Riassunto analitico
Le turbine a gas per uso aerospaziale sono responsabili del 5% delle emissioni mondiali di CO2: un aumento della loro efficienza può portare ad una notevole riduzione del loro impatto ambientale. Una volta che il limite tecnico di temperatura di combustione e pressione dei gas è stato raggiunto, per migliorare l’efficienza delle turbine si è puntato sull´ aumento dei requisiti riguardanti la rugosità superficiale. La finitura automatizzata per le pale di turbina deve affrontare la complessità di forme e curvature delle pale. Il passaggio principale del ciclo produttivo per la realizzazione di pale di turbina è svolto da una fresatura della geometria della pala partendo da un blocco rettangolare. La rugosità ottenuta dopo la fresatura non soddisfa la qualità richiesta (Ra<0.4 µm). Per raggiungerle, la finitura della pala di turbina è realizzata da un successivo processo di finitura superficiale.
Oggigiorno il metodo più comune per rettificare le pale di turbina è quello manuale, dove un operatore tiene in contatto la turbina contro una cintura abrasiva rotante. In questo modo il lavoratore è esposto a dure condizioni di lavoro come l´ elevato rumore, la formazione di polveri e lo stress fisico. Inoltre una finitura manuale ha poca riproducibilità´ se paragonata ad un processo manuale ed il risultato dipende dalle abilità del lavoratore.
I sistemi automatizzati disponibili riguardano principalmente le cinture abrasive CNC o metodi vibratori di finitura superficiale. Lo svantaggio di questi metodi è che non sono flessibili per il cambio di geometria e di dimensioni della pala.
Un approccio alternativo è la finitura superficiale della turbina mediante un robot che impiega un utensile abrasivo dotato di sensore e compensatore assiale. Il suo impiego è giustificato dal fatto che il robot è molto flessibile riguardo variazioni di geometria della pala e cambi di dimensione. L’utensile è impiegato per applicare variazioni della forza di contatto durante il processo di finitura in base alle condizioni di taglio, mentre il sensore è utilizzato per misurare l’usura dell’utensile durante il processo. La continua misurazione dell’usura dell’utensile porta ad un miglioramento della stabilità del processo ed ad una ottimizzazione della durata del processo, p.e. un ottimo timing per la sostituzione del utensile o le operazioni di vestizione.
L´esperimento è considerato un successo quando i valori di rugosità ricadono nell’ ordine di Ra < 0.4 µm , Rt e Rz < 3 µm.
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Abstract
Gas turbines used for aerospace purposes are responsible for 5% of the world´s CO2 emissions, and an improvement in their efficiency can lead to a considerable reduction of the environmental impact caused by them. Once the technical limit of the combustion temperature and pressure of the gas is reached, to improve the efficiency of the turbines the focus is shifted to finish within high requirements concerning the surface roughness. Automated super finishing of turbine blades is challenging due to complex bowings and curvatures of the blades. The main step in the process chain of manufacturing turbine blades is done by 5-axis milling of the blade geometry from a rectangular blank. The roughness which is achieved after milling does not fulfill the demanded surface qualities (Ra<0.4 μm). To reach the required surface roughness, the finishing of turbine blades is carried out with a subsequent finishing process.
Nowadays the most common method used for grinding a turbine blade is the manual one, where an operator keeps in contact the turbine against a rotatory belt grinder. In this way the worker is most often exposed to tough working conditions, such as noise emissions, dust formation and stressing physical work. In addition to that, a manually finished blade has a low reproducibility compared to an automated process and the finishing result depends on the individual workers skills.
Existing automation approaches are mainly focusing on CNC belt grinding or vibratory finishing. A disadvantage of the stated processes is that they are not very flexible due to changes in geometry or dimensions of the blades.
An alternative approach is the finishing of turbine blades with a robot using a sensor-actor compliant tool holder with mounted points. The motivation of a robot based finishing process of turbine blades is that a robot driven process is very flexible due to geometrical variations of the blades and changing dimensions. The actor is used to apply varying contact-forces during the finishing process depend on the cutting conditions whereas the sensor is used to measure tool wear during the process. A continuous tool wear measurement is conducted to enhance process stability and to optimize the processing duration concerning e.g. an optimal timing for tool change or redressing operations. The experiment is considered successful if the roughness values of the grinded surface are in the order of Ra < 0.4 µm, Rt and Rz < 3 µm.
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