PROCEDIMIENTO DE PREPARACIÓN DE PIEZAS MECANIZADAS TALES COMO ÁLABES DE TURBOMÁQUINAS O PALAS DE DISCO DE ÁLABES MONOBLOQUE.

Procedimiento de reparación por mecanizado de una pieza que hay que mecanizar (1),

tal como un álabe de turbomáquina, a partir de un perfil conocido de la pieza (B), comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: a. una adquisición de las coordenadas de puntos de una envuelta de la pieza que hay que mecanizar (1), formando el conjunto de los puntos una nube de puntos (A); b. una comparación (31) del perfil conocido (B) con la nube de puntos (A) para definir zonas en sobreespesor o subespesor (20) en la pieza que hay que mecanizar (1); c. una deformación (32) del perfil (B) por un procedimiento de morphing para que el perfil deformado interpole la nube de puntos (A), definiendo la deformación del perfil una función de morphing y d. el mecanizado (34) de la pieza que hay que mecanizar (1) por una máquina de mecanizado, parametrizada a partir de la función de morphing. caracterizado por el hecho de que la deformación del perfil (B) comprende una comparación de cada zona en sobreespesor o subespesor (20) de la pieza que hay que mecanizar (1) con configuraciones elementales de deformación (CED) (5) que se presentan, cada una, en forma de una porción de malla, que simula el perfil (B), y de puntos que simulan puntos de la nube de puntos (A), estando clasificadas las configuraciones elementales de deformación (CED) (5) en una base de datos (100) que asocia para cada configuración elemental de deformación (CED) (102) los parámetros de la función de morphing (101)

La invención se refiere al ámbito de la reparación de piezas mecanizadas tales como álabes de turbomáquinas o palas de Disco de Álabes Monobloque.

En particular, la invención se refiere a un procedimiento de reparación por mecanizado de una pieza que hay que mecanizar de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Un procedimiento de este tipo está descrito en el documento JIANMING ZHENG Y OTROS: “Worn area modeling for automating the repair of turbine blades” THE INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY, SPRINGER-VERLAG, BE, vol. 29, no. 9-10, 7 de junio de 2006 (07-06-2006), páginas 1062-1067, XP019418863 ISSN: 1433-3015.

Un turborreactor comprende diferentes rotores, que giran alrededor de su eje. Estos rotores comprenden un disco, con una llanta a lo largo de la cual están fijados álabes. Tradicionalmente, los álabes están retenidos por su pie en un alojamiento previsto a tal efecto. Con el fin de responder a las exigencias cada vez mayores en prestaciones de los motores, estos rotores pueden ser ahora monobloques. Se habla de discos de álabes monobloques (DAM). En un DAM, los álabes y el disco forman únicamente una sola pieza. A tal efecto, se mecaniza una pieza en bruto forjada para formar el disco, extendiéndose los álabes radialmente a su circunferencia, siendo todo monobloque. Es posible igualmente soldar ciertas piezas, siendo el DAM resultante monobloque. Las ventajas de los rotores monobloques son numerosas, especialmente en términos de masa

Durante su utilización, los álabes experimentan desgastes (erosión, rozamientos) pero también impactos de diversas naturalezas que se traducen en daños severos (desgarrones, soplos, fisuras, etc.). El perfil de los álabes queda entonces modificado, lo que disminuye sus prestaciones aerodinámicas. Siendo el DAM monobloque, no es posible extraer un álabe desgastado para reemplazarlo. Es necesario entonces repararlo para volver a dar al álabe un perfil aerodinámico adecuado.

Refiriéndose a la figura 1, para reparar un álabe 1 de un DAM, es necesario reemplazar la parte dañada por una parte de material sano o añadir material para rellenar los desgastes 11. Esta aportación de material es designada habitualmente por el especialista en la materia con la denominación inglesa « patch ». Este pach 2 es soldado a la superficie del álabe 1 y ésta debe ser mecanizada para recobrar su perfil aerodinámico. El mecanizado de la pieza dañada 1 es una operación delicada que necesita una parametrización específica y muy precisa de la máquina de mecanizado. En efecto, el DAM que hay que reparar presenta una geometría diferente de la de origen en razón de las deformaciones y de los desgastes aparecidos durante su vida de servicio útil. Esta parametrización se obtiene tradicionalmente de manera empírica, ésta es compleja porque debe volver a dar al álabe dañado su forma original al tiempo que se tenga en cuenta el estado de desgaste medio del DAM. Es importante entonces comprender cómo queda definida la forma de origen de un álabe para poder repararla.

♦ Cálculo de un modelo teórico

Refiriéndose a la figura 2, un cálculo aerodinámico 21, realizado en ordenador, permite definir un modelo teórico de los álabes 22. Este cálculo aerodinámico 21 permite obtener los perfiles del álabe en elevaciones dadas(secciones de apilado), denominadas secciones aerodinámicas. El Bureau d'Études Mécaniques (B.E.M) convierte estas secciones aerodinámicas en curvas de Bézier y completa un volumen lineal predefinido durante el cálculo aerodinámico. A partir de este volumen lineal, el B.E.M construye un volumen específico fijando cuadrículas matemáticas de Bézier a estas curvas con el fin de controlar lo mejor posible la tangencia y la curvatura del perfil buscado. Esta construcción es realizada con la ayuda de un software cualquiera de Concepción Asistida por Ordenador (CAO) capaz de tratar curvas de Bézier.

Este conjunto de cuadrículas forma una malla teórica B. La malla B se calcula para definir de manera precisael volumen en tres dimensiones (3D) del álabe. Éste está constituido por cuadrículas que pueden ser triángulos, cuadriláteros u otros polígonos. La malla es más densa a nivel de las zonas del álabe que presenten una gran curvatura. Esta malla teórica B sirve de modelo de estudio para el conjunto de la industrialización, del mecanizado y para el control de las piezas nuevas.

La malla teórica B no puede servir de modelo para la reparación porque ésta no integra los desgastes y las deformaciones que ha experimentado la pieza durante toda la duración de funcionamiento. Hay que apoyarse en un modelo práctico que represente el estado actual de la pieza.

♦ Medición de la pieza real

Refiriéndose a la figura 1, se realiza una medición volúmica 12 de la pieza dañada 1 midiendo las coordenadas de los puntos de la superficie de la pieza con máquinas de mediciones tridimensionales (MMT), por palpación o por medición sin contacto. Se obtiene, así, una nube de puntos A que corresponde a la forma de la pieza dañada 1, denominada real de puntos A.

♦ Mecanizado de la pieza dañada

Para reparar la pieza dañada, los softwares de FAO (Fabricación Asistida por Ordenador) utilizan funciones denominadas « MORPHING » que permiten deformar el modelo teórico B en modelo práctico adaptado al desgaste y a la deformación constatada en la pieza dañada 1.

La « FUNCIÓN RECÍPROCA » corresponde al paso de la pieza dañada a la pieza en estado nuevo. Esta función recíproca es la función buscada que permite parametrizar la máquina de mecanizado (espesor que hay que recuperar para la puesta en cotas) para mecanizar la pieza dañada 1.

El objetivo de la invención es encontrar la función de morphing de deformación del modelo teórico y deducir la función recíproca que permita la parametrización de la máquina de mecanizado.

♦ Medición de las diferentes topologías

Gracias a la comparación entre la nube de puntos real A y el modelo teórico B, refiriéndose a la figura 3, se crea un modelo topológico 31 que permita identificar 32 las zonas en subespesor y las zonas en sobreespesor. A continuación, se procede al cálculo de la trayectoria de mecanizado en el modelo deformado por morphing 33 y se mecaniza la pieza 34 para obtener la pieza reparada 3.

El modelo topológico 31 comprende un conjunto de puntos de coordenadas (x, y, z, Δ) siendo x, y y z las coordenadas de cada punto de la nube A según tres ejes ortogonales, siendo Δ la proyección del punto sobre la normal a la cuadrícula de la malla teórica más próxima al citado punto.

Así, si Δ tiene un valor positivo, la pieza dañada 1 tiene un exceso de material con respecto al modelo teórico B, por el contrario si Δ tiene un valor negativo, la pieza dañada 1 tiene un defecto de material con respecto al modelo teórico B. Softwares de concepción asistida por ordenador (CAO), tales como el software comercializado con la marca registrada CATIA permiten obtener modelos topológicos 31 de manera automatizada y así visualizar las zonas en sobreespesor que deben ser mecanizadas y las zonas que deben recibir una aportación de material.

♦ Deformación teórica de la malla por morphing

Para deformar el modelo teórico B por morphing, es necesario señalar los mejores puntos que hay que desplazar del modelo teórico B para interpolar lo mejor posible un máximo de puntos de la nube real de puntos A. Estos puntos son denominaos puntos de control. Se puede así deformar la malla teórica B y obtener una malla correspondiente a la pieza dañada 1.

♦ Complejidad de la etapa de morphing

El análisis del modelo topológico 32 para realizar el morphing es una etapa compleja que necesita experiencia y un alto nivel de conocimientos técnicos. En efecto, la modificación local de la posición de un punto de control de la malla teórica B tiene influencias globales sobre la forma y la posición de las superficies de Bézier deformadas y sobre la tangencia de empalme entre las superficies.

Condiciones de curvatura y de tangencia deben ser respetadas igualmente a nivel de las irregularidades de la forma de los álabes. Los expertos calculan los mejores puntos del modelo teórico B que hay que desplazar con el fin de que los desvíos entre el modelo teórico deformado y los puntos de la nube de puntos A sean los menores posibles.

El procedimiento de morphing es una etapa lenta y compleja que provoca... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de reparación por mecanizado de una pieza que hay que mecanizar (1), tal como un álabe de turbomáquina, a partir de un perfil conocido de la pieza (B), comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:

a. una adquisición de las coordenadas de puntos de una envuelta de la pieza que hay que mecanizar (1), formando el conjunto de los puntos una nube de puntos (A);

b. una comparación (31) del perfil conocido (B) con la nube de puntos (A) para definir zonas en sobreespesor o subespesor (20) en la pieza que hay que mecanizar (1);

c. una deformación (32) del perfil (B) por un procedimiento de morphing para que el perfil deformado interpole la nube de puntos (A), definiendo la deformación del perfil una función de morphing y

d. el mecanizado (34) de la pieza que hay que mecanizar (1) por una máquina de mecanizado, parametrizada a partir de la función de morphing.

caracterizado por el hecho de que la deformación del perfil (B) comprende una comparación de cada zona en sobreespesor o subespesor (20) de la pieza que hay que mecanizar (1) con configuraciones elementales de deformación (CED) (5) que se presentan, cada una, en forma de una porción de malla, que simula el perfil (B), y de puntos que simulan puntos de la nube de puntos (A), estando clasificadas las configuraciones elementales de deformación (CED) (5) en una base de datos (100) que asocia para cada configuración elemental de deformación (CED) (102) los parámetros de la función de morphing (101).

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el perfil de la pieza se presenta en forma de una malla de puntos (B).

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual las coordenadas y los vectores de desplazamiento de los puntos de la malla (B) que hay que desplazar para interpolar la nube de puntos (A), denominados puntos de controles, son parámetros de la función de morphing (101).

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual una máquina de medición tridimensional (MMT), con o sin palpación, realiza la adquisición de las coordenadas de los puntos de la envuelta de la pieza que hay que mecanizar.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual la pieza que hay que mecanizar (1) es una pieza (1) que tiene una adición de material (2).

6. Base de datos (100) para la puesta en práctica del procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, que asocia a una configuración elemental de deformación (CED) (102) parámetros de la función de morphing (101).