El CFAA participa en un proyecto de investigación industrial que elaborará toda una cadena de diseño y definición de proceso para componentes que se utilizarán en bancos de ensayo

Con este equipo…sí hay futuro IV/IV (Espacio CFAA) – Nuevas formas de mecanizar álabes

Nagore Villarrazo Rubia, Gonzalo Martínez de Pissón y Octavio Pereira, del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica, CFAA

29/09/2022

El álabe es una pieza de perfil aerodinámico importante dentro de la industria aeronáutica, ya que el conjunto de muchas de estas piezas son las que impulsan y dirigen el flujo de aire en los turbomotores. Normalmente se fabrican mediante la fundición a la cera perdida o forja, estos procesos de fabricación se utilizan para tiradas grandes, ya que son poco flexibles donde un pequeño cambio en la geometría de la pieza implica grandes cambios en la cadena de fabricación [1]. Además, es necesario realizar diferentes operaciones de acabado en las zonas que requieren mayor precisión para su posterior montaje.

Los bancos de ensayos son las instalaciones donde se verifica el funcionamiento de los turbomotores y durante los ensayos se requiere testear varias geometrías. Este hecho implica la fabricación de varios prototipos en lotes pequeños por lo que es necesario buscar otras vías de producción a través de procesos más flexibles que den una respuesta ágil a los cambios de material y geometría entre las piezas de ensayo, asegurando siempre la calidad integra de la misma [2]. Bajo estas premisas, se selecciona el mecanizado para la fabricación de estos componentes. En el caso que aquí se presenta, el componente tipo se trata de un vano estático de aluminio situado en una de las primeras etapas del compresor.

Únicamente se requiere un centro de mecanizado multitarea, consiguiéndose así reducir la cantidad de maquinaria necesaria a una sola. La fabricación de este tipo de piezas exige tanto una gran precisión en el mecanizado, como controlar los diferentes factores que intervienen en el mismo. De esta forma, se consigue establecer un proceso de fabricación robusto que posibilita realizar pequeños cambios en el diseño sin grandes esfuerzos. Esto es posible gracias a las nuevas tecnologías de diseño asistido por computadora (CAD) y la fabricación asistida por computadora (CAM), que simulan por ordenador las operaciones que realizará la máquina física, evitando así posibles colisiones y permitiendo optimizar el proceso para obtener la geometría deseada.

La pieza a ensayar en cuestión, el álabe, es uno de los componentes más críticos principalmente por ser aerodinámico. Es de vital importancia que la fabricación y el ensamblaje de los componentes se realice con gran precisión [3]. Debido a los exigentes requerimientos en este tipo de componentes donde las tolerancias geométricas apenas permiten desvíos, se apostó por mecanizar el álabe en una única atada para reducir posibles errores inducidos por el montaje.

Se han realizado distintos ensayos con el fin de optimizar las condiciones de corte de determinadas operaciones y herramientas, así como reducir los tiempos de mecanizado al máximo para garantizar la viabilidad económica de la fabricación. Dado que la pieza a fabricar es de aluminio y de gran esbeltez ha sido necesario eliminar la presión del contrapunto en las últimas operaciones de acabado para obtener buenos resultados.

La pieza a ensayar en cuestión, el álabe, es uno de los componentes más críticos principalmente por ser aerodinámico.

Resulta evidente que para ajustar la fabricación a las exigencias es necesario desarrollar a su vez la metodología inspección de la pieza, en este caso, se eligieron dos métodos distintos de medición: ambos en máquina de medir por coordenadas (MMC) primero por contacto en una única atada al igual que durante el proceso de mecanizado y a continuación mediante el escaneo de la pieza. Con piezas tan críticas con tolerancias tan exigentes, la propiedad más importante es la de precisión. En los planos se observa que la tolerancia más restrictiva es de 0,008 mm y la medición por contacto es el único método que puede garantizar esa precisión. No obstante, también se escanea la pieza con el escáner óptico, ya que se puede obtener la superficie completa de la pieza y realizar una comparativa con el modelo CAD. Ello facilita una observación global y cualitativa del error que permite atajar las posibles fuentes del mismo, sobre todo en las etapas más tempranas del diseño del proceso. Por ejemplo, en los primeros especímenes se apreció que la pieza se flexionaba en la operación de acabado de la zona alabeada debido a la presión inducida en el contrapunto.

En los primeros especímenes se apreció que la pieza se flexionaba en la operación de acabado de la zona alabeada debido a la presión inducida en el contrapunto.

También se escanea la pieza con el escáner óptico, ya que se puede obtener la superficie completa de la pieza y realizar una comparativa con el modelo CAD.

Ambos procesos de medición, se han desarrollado en paralelo con el de mecanizado, estando las dos líneas de desarrollo en continua retroalimentación. Esto es, las observaciones y resultados que se van obteniendo durante el mecanizado sirven como inputs a la hora de abordar las estrategias de medición, y viceversa.

El feedback realizado tras los análisis de los álabes ha supuesto una gran mejora de la geometría, ya que se han reducido notablemente los errores, sobre todo los debidos a la deformación producida por la presión del contrapunto. También se ha demostrado la necesidad de realizar ensayos para obtener los parámetros de corte que mejor acabado otorgan a la pieza. Además de la importancia del material de la herramienta, ya que esta última es la que permite a la pieza cumplir con los más altos estándares de acabado superficial.

Con este trabajo se ha demostrado la necesidad de realizar ensayos para obtener los parámetros de corte que mejor acabado otorgan a la pieza.

El CFAA y la Universidad del País Vasco UPV/EHU aportan el gran potencial de sus instalaciones en lo relacionado a mecanizado y medición permitiendo mejorar la fabricación hasta cumplir con las restrictivas tolerancias definidas en los planos. Finalmente se ha conseguido validar un proceso totalmente depurado mediante el que se obtiene la pieza que cumple con todas las tolerancias necesarias.

Actualmente se acaba de dar comienzo al proceso productivo de un nuevo álabe de titanio el cual está situado en el rotor de la misma etapa de compresión. Las geometrías, planos y material son totalmente distintos suponiendo así, un nuevo reto con el que desarrollar las técnicas y habilidades del grupo de fabricación avanzada.

El CFAA y la Universidad del País Vasco UPY/EHU han iniciado el proceso productivo de un nuevo álabe de titanio el cual está situado en el rotor de la misma etapa de compresión.

Actualmente el CFAA se ve inmerso en un ambicioso proyecto de investigación industrial destinado a elaborar toda una cadena de diseño y definición de proceso para componentes que se utilizarán en bancos de ensayo, tanto vascos como en otros puntos de Europa

Referencias

[1] A. D. Russell, ‘The manufacture of gas turbine compressor components by Metal Injection Moulding’, 2015.

[2] J. L. Garcia Montañes, ‘Capítulo 23, Bancos de ensayos’, en Aerodinámica de las tomas de aire de las aeronaves,

[3] N. Ortega y S. Plaza, ‘Metrología dimensional en el sector aeronáutico’.

Nagore Villarrazo Rubia, investigadora predoctoral en formación en el CFAA

Ingeniera industrial con especialidad en fabricación y diseño industrial. Su actividad investigadora está dedicada a procesos de fabricación de superficies curvas en centros de mecanizados multieje con distintos métodos de lubricación y medición en máquinas de medir por coordenadas.

Gonzalo Martínez de Pissón Caruncho, investigador en el CFAA, perteneciente a la Universidad del País Vasco (UPV/EHU)

Ingeniero Industrial con especialidad en fabricación y diseño industrial. Experto en diseño CAD/CAM. Su actividad de investigación está centrada en la optimización de trayectorias de corte y diseño de utillajes.