5축 CNC로 로터 블레이드 프로토타이핑: 전문 기술

작성일: 2019년 10월 8일 | 작성자: Victoria, WayKen 프로젝트 매니저

일상생활에서 우리 대부분은 로터가 무엇이고 어떻게 만드는지 모릅니다. 하지만 열정적인 엔지니어에게는 머릿속에 그뿐입니다. 먼저 로터가 무엇인지 알아보겠습니다. 로터 또는 로터 블레이드, 자동차나 비행기 엔진의 팬으로, 배기가스를 이용해 연료 증기를 엔진으로 불어넣어 엔진 성능을 향상시킵니다.

로터는 흐르는 매체의 에너지를 기계적 일로 변환하는 회동력 기계입니다. 항공기 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 열정적인 엔지니어에게 그가 원하는 것은 설계가 잘 작동하게 하는 고정밀 로터 블레이드 프로토타입뿐입니다. 5축 CNC 밀링으로 로터 또는 로터 블레이드 프로토타입을 완벽하게 만드는 방법은 무엇일까요?

로터의 배경

오늘날 천연가스 연소는 세계에서 두 번째로 큰 발전 방식입니다. 천연가스는 가스 터빈으로 전기 에너지로 변환되며, 그 압축기의 로터는 제조 공정에서 마주치는 주요 난제 부품입니다. 터빈 블레이드 개발은 초기 솔리드 블레이드에서 중공 블레이드로, 잔여 블레이드 가공에서 무잔여 블레이드로, 배향(단결정) 중공 블레이드로 진화했습니다. 현대 터빈 블레이드의 구조적 진화는 명백하며, 블레이드 형상과 루멘이 점점 더 복잡해지고 있습니다.

밀링은 회전 절삭 공구로 소재를 제거하는 가공 공정입니다. 자유곡면 밀링 적용 분야는 금형 제작, 항공우주 산업 등입니다. 또한 터빈 블레이드와 임펠러는 밀링 공구로 가공되는 복잡한 부품입니다.

전통적인 가공 픽스처 솔루션

로터 블레이드를 5축 가공하기 위해 로터 부품의 바닥 평면을 설정하고 내경 구멍을 센터링한 다음 블레이드 형상을 가공하는 것이 주요 작업입니다. 여기 전통적인 터빈 픽스처 가공 방법이 있습니다: 실린더가 레버 암을 위에서 부품 위로 누릅니다. 이러한 방식에는 명백한 결함이 있습니다.

1. 클램핑 힘이 제한적입니다. 클램프 볼륨 메커니즘이 실린더 크기를 제한하여 클램핑 힘이 제한됩니다.
2. 픽스처에 너무 많은 가공이 필요합니다. 이 방식은 부품이 가공될 때 부품이 회전하고 프레싱 암은 회전하지 않아야 하므로 메커니즘의 상하 동축도에 높은 요구가 있습니다.
3. 부품 자유도가 제한됩니다. 상부 프레스 레버 암이 상부 가공 공간을 차지하여 공구와 가공 프로그램에 더 높은 요구를 만듭니다.
4. 설치가 불편합니다. 유지보수가 상대적으로 열악하고 에어 연결이 번거롭습니다.
5. 종류가 단일하고 범용성이 떨어집니다. 품종 교체 시 픽스처를 재설계해야 합니다.

정밀 픽스처 솔루션

창의적인 픽스처는 공압 작동 모드, 스프링 셀프 록킹 모드를 사용하여 클램핑 후 에어 소스 연결이 필요 없으며 클램핑 힘은 약 400kg입니다. 픽스처 설정 후 5축 CNC로 블레이드 형상 가공을 시작합니다. 이 개선된 솔루션은 세 가지 장점이 있습니다.

1. 가공 특징이 완전히 개방되어 공구와 가공 경로를 자유롭게 선택할 수 있습니다.
2. 픽스처가 강한 범용성을 가지며, 위치 결정 블록과 해당 타입의 풀 스터드(Pull Studs)를 교체하여 다양한 유형 부품 가공을 실현할 수 있습니다.
3. 설치와 유지보수가 쉽고, 픽스처가 가볍고 단순합니다.

로터 가공 및 검사

블레이드 양면의 완전하고 균일한 가공을 허용하기 위해 블레이드 각 면에 보조 면을 생성하고 U, V 방향으로 연장해야 합니다. 이 보조 면들은 공구 경로 생성을 위한 드라이브 표면으로 사용됩니다.

전반적으로 획득된 표면 품질은 만족스러웠으며 1μm Ra를 초과하지 않았습니다. 블레이드 간 조도 비교 시 두 번째 블레이드 조도가 네 번째 블레이드보다 낮다고만 말할 수 있습니다.

다른 블레이드 면 가공 시작 전, 첫 번째 블레이드 3개 가공 단계(황삭, 반정삭, 정삭)를 한 면에서 수행한 후 좋은 표면 마무리(주로 첫 번째 가공 면에서) 인접 블레이드 간 공간에 여전히 소재가 남아 있습니다. 그러나 표면에 긁힘 자국이 있으며, 가능한 원인은 CAM 시스템이 생성한 공구 경로입니다.

다른 블레이드 면 가공 시, 가공되는 길쭉한 형상의 강성 부족으로 소음이 발생하고 블레이드 상단에 채터링(Chattering) 징후가 있으며 버가 남습니다.

이 문제를 피하기 위해 알루미늄 얇은 벽(터빈 블레이드 같은)을 밀링하고 블레이드 측면 채널을 번갈아 가며 밀링 직경의 0.5~2배 단계로 밀링해야 합니다. 세 번째와 네 번째 블레이드 서버가 사용한 정책은 이 권장 사항을 따릅니다. 세 번째 블레이드 가공은 두 단계로, 네 번째 블레이드는 세 단계로 나누며, 길쭉한 특징 길이가 줄어들면 더 높은 강성이 기대됩니다.

하지만 이 블레이드 상단에도 채터 마크와 버가 있습니다. 블레이드 분할은 소음 수준과 버 수만 줄일 뿐, 조도 측면에서는 개선되었다고 말할 수 없습니다. 가장 낮은 조도 값을 가진 두 번째 블레이드의 경우 이 전략은 정삭 작업 전 최소한 황삭 단계에 대한 권장 사항을 고려하지 않습니다. 접근성과 권한 부족으로 작업이 4단계로 나누어지며 블레이드 면이 번갈아 가공됩니다.

여덟 번째와 마지막 블레이드 양쪽 인접 공간이 작업 완료 전 황삭과 반정삭됩니다. 공구는 인서트를 동일한 윤곽으로 밀링하므로 단계 크기는 예비 가공 및 얇은 벽 밀링에 권장되는 대로 밀링 직경의 0.5~2배입니다.

디버링과 샌딩 후 비드 블라스팅을 수행하여 매력적인 표면을 얻습니다. CMM과 3D 스캐너를 결합하여 로터의 모든 치수를 검사하여 고객 요구사항인 +/-0.005인치의 고정밀도를 보장합니다. 우리 팀이 이러한 놀라운 일을 해내 고객으로부터 높은 인정과 칭찬을 받은 것을 자랑스럽게 생각합니다.

결론

로터 블레이드는 항공기 엔진의 핵심 부품입니다. 전형적인 난삭 공작물입니다. 사실 '외부 전시'로 가장 높은 출현율을 보이는 부품일 수도 있습니다. 많은 회사가 이 공작물을 가공 능력 설명으로 자주 사용하므로, 우수한 로터 블레이드 가공 솔루션은 강한 기업 역량을 나타냅니다. 전문 원스톱 프로토타입 제공업체로서 WayKen은 5축 CNC 밀링으로 복잡한 구조의 로터 부품을 가공할 수 있습니다. 더 많은 CNC 가공이나 CNC 알루미늄 서비스가 필요하시면 info@waykenrm.com으로 연락 주세요. 당신은 더 나은 프로토타입을 누릴 자격이 있습니다.