Präzisionsbearbeitung von Laufrädern für die Luft- und Raumfahrt

Präzisionslaufräder für die Luft- und Raumfahrt sind rotierende Komponenten, die in Motoren, Pumpen oder Turbinensystemen eingesetzt werden, hauptsächlich in Flugzeugtriebwerken, Raketentriebwerken oder Satellitenantriebssystemen. Diese Laufräder haben komplexe Formen (meist dünnwandige, integrale Strukturen) und bestehen aus hochtemperaturbeständigen und hochfesten Materialien (wie Titanlegierungen, Nickelbasis-Superlegierungen). Die Bearbeitungsgenauigkeit ist extrem hoch (Toleranz ±0,01-0,05 mm, Oberflächenrauheit Ra≤0,4 μm), um die aerodynamische Leistung und Haltbarkeit bei hohen Drehzahlen (>10.000 U/min) zu gewährleisten.
 

1. Materialeigenschaften

In der Luft- und Raumfahrt werden für Laufräder häufig Hochleistungslegierungen verwendet, um die Zuverlässigkeit in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck und Korrosion zu gewährleisten:

• Titanlegierung (Ti-6Al-4V): Leicht, hochfest, korrosionsbeständig, geeignet für Turbinenlaufräder.
• Nickelbasis-Superlegierung (Inconel 718): Hitzebeständig (>1000°C), oxidationsbeständig, geeignet für integrale Triebwerkslaufräder.
• Andere: Aluminiumlegierungen oder Keramikverbundwerkstoffe für bestimmte Anwendungen mit geringer Last.

2. Bearbeitungsmethoden

Die Präzisionsbearbeitung von Laufrädern betont hohe Genauigkeit, Mehrachsenbearbeitung und die Kombination unkonventioneller Bearbeitungsmethoden, um komplexe geometrische Formen (wie z. B. Blattflächen, dünnwandige Innenräume) zu realisieren. Zu den gängigen Methoden gehören:

• 5-Achsen-CNC-Bearbeitung (CNC): Verwendung von 5-Achsen-Bearbeitungszentren (wie DMG Mori oder Mazak), geeignet für komplexe gekrümmte Blattflächen. Herausforderung: Große Schnittkräfte führen zu Vibrationen, Lösung: Hochsteife Werkzeuge und CAM-Software zur Optimierung der Pfade. Die Bearbeitungszeit kann um 30-50 % verkürzt werden.
• Elektrochemische Bearbeitung (ECM): Werkzeugberührungslos, nicht-thermische Bearbeitung, geeignet für dünnwandige Strukturen aus hochtemperaturbeständigen Legierungen. Hohe Oberflächenqualität (Ra<0,2μm), keine Eigenspannungen, besonders geeignet für komplexe geometrische Formen in der Luft- und Raumfahrt.
• Flexibles Fertigungssystem (FMS): Integriert mehrere CNC-Werkzeugmaschinen, um die automatisierte Serienproduktion von integralen Laufrädern zu realisieren, wobei die Genauigkeit auf ±0,02 mm kontrolliert wird.
• Andere: Feinguss + Nachbearbeitung (z. B. Feinguss), oder Laserbearbeitung für feine r-Ecken-Wellen. Dünnwandige integrale Radiallaufräder können mit einer patentierten Methode hergestellt werden: Zuerst wird der Innenraum grob bearbeitet, dann werden die Schaufeln fein bearbeitet, um sicherzustellen, dass die ultradünnen Schaufeln (Dicke <1 mm) keine Verformung aufweisen.