Process-parallel spindle speed control during 5-axis milling of a thin-walled turbomachinery component

Abstract

A indústria da aviação definiu objetivos econômicos e ambientais ambiciosos com o propósito de reduzir emissões de CO2 e aumentar a eficiência energética. O design de blades (lâminas) combinadas em discos, conhecidos como blisks (blade integrated disks), tem sido uma grande tendência nos últimos anos para atender a esses objetivos e alcançar motores altamente eficientes em termos de consumo de combustível. Devido à alta qualidade desejada e o longo processo que leva a usinagem de um único disco, é necessário um estudo do processo e a garantia de que uma peça de boa qualidade será usinada. Os desafios do projeto e usinagem de blisks também são aumentados pelo fato de que estes componentes de paredes finas têm uma rigidez reduzida, resultando em uma maior chance de vibrações durante a usinagem do componente, o que se reflete negativamente na superfície final. Este projeto de fim de curso visa desenvolver uma aplicação baseada em dados capaz de monitorar e controlar as vibrações durante o processo de fresagem de componentes de turbomáquinas de paredes finas com máquinas de cinco eixos. Técnicas de processamento adequadas para os dados adquiridos em paralelo ao processo foram analisadas para detectar as vibrações ocorridas usando KPIs (indicadores-chave de desempenho). Uma aplicação offline foi inicialmente desenvolvida para realizar análises de sensibilidade com dados de blisks previamente fresadas. As funcionalidades de processamento de dados da ferramenta offline foram então integradas a um sistema de aquisição de dados existente no LabVIEW. Uma segunda forma de comunicação foi então adicionada à aplicação, permitindo que o serviço integrado envie dados de volta para a máquina para adaptação da velocidade do spindle. O sistema de controle e monitoramento é avaliado através de ensaios de fresagem, onde uma lâmina de blisk é usinada. Uma configuração experimental é conduzida com sensores e hardware de aquisição de dados adequados. O desempenho do controle é medido pela comparação dos resultados de uma lâmina usinada com e sem tomar ações sobre o processo para reduzir vibrações. A inspeção visual e a análise dos dados do processo mostraram a redução das marcas de vibração quando o controle foi aplicado no processo de fresagem de cinco eixos.

The aviation industry has defined ambitious economic and environmental objectives aiming to reduce emissions and to increase fuel efficiency. The design of blades combined into disks, known as blade integrated disks (blisks), has been a major trend in recent years to address these objectives and to achieve highly fuel-efficient engines. Due to the desired high-quality and long process that takes to machine a single blisk, a well previously studied process and the guarantee that a good quality part will be machined are necessary. The challenges of blisks design and machining are also increased by the fact that these thin-walled components have a reduced stiffness, resulting in an higher chance of vibrations arising while machining the component, which reflects negatively in the final surface. This thesis aims to develop a data-based application capable of monitoring and controlling vibrations during the 5-axis milling process of thin-walled turbomachinery components. Suitable processing techniques for the process-parallel acquired data were analyzed to detect occurring vibrations by using key performance indicators. An offline application was first developed to perform sensitivity analyses with data from previously milled thin-walled components. The data processing functionalities of the offline tool were then integrated to an existing data acquisition system in LabVIEW. A second way of communication was then added to the system, allowing the integrated application to send data back to the milling machine for spindle speed adaptation. The application is evaluated by milling trials, where a blisk blade is machined. An experimental setup is conducted with suitable sensory and data acquisition hardware. The control performance is measured by comparing the results of a blade machined with and without taking actions over the process to reduce such vibrations. Visual inspection and process data analyses have shown the reduction of chatter marks when the control was applied in the 5-axis milling process.