Mecanizado adaptativo para reparación de álabes de turbina

El término "mecanizado adaptativo" es usado ampliamente en estos días. En general, describe una tecnología que adapta los datos de manufactura a condiciones variables. El mecanizado adaptativo se usa por lo general cuando los componentes individuales en un lote tienen ligeras diferencias geométricas. Estos componentes con frecuencia requieren mezcla y operaciones de pulido basadas en la habilidad y destreza de la mano humana.

Algunos sistemas de los cuales se dice son adaptativos, realmente ofrecen la capacidad de "mejor ajuste". Es decir, alinean una pieza de trabajo en una posición de dato conocida. La tecnología de mecanizado verdaderamente adaptativa se enfoca en las variaciones específicas que hacen diferente una pieza de trabajo de otra. Usa un sistema de escaneado, un software especial y un computador servidor integrado con un control de máquina CNC para tomar el control ejecutivo del proceso, modificando de manera automática los patrones de herramientas programados para cubrir las variaciones de parte a parte. 

Los procesos para manufacturar y reparar álabes y aspas usados en motores de turbinas de gas son aptos inherentemente para mecanizado adaptativo. Esto porque poseen un amplio rango de retos complejos relacionados con la geometría, que requiere a menudo estrategias de mecanizado en cinco ejes. Es decir, algunas operaciones de reparación, como recontornear perfiles aerodinámicos después de reparaciones de soldadura, se continúan realizando manualmente. Por esto la industria de turbinas de gas es el foco principal para TTL, una compañía de Reino Unido que ha diseñado y entregado sistemas de mecanizado adaptativo personalizados por casi 20 años. TTL es parte de StarratHeckert.

Un ejemplo adaptativo
Una demostración que hace TTL para ilustrar la capacidad de la tecnología de mecanizado adaptativa es una operación de grabado en cinco ejes sobre la superficie de huevos de gallina sin cocer. Al igual que los álabes, aspas y componentes de combustión que conforman las turbinas de gas modernas, dos huevos nunca son idénticos.

El primer paso es digitalizar la superficie del huevo. Los datos capturados se transfieren a un computador que procesa los datos y modela el tamaño y forma del huevo. Los patrones de herramientas de mecanizado, únicos para cada huevo particular, se generan con base en esos datos. El código CN resultante controla la máquina de cinco ejes y permite grabar la cáscara del huevo a una profundidad predefinida de aproximadamente 0,05 mm (0.002"), sin importar las variaciones de la superficie.

Los retos de grabar huevos diferentes son técnicamente equivalentes a mecanizar nuevas fundiciones o forjas y remover los recubrimientos o el exceso de soldadura cuando se reparan componentes de turbina. Pueden lograrse buenos resultados con la combinación apropiada del diseño de fijaciones, tipo de máquina-herramienta y alistamiento de la máquina-herramienta. Para componentes de turbina reparadas, por ejemplo, puede alcanzarse una precisión de mezcla entre la soldadura de reparación y el material base con un tamaño de paso de sólo +0,00 mm / +0,02 mm (+0.000"/+0.0008").

La tecnología de mecanizado adaptativo también es efectiva para reparar blisks (discos con álabes). El diseño de una sola pieza del blisk reemplaza la serie tradicional de álabes individuales que conforman las etapas de un rotor. Los blisks se han integrado ampliamente en los diseños de rotor en años recientes porque ofrecen ventajas significativas de desempeño sobre diseños de álabe sencillo. Los blisks se producen principalmente usando operaciones de mecanizado en cinco ejes para lograr los requerimientos de tiempos de ciclo, precisión y acabado superficial. Son más costosos y complejos de manufacturar que los diseños de álabe sencillo, de modo que hay gran interés en desarrollar métodos más rentables para repararlos. Sin embargo, sus geometrías complejas hacen el proceso de reparación del blisk tan difícil como manufacturar uno nuevo.

La reparación es necesaria cuando un blisk se daña físicamente en servicio (debido al impacto de un ave, por ejemplo), o a desgaste por rutina. La reparación del blisk suele comenzar aumentando la superficie aerodinámica en la punta y en el borde o reemplazando completamente secciones individuales del perfil aerodinámico mediante soldadura por rayo de electrones. En cada caso, el material adicionado debe contornearse para llevar la superficie aerodinámica a su forma original. Usando mecanizado adaptativo, operaciones como restauración de cuerdas, perfilado del borde, mecanizado de la superficie aerodinámica y mezcla en el material original, pueden desarrollarse automáticamente.

Además, la precisión de mezcla puede lograrse generalmente sin comprometer el espesor del componente o la forma geométrica. Esto es de particular importancia en aplicaciones de turbinas con esfuerzo crítico, en las cuales deben mantenerse los espesores de pared. Aunque la mezcla manual puede producir un componente agradable a la vista, la precisión geométrica del componente puede no cumplir las especificaciones.

Comienza con el escaneo
Las sondas de contacto o las sondas de escáner láser permiten que el proceso de mecanizado adaptativo considere la deformación plástica y los componentes desgastados antes del mecanizado. En comparación con las sondas de contacto, la velocidad con la cual un láser puede capturar los datos implica una reducción drástica en los tiempos de escaneo. Esto es particularmente útil cuando se necesita recrear superficies grandes rápidamente y con eficiencia, como la reparación de componentes de turbinas de gas. El sistema LDS-100 de TTL usa un cabezal de digitalización láser que se instala en el husillo de la máquina, así como una tarjeta de interfaz con el computador de alta velocidad. Los datos recogidos desde el dispositivo se capturan directamente en un conversor análogo a digital de alta velocidad en el computador servidor. Los puntos de datos pueden capturarse individualmente o en una serie continua a velocidades de 100.000 puntos por segundo, lo cual se traduce en velocidades de digitalización tan rápidas como 6 metros por minuto.

El láser está soportado por rutinas de software personalizado para conversión de datos, filtrado y suavizado. El escáner láser puede producir resultados de ±0,005 mm.

Requerimientos de máquina
Para aplicaciones de mecanizado adaptativo, el CNC de la máquina debe ofrecer una arquitectura abierta para permitir comunicación a dos vías entre el control y el computador servidor. Esta comunicación debe ser más que sólo cargar y descargar un programa. Por ejemplo, el sistema adaptativo debe poder determinar desde la máquina el estado de las herramientas de corte en el carrusel y también leer y reaccionar ante mensajes de error de la máquina.

La comunicación a dos vías también es necesaria para permitir el pulido adaptativo usando medios de pulido y rectificado. Es importante mantener registro del tamaño real de la rueda, el cual cambia con el desgaste y afilado de la rueda. Esto se hace con una medición láser en proceso controlada por una interfaz de comunicaciones de bajo nivel entre el computador servidor y el CNC.

Debido a la rápida capacidad de cómputo ahora disponible, que permite procesar grandes cantidades de datos rápidamente, los cálculos complejos requeridos para el mecanizado adaptativo pueden desarrollarse casi en tiempo real. Además, los últimos CNC proveen las altas velocidades de procesamiento necesarias para manejar datos de mecanizado complejos en cinco ejes, incluso a altas tasas de avance.

©Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.