Machining distortion prediction for aerospace structural components

Resumen

Las distorsiones son un problema recurrente en la producción de componentes estructurales aeroespaciales, y conlleva altos costos y desperdicio de material y energía en la industria. Actualmente se resuelve mediante largos procesos de mecanizado, con secuencias repetitivas en las que se sueltan las piezas, se analiza la distorsión y se realizan correcciones, las cuales dependen en gran medida de la experiencia de los trabajadores cualificados. Esta tesis aborda la comprensión de la distorsión tras el mecanizado de aeroestructuras con el objetivo de desarrollar un procedimiento capaz de determinar las tensiones residuales y calcular la distorsión en las líneas de producción.En las aeroestructuras, las principales fuentes de distorsión son las tensiones residuales, tanto las procedentes de procesos de fabricación previos inherentes a los brutos, como las inducidas en las superficies por el mecanizado debido a las elevadas cargas térmicas y mecánicas. Debido a las variabilidades entre brutos, los modelos de simulación no proporcionan datos reales del estado inicial de tensiones residuales de cada bruto, y la medición de estas tensiones volumétricas es compleja, costosa y limitada al laboratorio. Además, dado que la mayoría de los métodos de medición de tensiones residuales volumétricas son destructivos, no se pueden obtener piezas finales a partir de brutos cuyas tensiones residuales iniciales hayan sido medidas. Por otro lado, las tensiones residuales superficiales inducidas por el mecanizado varían en función de las condiciones de mecanizado y además existe una incertidumbre vinculada a los métodos de medición. Por estas razones, el presente proyecto desarrolla procedimientospara la cuantificación de tensiones residuales en entornos industriales y la predicción precisa de distorsiones.En primer lugar, se desarrolla un método de caracterización de tensiones residuales iniciales en los brutos de mecanizado, el cual se puede realizar en taller en brutos de tamaño real, permitiendo obtener piezas finales a partir de brutos con tensiones iniciales medidas. En segundo lugar, se realizan mediciones de distintos perfiles de tensión inducidos por el mecanizado en aleaciones de aluminio y titanio, y se desarrolla un modelo empírico para la predicción de tensiones inducidas por el mecanizado. En tercer lugar, se evalúa la aplicabilidad de los desarrollos relacionados con la determinación de tensiones residuales a través de diferentes estudios vinculados a la predicción de distorsiones tras el mecanizado. Finalmente, se realiza una predicción de la distorsión tras el mecanizado en una pieza real utilizando la geometría de la pieza, el material, las tensiones residuales y los datos del proceso. Los resultados obtenidos de forma sencilla y rápida muestran una estimación de distorsión tras el mecanizado precisa, así como el rango de incertidumbre de dicha estimación.