナノ複合セラミック工具材料 Ti(C, N)/WC を開発しました。 /ZrO2は、切削工具の曲げ強度、靭性、硬度を効果的に向上させます。さらに、Zhang Xinxin らは、 [17] は、チタン合金やステンレス鋼などの強靱な材料の高速マイクロミーリング切削パラメータを最適化し、これらの難削材の表面品質と加工効率を向上させました。

微細放電加工の分野では、田川[18]は、Ti-6Al-4Vチタン合金の加工効率と表面品質の改善における微細放電加工の効果を確認した。リンら。 [19] は、タグチ法によってインコネル 718 のマイクロミーリング EDM を最適化し、電極の摩耗、材料除去率、作業ギャップのバランスを達成し、それによって切削効率を向上させました。ヒューら [20] は、カーボンコーティングされた電極を使用してチタン合金の加工効率を向上させ、硬質材料の非接触加工の可能性を実証しました。 GARZONらの研究。 [21] は、加工プロセスのより正確なモニタリングを提供するマイクロ EDM における力測定テクノロジーに焦点を当てています。 Sarix sx200 工作機械上のこのデバイス用に構築および最適化された複合処理プラットフォームを図 5 に示します。

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図5 複合加工工作機械：マイクロミーリング+マイクロEDM [21]

レーザー微細加工技術の発展により、さまざまな材料の局所的な加工性能が大幅に向上しました。 CHAVOSHI の研究 [22] で示されているように、高エネルギーのレーザー光線によるさまざまな材料の局所的な加工により、加工性能が向上しました。 Xiao Qiangら。 [23] はフェムト秒レーザー加工を使用してマイクロ・ナノ構造を製造することに成功した。サンら。 [24] は、µCT を使用して、レーザー積層造形によって製造された Ti-6Al-4V のボイド欠陥を検出しました。これは、航空宇宙の品質保証に重要な情報を提供しました。

同時に、超音波加工技術も大きく進歩しました。彭振龍らが開発した高速超音波切断技術。 [25] は、加工が難しい材料の切削速度と効率を向上させました。 [26] は、ワークピースの振動に基づいて自社開発した RUVAG 装置を使用して、単一 CBN 砥粒研削試験を実施しました。、ラジアル超音波振動によるCBN粒子の材料除去メカニズムと摩耗性能を明らかにすることを目的としています。 LIUらによって提案された超音波支援ペッキングドリリング（UPD）法。 [27] は、CFRP/Ti ラミネート材料の穴あけ効率と品質を効果的に改善しました。

マイクロマシニング切削技術の包括的な応用は、その独自の利点を実証するだけでなく、高精度で複雑な設計のマイクロコンポーネントの製造において大きな可能性を示します。微細切断技術は発展し続けるため、航空宇宙産業やその他の精密製造産業の進歩を促進し続けるでしょう。

2.4 代表的な航空難加工材

航空宇宙産業では、チタン合金、アルミニウム合金、炭素繊維複合材料など、一般に加工が難しい材料の精密加工技術の研究が重要です。これらの材料は、優れた機械的強度と耐食性により、重要な航空部品の製造において重要な役割を果たしていますが、加工上の課題ももたらします。

チタン合金加工の分野では、Tian Rongxin et al. [28] は、TC11 チタン合金の高速フライス加工のためのプロセスパラメーターの最適化方法を提案しました。劉鵬ら。 [29] は、PCD 工具を使用した TA15 チタン合金の高速フライス加工の切削抵抗を最適化する数学的モデルを開発し、その有効性を検証しました。 HOURMAND et al. [30] は、コーティングされた炭化タングステン (WC または WC/Co) 工具は、コーティングされていない工具よりも摩耗、滑らかさ、寿命、摩擦の点で優れた性能を発揮することを発見しました。エズグウら。 [31] は研究を通じて、高速精密旋削 TC4 に PCD 工具を使用する場合、高圧切削液が表面の平滑性と工具寿命を大幅に向上させ、物理的損傷を軽減できることを発見しました。さらに、Yao Junら。 [32] 振動電解切断技術を適用することで、TB6 チタン合金の加工効率を効果的に向上させ、コストを削減しました。

アルミニウム合金加工に関しては、DONG et al. [33] は、精密機械加工におけるダイヤモンド工具の摩耗の研究に焦点を当て、工具クリアランスと送り速度の影響を強調しました。王ら。 [34] は、7050- T7451 アルミニウム合金の切削加工を研究し、すくい角を大きくし、切りくずを厚くすることでエネルギー消費を大幅に削減でき、それによってより効率的で環境に優しい製造が達成できることを示しました。さらに、JAROSZ ら。 [35] CNC 正面フライス加工パラメータを最適化することで、AL-6061- T6 アルミニウム合金の加工時間を大幅に短縮し (約 37%)、加工効率を向上させました。

さらに、航空宇宙用炭素繊維材料の加工については、WU et al. [36] は、炭素繊維強化プラスチック (CFRP) 用の多結晶ダイヤモンド切削工具を開発し、切削効率と品質を向上させました。 ZHANGらによって開発された確率モデル。 [37] は、繊維強化複合材料のフライス加工における切削抵抗を正確に予測することができ、これは複合材料の加工精度と効率を向上させる上で非常に重要です。 WUら。 [38] は、有限要素モデルと Deform 3D ソフトウェアを使用してシミュレーション解析を実施し、穴あけ問題を解決し、加工品質を向上させました。

つまり、航空宇宙分野では、航空宇宙重要部品の高性能製造を実現するには、代表的な難削材の加工技術が鍵となります。これらの切削技術の発展は、加工効率と精度を向上させるだけでなく、その他の新しい難削材の切削、加工、成形にも新たな可能性をもたらします。

高機能技術の加工応用事例

3.1 インペラブレードの多軸加工

航空一体型インペラの5軸加工を例に挙げると、一体型インペラブレードの複雑な表面形状のミーリング方法を事前に考慮し、ポイントミーリング法とサイドミーリング法を使用します。次に、隣接刃の仕上げ加工時のオーバーカットやアンダーカットを避けるための切削工具の選定を考慮し、テーパーシャンクフライスを選定し、CADの距離解析機能と組み合わせて解析します。次に、PowerMill ソフトウェアの「ブリスク」モードを通じて工具位置の軌道が設計されます。最後に、5 軸加工の安全性と信頼性を確保するために、シミュレーションソフトウェアベリカットを使用してインペラ加工全体をシミュレーションし、加工が安全で信頼性が高く、サイズと精度の要件を満たしていることを確認します [39]。主要な課題と手法を以下に要約します。

1) インペラ全体の加工効率と精度を確保することが加工技術の鍵となります。ミーリング加工にはポイントミーリング法とサイドミーリング法が用いられ、点接触と線接触により刃流線方向に沿って段階的に刃曲面を加工します。この加工方法を採用することで、加工効率と表面品質を確保できます。

2) 隣接する刃の仕上げ加工中に工具がオーバーカットまたはアンダーカットしないように、テーパーシャンクエンドミルの解析と CAD ソフトウェアを組み合わせて刃の最小間隔を決定し、加工代とカッター軸の振り角度を確保します。加工効率が向上するだけでなく、工具剛性も向上します。

3) ツールパスの合理的な設計は、多軸加工における最も重要なステップです。 PowerMill ソフトウェアの「blisk」モジュールを使用して、パラメータ化された設定と戦略設計を通じて補助面を構築し、衝突およびオーバーカット検査を実行して効率的かつ合理的な工具位置軌道を定式化し、その後の実際の加工で良好な結果を達成します。

4) 5 軸加工の安全性と信頼性を確保するために、ベリカットシミュレーションソフトウェアを使用して実際の加工環境とプロセスツールをシミュレートし、CNC プログラムの工具軌道と組み合わせて、インペラ全体の加工の実現可能性を評価します。検証されました。

3.2 エンジンケーシングの高硬度薄肉リング部の加工

航空機エンジンケーシングの薄肉特殊構造取付リングの加工時に発生しやすい変形、振動、表面品質の問題を考慮し、変形を防止するためのさまざまな対策が講じられています。まず、加工ストレスを事前に逃がすための荒フライス加工を追加します。第二に、弾性ダイヤフラム構造の拡張ツールとサイクロイド旋削加工方法を使用して、部品の変形を効果的に回避します。最後に、研削の代わりに旋削を使用してコーティングの表面品質とサイズを確保し、それによって機械加工における重要な問題を解決します[40]。主要な課題と手法を以下に要約します。

1) 後続の加工中の応力と変形を軽減し、製造プロセス全体の効率と品質を向上させることが重要です。端面の余分な材料は、仕上げ加工に必要なマージンを残しながら、加工応力を解放して変形を軽減するために、粗フライス加工プロセスによって除去されます。このプロセスにより、加工効率が向上するだけでなく、歪取り焼鈍により内部応力が軽減され、部品の精度と品質が確保されます。

2) 加工中の部品の重大な変形の問題を解決するため。特殊な工具を設計し、効率的な旋削技術を採用することで (図 6 を参照)、加工中の変形が効果的に制御され、加工精度と部品の品質が確保されます。この方法は、同様の高硬度の薄肉特殊形状部品の加工に適しており、コーティングの表面品質とサイズを確保しながら、加工効率を向上させ、工具摩耗を軽減できます。

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a) 弾性クランプ構造クランプ

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b) トロコイド旋削ダイアグラム
図 6: 治具とサイクロイド旋削 [40]

3) 研削加工では振動が大きく、コーティング表面に振動痕が発生し、要求される表面粗さを満足することが困難であるという問題に対処するため、特殊な旋削工具と合理的な加工を使用した旋削加工が採用されています。。

処理用のパラメータ。ホイール研削と比較して、旋削コーティングの接触面積が小さいため、振動が効果的に低減され、コーティングの表面品質と寸法精度が向上し、製造要件を満たします。

結論

この記事では、航空宇宙分野における高性能機械加工技術を包括的にレビューし、航空宇宙製造におけるこれらの技術の重要な役割に焦点を当てます。重要部品の生産効率と品質を向上させ、極限条件下での性能を確保するための高性能加工技術の重要性を強調し、加工精度の向上と変形や振動の低減におけるこれらの技術の役割を具体的な応用事例を紹介して実証しました。大きな利点。しかし、急速に発展する航空宇宙分野では、高性能処理技術は依然として複数の課題に直面しています。将来の航空宇宙製造業界は、環境の持続可能性を重視し、より環境に優しい材料とプロセスの開発を促進しながら、デジタルツインやスマートマニュファクチャリングなどの革新的なテクノロジーの統合に重点を置くことになります。より効率的でインテリジェントで環境に優しいテクノロジーが、新しい時代の到来を推進します。。