航空宇宙部品の精密加工プロセスプログラム

航空宇宙コンポーネント精密機械加工工程計画

長年、精密加工分野の技術研究に打ち込んできたプロセスエンジニアとして、この10年間、航空エンジン用タービンディスク加工のブレークスルー、宇宙船用構造部品の精巧な鍛造、人工衛星のペイロードブラケットの微細な研ぎ出しなど、数多くの高精度加工プロジェクトに携わってきた。0.005mm」という極めて厳しい形状公差や位置公差の要求、「Ra0.2μm」という技術的に難しい表面粗さのマーキングなど、設計図面を見るたびに、航空宇宙部品の精密加工というものを強く実感する！航空宇宙部品の精密加工は、技術競争であると同時に、「ミクロンが尺度、温度が対決対象、振動が攻め手」の超精密バトルであることを強く感じることができる。今後は、プロジェクトの経験と実作業を組み合わせ、航空宇宙産業に適した精密加工プロセスのソリューションを体系的にまとめていきたい。

I. プログラムの背景とターゲット

1.1 業界の需要促進要因

従来の機械分野の要求をはるかに超えて、部品やコンポーネントの航空宇宙機器には、信頼性、軽量化、長寿命化の要求があり、ある種のターボファンエンジンのコンプレッサーブレードを例にとると、1つは、1500℃の高温、3万rpmの超高速の条件下で、複雑な応力に耐える必要があり、2つ目は、ナイフマーク、残留応力集中などの小さな加工欠陥があると、疲労破壊の問題を引き起こす可能性が非常に高く、ひいては機械全体の故障につながる。第三に、宇宙船の構造部品は打ち上げ時に20g以上の過負荷を受け、第四に、加工精度が不十分な場合、組立応力が誘発され、軌道上の姿勢制御に影響を与えるため、加工工程は「サブマイクロメートル精度」や「ナノメートル精度」でなければならない。これらのシナリオは、ひいては機械加工工程に「サブミクロン精度」と「ナノメートル表面品質」という技術的障壁を突破することを強いる。

1.2 プログラムの基本目標

チタン合金製構造部品、高温合金製タービンディスク、アルミニウム合金製衛星マウントなど、典型的な航空宇宙部品に焦点を当てたこのプログラムの目標は、「材料-工程-装置-試験」の相乗効果を発揮する精密加工システムを構築することである。目標は、「材料-プロセス-装置-テスト」の相乗効果を実現する精密加工システムを構築することである：

寸法精度：主要形状の公差は±0.003mm以内に管理されています；

表面品質：Ra≤0.2μm（一部の機能表面はRa≤0.1μm）；

一貫性：同一バッチの部品の主要寸法のばらつきは0.002mm以下；

効率改善：工程の最適化により、単品加工時間を20%以上短縮。

II.セットアートプログラムのコアモジュールのデザイン

2.1材料特性プロセス適合性分析

航空宇宙部品によく使用されるチタン合金TC4、航空宇宙部品によく使用されるニッケル基高温合金、航空宇宙部品によく使用されるアルミニウム合金2A14の加工特性は極端に異なり、それぞれの特性に対応した加工ルートを設計する必要がある。

私の参加するある種の衛星負荷ブラケット、材料はTC4チタン合金で、このチタン合金の熱伝導率は悪く、45鋼の5分の1しかなく、化学的に活性で、工具と結合しやすく、弾性率が低く、加工時に反発しやすく、その結果、サイズが超劣る。最初の試験加工では、我々は従来の超硬工具を選択し、状況は、工具寿命は1つのエッジにわずか3個であり、加工面は明らかな “スケール ”を示している;そして、コーティングされた工具、すなわちTiAlNコーティングの種類に置き換えるだけでなく、切削速度を80メートル/分から50メートル/分に減少させ、同時に切削速度を50メートル/分に増加させ、同時に切削速度を50メートル/分に増加させる。/分、同時にクーラント流量を増加させ、内部冷却工具の使用、8MPaの圧力は、20個/エッジ、Ra0.8μm安定からRa0.4μmに表面粗さに工具寿命を向上させるように。

もう一つの例は高温合金で、Ni元素を多く含むが、Cr、Mo、その他多くの元素も含み、加工時間では硬化層の深さは0.3mmに達するが、普通鋼は0.1mmに過ぎない。

今後、航空宇宙機器が「より軽く、より強く、より賢く」という方向で発展していく中で、精密機械加工は、炭素繊維複合材料の加工やマイクロナノ構造の製造など、新たな課題に遭遇することになるでしょう。しかし、私たちが職人技のような “卓越性 ”を堅持し、科学的な態度のような “データ・スピーク ”を堅持する限り、私たちはこの軌道で精密機械加工を行うことができ、中国の航空宇宙産業がより強固なものになることを固く信じています！「産業基盤」。

オペレーターのミス、加工プログラムの呼び出しが間違っていることを提示するリスク、工具クランプは、適切な位置までではありません。対策：「二人レビューシステム」の実施、つまり、オペレータがパラメータを入力した後、技術者が再度検証を行い、工作機械の操作パネルに「ダンピング防止プロンプト」を設定する。

まとめと展望

10年以上にわたる実践の中で、私は「経験主導型」から「データ主導型」への航空宇宙精密加工へのシフトを目の当たりにしてきた。このプログラムの重要なポイントは、材料特性、設備性能、検査方法を深く統合し、「ミクロンレベルの精度」というコンセプトをすべての加工工程に貫くことである。昨年、あるロケットの重要構造部品の加工に参加したときのことを思い出すと、穴の位置を±0.005mmから±0.003mmに改善するために、治具の支持点の位置を7回調整し、200セット以上のデータを測定した。「最後の部品がロケットと一緒に打ち上げられたときの達成感は、どんなご褒美よりもかけがえのないものでした。

振動抑制、工具-シャンク-主軸システムの周波数応答関数テストを実施するための「モーダル解析」技術の使用は、ブラケットの固有周波数が800Hzであるような部品の固有周波数を回避するために、800Hzを回避するように調整されたスピンドル速度を加工するとき加工時、スピンドル速度は800Hzの倍数を避けるために調整され、例えば、/分は300Hzに対応し、同時に60%の振動振幅を低減することができるダンパーを内蔵している振動減衰ツールホルダーを使用しています。

(3) 特殊加工技術の補足

直径0.3mmの冷却穴や、深さと幅の比が15:1の細い溝など、従来の切削加工では対応できない微細な形状には、放電加工やレーザー加工などの特殊加工を導入する必要がある。例えば、ある種の燃焼室ノズルには直径0.2mm、深さ3mmのミクロンサイズの冷却穴があるが、これを放電小穴加工機で加工する。 パルスパラメーターの最適化により、電圧は約80V、電流は約2A、パルス幅は5μsとなり、穴壁の再溶解層の厚さは従来のパラメーターでは最大20μmであるのに対し、5μm以下に制御され、再溶解層によるクラックのリスクを回避できる。

工具の摩耗は非常に速く、タービンディスクのタングアンドグルーブを加工した際、材料の焼入れ特性を考慮しなかったため、1枚目の加工が完了した後、工具後面の摩耗が0.3mmに達し、公差を0.2mm上回ったため、2枚目のサイズが過度に悪くなってしまった。その後の最適化プロセスでは、荒加工と仕上げ加工を区別し、荒加工ではセラミック工具を使用し、その高い硬度と耐摩耗性、切削深さ1.5mm、仕上げ加工ではPCBN工具を使用し、すなわち、立方晶窒化ホウ素、高温、切削深さ0.3mm、工程間に30分の自然老化を追加し、切削応力を解放するように、最終的に解決される不安定な問題のサイズ。

このマシニングセンターには、タッチトリガープローブ、レニショーのOMP60が組み込まれており、微細加工の前に、±0.001mmの繰返し精度でワークの芯出しを自動的に行い、クランプオフセットによるバッチオーバーを防ぎます。

最終検査のトレーサビリティを行うために部品の完成後、この時間は、フルサイズの検査を行うために高精度座標測定機を使用するために、この測定機の精度は0.5μm + L / 1000であり、測定データは自動的にMESシステムにアップロードされ、これらのデータは、プロセスパラメータと相関され、プロセスパラメータは、工具の種類、切削パラメータ、加工時間などが含まれ、このように達成することができます“。電子履歴書の一部”、これはその後の品質問題のトレーサビリティのために非常に便利です。

III.プログラムの実施とリスク管理

3.1 段階的実施計画

このプログラムは、プロセス・バリデーション、少量バッチ試験生産、バッチ安定生産の3段階に従って進める必要がある：

プロセスの検証段階であるフェーズ1（1～2カ月）では、タービンブレードやサテライトマウントのような典型的な部品を2～3個選び、直交試験法（L9(3⁴)）を適用して、スピンドル速度、送り、切り込み深さ、クーラント圧などの切削パラメータを最適化する。このようにして、最適なプロセスの組み合わせが決定され、治具と検査方法の信頼性が検証される。

(2) 全工程テストとエラートレーサビリティ

“制御可能 ”は精密加工の核心ですが、検査は目の “制御 ”であり、私たちは3つの検査システムを構築し、プロセスの自己検査を含むが、オンライン測定もカバーし、最終検査のトレーサビリティがあります。

機械加工工程では、荒フライス加工や中仕上げフライス加工などの工程が完了するたびに、ポータブル三次元測定機、すなわち六角形を使用して、位置決め穴間隔などの重要な寸法について、迅速な測定を実施することが必要であり、1回の測定時間は2分以下であるべきであり、一度工具補正の値を超えた場合は、直ちに調整する必要があります。

3.2 リスクのポイントと対応

工具の異常摩耗のリスクは、表面粗さの急峻な悪化と公差外の寸法である。対応策としては、工具シャンクにサンプリング周波数10kHzの振動センサーを装備し、切削力の変動をリアルタイムで監視し、正常時の変動幅を±5%とし、10%を超えると自動的に工具を停止して交換する。

例えば、午前中に加工した部品が午後に加工した部品より0.003mm小さいなどである。これに対する対応は、ワークショップをサーモスタット制御とし、温度範囲を20±0.5℃とし、機械起動後に1時間の「ウォームアッププログラム」を追加することである。その対応策は、温度範囲を20±0.5℃に設定し、機械起動後に1時間の「ウォームアップ・プログラム」を追加すること、つまり、主軸をアイドリングさせ、軸を動かし、機械が熱平衡に達するようにすることであった。

2.3 治具と検査システムの設計

(1) 高剛性フィクスチャーデザイン

航空宇宙部品の多くは薄肉で剛性の弱い構造であり、治具の設計は「最小限の制約と均一な力」の原則に従うべきである。私たちは、ある種の宇宙船支持のために「真空吸着＋フレキシブル支持」固定具を設計しました。ベースプレートには5mm間隔の真空孔が密集しており、真空ポンプの助けを借りてワークを吸着し、吸着力は50N/cm²である。同時に、ワークの弱点、例えば補強バーの根元には、弾性支持ブロック、ポリウレタン材料、ショアA70の硬度を設定し、従来の機械的なクランプ爪が局所的なくぼみが現れるのを防ぐだけでなく、クランプ変形を0.001mm以内に制御します。

(2) 微振動抑制と熱変形制御

精密加工において、「熱」と「振動」は2大「見えない殺し屋」です。アルミ合金ケースの加工を例にとると（このケースの肉厚は2mm）、切削熱によって部品の局所温度は50℃以上上昇し、熱膨張は0.01mmにも達します（アルミ合金の線膨張係数は約23×10-⁶/℃）。私たちが採用した解決策は

温度制御、工作機械の主軸部分には赤外線温度センサーが設置され、プラスマイナス5℃の精度でリアルタイムに温度を監視することができます。同時に、ワーク固定具にも赤外線温度センサーが設置され、プラスマイナス5℃の精度でリアルタイムに温度を監視することができます。工作機械の数値制御システムは、レーザーの助けを借りて事前に構築された熱誤差補正プログラムを呼び出すために使用されます。この熱誤差補正手順は、事前にレーザー干渉計の助けを借りて、補正モデルの確立後に異なる温度での工作機械の熱変形曲線を測定します。

2.2 中子加工プロセスの選択とパラメータの最適化

(1) 高速切削と5軸リンク技術

多くの航空宇宙部品は、ブレードやインペラのような複雑な曲面であり、従来の3軸加工では複数のクランプが必要であり、累積誤差は0.01mm以上であった。私たちのチームは、エンジンの偏向ブレードのある種の加工では、5軸リンケージマシニングセンターの導入、つまり、Dermagitは、 “クランプ、多面加工 ”の助けを借りて、クランプ誤差0.008ミリメートルから0.002ミリメートルです。同時に、高速切削モードの使用は、その回転速度単位毎分、送り速度も単位毎分、同じ送り速度は単位毎分です。同時に、高速切断方式は、回転速度が単位毎分、送り速度が単位毎分であるため、「断熱せん断効果」の助けを借りて切断力が減少し、従来の切断方式に比べて切断力が30%減少するため、最薄部が1.2mmである薄肉刃の状況を回避することができ、プロファイルの偏差をもたらす応力や変形を受けることはありません。

小バッチの試作段階、1ヶ月の長さ、この段階では、生産のための製品の10〜20個に入れ、監視する3つの指標に焦点を当てる必要があり、これらの3つの指標は、 “寸法の一貫性”、 “工具寿命 ”である。98%以上の納品合格率、および工具寿命が標準要件を満たすために、そのようなチタン合金の加工工具の寿命は、標準を満たすためにエッジあたり20以上であることが等しい場合は、 “加工効率 ”の状況は、その後、大量生産に入ることができます。

バッチ安定生産のこの段階では、“プロセスパラメータSOPファイル ”を確立するために、“機器のメンテナンススケジュール ”を確立し、“検査頻度リスト ”を確立し、定期的に実施する。この作業の定期的なプロセスレビューを実施するために、サイクルは四半期に一度ですが、また、例えば、プロセスを最適化するための生産データに基づいて、そのような工具の摩耗が自動的に値を補正するために調整することができます。