MEP haalt het voordeel uit de fabricage van lucht- en ruimtevaartonderdelen

Inleiding

Fabrikanten passen draai-, frees- en boorbewerkingen toe om functies op werkstukken te bewerken. Diezelfde processen kunnen echter ook bramen en ongewenste scherpe randen aan de kenmerkranden produceren. Deze randvoorwaarden kunnen resulteren in materiaalbreuk wanneer het onderdeel in gebruik is, kunnen het structureel verzwakken en kunnen een gevaar vormen voor degenen die het hanteren. Deze negatieve omstandigheden zijn de reden waarom veel eindgebruikers bramen of extreem scherpe randen beschouwen als redenen om onderdelen van leveranciers af te wijzen.

Fabrikanten hebben traditioneel bramen en scherpe randen verwijderd met behulp van handslijpmachines en andere handmatige processen. Dergelijke methoden zijn traag en vereisen dat het onderdeel uit de werktuigmachine wordt gehaald en opnieuw wordt vastgezet voor ontbramen of afschuinen. En zelfs wanneer ze worden uitgevoerd door bekwame vakmensen, missen deze bewerkingen de noodzakelijke procesconsistentie wanneer ze van onderdeel naar onderdeel gaan.

Een productief alternatief voor handmatig ontbramen is Mechanized Edge Profiling (MEP). MEP elimineert onaanvaardbare randvoorwaarden door een ontwikkeld gereedschap en dezelfde apparatuur toe te passen die de onderdelen van het onderdeel bewerkte. Het MEP-proces biedt tal van voordelen. Het maakt het mogelijk om de uiteindelijke randconditie exact te definiëren en te programmeren via het CAM-systeem van de machine, wat resulteert in maximale herhaalbaarheid. De totale productietijd van onderdelen wordt verkort omdat het onderdeel niet uit de machine hoeft te worden verwijderd en opnieuw moet worden bevestigd, en tolerantiestapeling en andere inconsistenties die optreden van instelling tot instelling worden geëlimineerd. Als reactie op deze trend blijven de huidige fabrikanten van snijgereedschappen nieuwe en productieve gereedschappen ontwikkelen die de voordelen van het MEP-proces vergroten.

Hoofdkandidaten voor MEP

Gezien de steeds strengere eisen van de lucht- en ruimtevaartindustrie voor nauwkeurigheid en consistentie van onderdelen, zijn onderdelen van straalvliegtuigen uitstekende kandidaten voor de toepassing van MEP.

Onderdelen van vliegtuigturbinemotoren worden bijvoorbeeld in het algemeen gecategoriseerd als niet-roterend en roterend. Voor MEP van niet-roterende motoronderdelen zoals trommels en behuizingen, bestaat randprofilering meestal uit standaard afschuining en breekrandgereedschap, aangebracht op de apparatuur die het onderdeel heeft bewerkt.

Voor kritische roterende onderdelen, zoals ventilator- en compressorschijven, stellen eindgebruikers hogere eisen en eisen volledige eliminatie van oppervlakte-imperfecties. Randvoorwaarden moeten doorgaans worden goedgekeurd en gecertificeerd door het laboratorium. Om deze onderdelen te ontbramen, hebben gereedschapmakers zeer nauwkeurige, volledig herhaalbare, op maat gemaakte MEP-gereedschappen ontwikkeld.

Ontwikkeling van MEP-tool

Standaard ontbraam- en profileergereedschappen, zoals die worden toegepast op niet-roterende componenten, omvatten gecoate volhardmetalen afschuinende vingerfrezen met 45˚ en 60˚ snijkanten, evenals gereedschappen die indexeerbare wisselplaten gebruiken om 45˚ en 60˚ afschuiningen te produceren.

Voor de meest kritieke toepassingen bieden gereedschapmakers gereedschappen die speciaal zijn ontworpen om randen te profileren en bramen te verwijderen, specifiek bij de ingang of uitgang van een gat. Sommige gereedschappen combineren deze mogelijkheden en kunnen zowel in- als uitgaande zijbramen verwijderen.

Deze aangepaste gereedschappen hebben vaak complexe snijgeometrieën. De meest geavanceerde hebben randontwerpen die een afschuining produceren met een afgeronde rand die wordt voorafgegaan door invoer- en uitvoerhoeken die zijn ontworpen om de vorming van secundaire bramen te voorkomen.

Gespecialiseerde gereedschapsontwikkeling gaat verder dan alleen de snijkanten. Voor het profileren van bramen en randen bij een gatingang of bovenoppervlak van een onderdeel, heeft onderzoek aangetoond dat de combinatie van een rechtse snede met een rechtse helix het meest effectief is omdat het dient om het gesneden materiaal van het onderdeel te verwijderen. Aan de andere kant, voor uitgaande bramen op het bodemoppervlak van een onderdeel, werkt een rechtse snede in combinatie met een linkse helix het beste, opnieuw omdat die configuratie spanen van het onderdeel verwijdert.

Andere toepassingsanalyses hebben uitgewezen dat MEP-gereedschappen die zijn ontworpen voor het verwijderen van bramen aan de bovenkant of ingang van een gat, een langere standtijd bieden dan gereedschappen die bedoeld zijn voor het verwijderen van bramen aan de onderkant of het uitgangseinde van een doorgaand gat. Dat komt omdat een ontbraamgereedschap dat is ontworpen om door een onderdeel te reiken om toegang te krijgen tot de uitgang van het gat, langer en kleiner in diameter zal zijn dan een ontbraamgereedschap dat bedoeld is om zijn werk vanaf slechts één kant van het gat te doen. Een gereedschap met een langere en kleinere diameter is vatbaarder voor instabiliteit en trillingen, die beide een hardmetalen gereedschap kunnen afbreken of breken. Als gevolg hiervan kiezen de meeste winkels ervoor om afzonderlijke gereedschappen te gebruiken om de in- en uitgangsranden van een gat te ontbramen in plaats van een enkel gereedschap dat beide kan doen.

Langere gereedschappen met een kleinere diameter vereisen ook meer zorg bij het kiezen van snijparameters. Een kort, stevig stuk gereedschap kan sneller lopen zonder trillingen of andere problemen. Onderdeelgeometrie en kenmerken maken ook een verschil. Wanneer de snijomstandigheden stabiel zijn en de sneden soepel en ononderbroken zijn, kunnen agressievere snijparameters worden toegepast. Aan de andere kant dwingen onderdeelkenmerken, zoals toegangsgaten die MEP-snijpaden onderbreken, het gebruik van meer conservatieve parameters af om gereedschapsslijtage te minimaliseren en voortijdig falen te voorkomen.

Een deel van de voortdurende ontwikkeling van MEP-gereedschappen omvat gereedschappen die het bewerken van een element combineren met ontbramen. De MEP-snijkant zou bijvoorbeeld aan de bovenkant van de vingerfrees worden geplaatst, zodat deze tegelijkertijd de diameter van het gat kan bewerken en de ingangsranden kan ontbramen.

Materiële uitdagingen

Veel lucht- en ruimtevaartmaterialen bieden, wat betreft hun bewerkingseigenschappen, extra uitdagingen als het gaat om het verwijderen van bramen en het afschuinen van hun scherpe randen. Legeringen op nikkelbasis die bijvoorbeeld in motoronderdelen worden gebruikt, zijn taai en zijn slechte warmtegeleiders. Zo absorbeert het snijgereedschap de warmte die wordt gegenereerd tijdens het snijproces, wat de slijtage van het gereedschap versnelt.

Dienovereenkomstig moeten gereedschapmakers bij het bepalen van de metallurgie en geometrie van een gereedschap een balans vinden tussen snijkantscherpte en snijkantsterkte. Een hard carbide substraatmateriaal kan thermische en abrasieve slijtage zeer goed weerstaan, maar het zal de slagvastheid missen van een substraat dat is voorzien van toevoegingen van kobalt of ander legeringsmateriaal om de taaiheid te vergroten. Op dezelfde manier kan een messcherpe snijkant meer vatbaar zijn voor breuk in vergelijking met een snijkant die een geslepen of ander snijvlak heeft. Gereedschapsmakers stellen ook de spaan- en spiraalhoeken en gereedschapscoatings nauwkeurig af om de beste resultaten te bereiken met specifieke werkstukmaterialen.

Gereedschapsgrootte

Voor het bewerken van grote gaten en randen kunnen gereedschapmakers gereedschappen van elk formaat ontwerpen waarvoor leveranciers een voldoende grote blank kunnen leveren. Aan de kleine kant van het spectrum zijn er echter grenzen. Momenteel is de kleinste straal die kan worden geslepen ongeveer 0,2 mm, met verhoudingsgewijs kleinere invoer- en uitvoerhoeken.

Aangepaste MEP-gereedschappen hebben specifieke radii, afschuiningen, hoeken en combinaties van deze kenmerken. De gereedschappen hebben gewoonlijk vierkante snijkanten. Er zijn echter ook ballnose- en lolly-achtige tools beschikbaar om kenmerken van een component te profileren waarvan de contouren de toegang van een MEP-tool met vierkante randen beperken. Toegepast op een vijfassige machine, kunnen deze gereedschappen de lijn van een complex onderdeelprofiel scannen en een straal creëren op lange geprofileerde randen.

MEP in operatie 

Om de nauwkeurigheid en consistentie te maximaliseren en de tijd te besparen die nodig is om een ​​onderdeel van machine naar machine te verplaatsen, voeren fabrikanten MEP meestal uit als onderdeel van de eigenlijke bewerking van de onderdeelkenmerken.

Meestal vindt ontbramen plaats nadat alle machinale bewerkingen zijn voltooid. Het CAM-programma stuurt de MEP-gereedschappen om alle gaten te ontbramen en scherpe randen achter elkaar te breken. Sommige MEP-gereedschappen kunnen worden gebruikt om verschillende gaten te ontbramen, en sommige profielgereedschappen kunnen worden toegepast op drie of vier verschillende locaties of functies, zoals de bodem van een gat en de onderkant van een schelpcontour.

Om ervoor te zorgen dat de randprofilering op de juiste locatie en met de juiste hoeveelheid plaatsvindt, moet het betreffende gat of kenmerk worden gedefinieerd of gemeten voordat de MEP-operatie begint. Wanneer de onderdeeltoleranties erg krap zijn, is de locatie van het onderdeeloppervlak goed gedefinieerd en kan het nodig zijn om tijdens het proces te meten. Als de toleranties echter ruim zijn, is meting noodzakelijk na de eerste bewerking om de locatie van de rand of het te profileren element te bepalen.

Bovendien moet het gereedschap zelf worden gemeten en geplaatst om ervoor te zorgen dat het onderdeel correct wordt geprofileerd. Omdat de gereedschapsradii zo klein zijn – en voor praktische doeleinden onmeetbaar – wordt de gereedschapslengte gespecificeerd in het CAM-programma. De operator kan de gereedschapslengte buiten de machine bevestigen met een voorinstelling of op de machine via een laser of tastsysteem. Voedingssnelheden worden berekend ten opzichte van de gemeten afmetingen van de onderdeelkenmerken en het gereedschap. De meest geavanceerde ontbraamgereedschappen op maat worden door hun fabrikant voor 100 procent gemeten met een tolerantie van 40 micron op het gereedschapsprofiel, inclusief slingering.

Het ontbramen of afschuinen moet worden beschouwd als een afwerkgang, waarbij kwaliteit voorop staat. Productiviteit is altijd belangrijk, maar vooral in het geval van lucht- en ruimtevaartcomponenten die honderdduizenden dollars kosten, kan het pushen van de tool om de output te maximaliseren negatieve en dure gevolgen hebben. Consistentie, betrouwbaarheid en eliminatie van schrootdelen staan ​​voorop.

Conclusie

Onderdelen met buiten de specificaties vallende scherpe randen en bramen worden steeds vaker als duur schroot beschouwd. Dit is duidelijk zichtbaar in de lucht- en ruimtevaartindustrie, maar het is een groeiende trend in sommige kritieke toepassingen binnen de medische, energie- en andere industrieën. Fabrikanten hebben een methode nodig om componenten en profielranden van onderdelen te ontbramen die consistent, documenteerbaar en kostenefficiënt is. Mechanized Edge Profiling (MEP) voorziet in die behoefte omdat het handmatige bewerkingen vervangt die, hoe vakkundig ook uitgevoerd, van onderdeel tot onderdeel inconsistent kunnen zijn en duur zijn in termen van arbeidskosten, installatiekosten en onderdeelbehandelingskosten. Sommige eindgebruikers hebben handmatig ontbramen al verboden omdat dit niet kan worden gedocumenteerd en gecertificeerd.

De meest efficiënte en kosteneffectieve MEP vertegenwoordigt een combinatie van technische ontwikkeling en applicatie-expertise. Gereedschapsmakers die een dergelijke totaaloplossing bieden, helpen het fabricageproces in de lucht- en ruimtevaart (evenals vergelijkbare processen in andere kritieke industrieën) te stroomlijnen en nieuwe niveaus van kwaliteit en productiviteit te bereiken.

Europarlementariër in actie

Gemechaniseerde Edge Profiling biedt voordelen voor fabrikanten in verschillende toepassingen.

In één situatie produceerde een fabrikant een 303-roestvrij onderdeel in een machine met twee assen. Naarmate het volume van de onderdelen en de batchgroottes toenam, groeide ook de behoefte aan een hogere productiviteit. De bewerkingen waren ongebalanceerd en tijdrovend - 90 procent van de bewerking vond plaats in de hoofdspil en handmatig ontbramen van de onderkant van het onderdeel was vereist, waardoor een extra setup nodig was. Toen de fabrikant een speciaal ontworpen volhardmetaal MEP-gereedschap in de subspil van de machine aanbracht, maakte het tegelijkertijd profileren van beide zijden van de flensboutgaten van het onderdeel mogelijk. De bewerkingstijd tussen de twee spindels werd evenwichtiger en de cyclustijd nam aanzienlijk af. Het gebruik van de MEP-tool elimineerde ook de noodzaak voor handmatig ontbramen en de extra setup en tijd die het vergde.

Een ander geval betrof een keuze tussen een afgeschuinde (platte) randbehandeling versus een afgeronde (afgeronde) rand. Sommige onderdelen hebben geen specifieke vereisten dat een rand moet worden verwerkt door een van beide soorten gereedschappen. Eén fabrikant ontdekte echter dat bij het toepassen van een radius in plaats van de afschuining, de levensduur van het onderdeel drie keer langer was dan een onderdeel dat was afgeschuind. Een schijnbaar klein verschil in gereedschapskeuze verhoogde de kwaliteit van het onderdeel aanzienlijk.

Ten slotte biedt een fabricagebewerking in de lucht- en ruimtevaart op een TiAl-4V-ventilatorschijf een voorbeeld van de toepassing van een MEP-contourgereedschap. Een fabrikant had een hardmetalen gereedschap gebruikt dat in een nokpassinghouder werd gehouden om de schijf te bewerken. De oppervlakteafwerking was slecht op willekeurige plaatsen rond de schijf en de sleufradius, en het probleem was inconsistent en varieerde in ernst en frequentie. De fabrikant paste een 10 mm diameter, 10-tands center-cutting lolly-stijl gecoate volhardmetalen frees toe met 30˚ rechtsdraaiende helix. Het gereedschap elimineerde de problemen met de oppervlakteafwerking en was in staat om beide zijden van de schijf in een aanzienlijk kortere tijd af te werken.

Eerder vermeld op SecoTools.com.