Gebouwd voor snelheid:op tijd hoogwaardige vliegtuigmotoren maken

Voor dit eerste artikel in een serie over het bouwen van vliegtuigen, richten we ons op motoronderdelen en componenten, waarbij we de echte problemen benadrukken die gereedschapmakers hun klanten elke dag helpen oplossen. We kijken ook uitgebreid naar wat er op dit moment gebeurt in en rond het maken van onderdelen in de lucht- en ruimtevaart.

Hoe staat het momenteel met de lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie? De drang om vliegtuigen snel te bouwen en op tijd te leveren is heel reëel, maar het is niet zonder obstakels of kosten.

Op het niveau van het maken van onderdelen kunnen hittebestendige en composietmaterialen ronduit moeilijk te snijden zijn. Lucht- en ruimtevaartfabrikanten moeten daarom zeer strategisch worden in hun procestechniek, machineprogrammering en gereedschapselectie, volgens drie grote gereedschapsmakers die we hebben geïnterviewd.

Strategisch worden is zeer waar voor alle complexe componenten waaruit een straalmotor bestaat, waarbij individuele gesmede onderdelen van $ 75.000 de norm zijn - en het slopen ervan is een dure, ongewenste optie. Snelheid, hoewel essentieel, gaat niet boven voorspelbare, betrouwbare resultaten.

Lucht- en ruimtevaart en defensie:productieverhoging betekent dat geavanceerde gereedschapsstrategieën nodig zijn

"Aangezien we fabrikanten van originele apparatuur de productiesnelheden zien verhogen, blijft het risico bestaan ​​dat leveranciers moeilijkheden ondervinden bij het opvoeren van de productie", zegt Robin Lineberger, de leider van Deloitte's lucht- en ruimtevaartdivisie, in het rapport "2019 Global Aerospace and Defence Industry Outlook". "Om deze uitdaging het hoofd te bieden, moeten fabrikanten overwegen hun focus te verdiepen op het versterken van de toeleveringsketen, effectief programmabeheer en het gebruik van geavanceerde technologieën om de productiviteit en efficiëntie te verbeteren."

In haar rapport verwacht Deloitte dat 2018 zal worden afgesloten met zo'n 1.600 vliegtuigen voor het jaar - en voorspelt 100 meer dan dat voor 2019. De productievraag betekent vaak het gebruik van hogere doorvoer- en multitasking-machines. De "geavanceerde technologieën" die het noemt, omvatten alles, van in-proces sensorgebaseerde metrologie tot high-speed, meerassige bewerking tot hoogontwikkelde, speciale gereedschappen bedoeld voor alle materiaalspecificaties die deze sterk gereguleerde industrie op zijn pad brengt.

Waar Deloitte niet op wijst, is dat het zes maanden tot een jaar kan duren voordat een geavanceerde 5-assige machine arriveert. Dus terwijl die in backorder zijn, beheren sommige onderaannemers met bestaande 3-assige systemen of andere verouderde machines - en veel "leveranciers" van afgewerkte lucht- en ruimtevaartonderdelen moeten gereedschapsstrategieën heroverwegen terwijl ze wachten, leggen gereedschapsmakers uit.

“Ze willen snellere manieren van produceren”, zegt Bill Durow, een global engineering manager met een focus op lucht- en ruimtevaart bij Sandvik Coromant. “Ze willen ze op hogere snelheden laten draaien, of het nu gaat om voorbewerken of afwerken. Tegenwoordig is het aantal geproduceerde motoren in een tempo dat we nog nooit eerder in de industrie hebben gezien.”

Het vinden van de juiste hardmetaalsoorten en wisselplaatgereedschappen die speciaal zijn ontworpen voor hittebestendige superlegeringen, ook wel "HRSA's" genoemd, is tegenwoordig heel goed mogelijk. Maar er is nog een leercurve over deze nieuwere materialen en de geometrieën die nodig zijn om ze te snijden, zeggen de gereedschapmakers.

Gereedschappen die zijn ontworpen om bijvoorbeeld 4140-staal te snijden, zijn waarschijnlijk niet de beste gereedschappen voor het snijden van Inconel, titanium of met koolstofvezel versterkt plastic, of 'CFRP'. In de afgelopen jaren zijn sommige statische en roterende motorcomponenten die vroeger van titanium waren gemaakt, nu gemaakt van keramische matrixcomposietmaterialen of 'CMC's', zeggen ingenieurs van Seco Tools.

"De kunst van dit alles is de synergie om alles samen te voegen", zegt Dave Todd, Western Zone and Aerospace Manager bij Seco Tools. "Onze vaardigheden zijn tegenwoordig veranderd in de lucht- en ruimtevaart en we zijn veel meer een adviesbureau geworden dat samenwerkt met technologiepartners, eersteklas leveranciers en de academische wereld ... Veel van de procesengineering wordt off-site gedaan in onze technologiehub."

Alle drie de toolingmakers hebben testlaboratoria die ze gebruiken om mogelijke oplossingen voor hun klanten te testen. Alle drie geven ze er ook de voorkeur aan om een ​​combinatie van laboratoriumtests en tests op locatie uit te voeren om er zeker van te zijn dat de exacte strategieën werken op de daadwerkelijke, fysieke productielijn.

Nadenken over mogelijkheden voor het maken van onderdelen in de lucht- en ruimtevaart en defensie? Lees "Manufacturing 101:onderdeel worden van de lucht- en ruimtevaartindustrie."

Het probleem en de oplossingen voor het omgaan met warmte in de snijzone

Brandstofefficiëntie stimuleert de vraag naar lichtere componenten die gebruik maken van hittebestendige materialen die moeilijk te bewerken zijn. Een deel van de stimulans voor efficiëntere motorprestaties is het milieu:een schonere verbranding is ook efficiënter.

"De technische vereisten brengen het naar het niveau van de leverancier, wat betekent dat u een snellere reactietijd moet hebben op gereedschapstechnologie om geavanceerde materialen te ondersteunen", zegt Scott Causey, een marktsegmentspecialist bij Seco Tools. "En voor sommige materialen is mogelijk een heel andere gereedschapsstrategie nodig om te snijden, simpelweg op basis van hun complexiteit:een gewoon HRSA-materiaal gebruikt niet dezelfde snijstrategie als een keramische matrixcomposiet."

Een CMC-materiaal is gelaagd en kan gemakkelijk breken als het niet correct wordt behandeld.

Maar denk hier ook eens over na:Hittebestendig materiaal - wat uitstekend is voor de efficiëntie van een waanzinnig hete turbinestraalmotor - creëert ook veel hitte bij het snijden. De gereedschapssoorten vereisen zelf een niveau van hittebestendigheid om zelfs de klus te klaren.

Om aan de behoefte aan koelmiddel te voldoen, is levering via het gereedschap een essentieel detail geworden in gereedschappen voor geavanceerde bewerkingen. Gereedschapsmakers vinden voortdurend nieuwe innovaties op het gebied van koelmiddellevering, waaronder enkele gereedschappen die meerdere poorten hebben om op het meest effectieve moment op de meest directe snijlocaties te leveren.

Over koelvloeistof gesproken:waar gaat de koeltechnologie naartoe? Ontdek het in " De toekomst van metaalbewerkingsvloeistoffen, machinesmeermiddelen en koelmiddelen .”

Spotlight op vliegtuigmotoren

De geometrieën die nodig zijn om vormen en materialen van motoronderdelen te snijden, vereisen dimensionaal denken. Er zijn uniek gevormde motorblisks en airfoils die verschillende materialen kunnen combineren, bijvoorbeeld een composiet met titanium.

Om dat tegen te gaan, ontwerpen en testen deze makers een volledige reeks kwaliteiten die bedoeld zijn om de meest uitdagende materialen te snijden:Inconel, HRSA's, titanium en vele andere. En er is nog een andere manier:ze bouwen op maat gemaakte ruimtevaarttools als dat nodig is. Deze aangepaste tools worden vaak standaard productlijnen voor alle klanten.

Drie van de belangrijkste gereedschapsmakers beschrijven hoe de OEM-specificaties en unieke geometrieën van lucht- en ruimtevaartonderdelen ertoe hebben geleid dat aangepaste gereedschappen zijn uitgegroeid tot standaardproductlijnen - ooit bewezen in het veld. Alle drie de fabrikanten hebben programma's voor de ruimtevaart en zeer specifieke onderdelen die zijn geoptimaliseerd voor de hedendaagse toepassingen van motorcomponenten, waaronder:blisk/waaiers, vleugelprofielen, turbineschijven, turbinebehuizingen, spoelen, ventilatorbehuizingen en assen.

Hier zijn vier voorbeelden van real-world motorcomponenten die werden gemaakt waarbij de juiste tooling een impact had. Alle omvatten Tier 1-luchtvaartfabrikanten met gemiddeld 35 tot 40 machines in hun winkel die 365/24/7 draaien. Dit zijn zeker niet de enige onderdelen van het aanbod van motorcomponenten voor deze makers.

Sandvik Coromant Pakt productiviteit aan in Blisks

Uitdaging: Het duurde zeven dagen om een ​​blisk te maken. Het op nikkel gebaseerde deel had een diep blad en een smalle gleuf. Het voorbewerken van het lange bereik bleek niet effectief met traditionele freesbenaderingen. Chipverpakking was overdreven. Machines crashten.

"We zagen wat ze aan het doen waren, gewoon vingerfrezen verbranden, op volle kracht:heen en weer, heen en weer, heen en weer", zegt Durow. "Ze hadden overtollige gereedschappen, ze brachten ze naar de maalgoedwinkel en hergebruikten ze dan ... Het kostte veel tijd en gebruikte veel vingerfrezen."

Oplossing: Een volhardmetalen duikgereedschap vergelijkbaar met wat was gedaan in matrijs- en matrijsbewerkingen. Daarnaast werd er een tweede stuk gereedschap met een kleinere diameter gebruikt om de knobbels schoon te maken.

"We brachten ons teststuk terug naar het laboratorium en we kwamen op het idee om de duikroutines te gebruiken", zegt Durow. “Het werkte heel, heel goed. En het leuke was dat we met de secundaire opruiming bijna weer een semi-nabewerkingsoperatie hebben geëlimineerd.”

Resultaat: Vier dagen van de zevendaagse blisk-productie geschoren met voorbewerken en semi-nabewerken. Het werd uiteindelijk ook een standaardaanbod voor blisk-applicaties.

Kennametal bespaart een grote aankoop met een luchtfolie

Uitdaging: Een onregelmatig gevormde luchtfolie gemaakt van Inconel werd gesneden in een elektrochemisch bewerkingsproces, of "ECM", waarbij het werkstuk werd vastgehouden door een materiaal van een bismutlegering. Agressief snijden van de grondstof was niet mogelijk, dus de productie verliep traag. Pulserende krachten veroorzaakten klapperen en trillingen - en een slechte standtijd.

Oplossing: Ontwierp een snijstrategie die de helix, het aantal groeven en de microgeometrie van het gereedschap aanpaste om het afstoten naar zwaardere sneden te minimaliseren. Voor lichtere sneden verhoogden ze de helix en veranderden ze de diameter en het aantal groeven om ervoor te zorgen dat er drie contactpunten waren tijdens de rotatie.

Resultaat: Soepel snijden, langere standtijd en verhoogde maximale verspaningscapaciteit. De klant kon de bestelling annuleren voor een nieuwe machine van $ 1 miljoen die op het punt stond te worden besteld.

Seco Tools Neemt de controle over snijgroeven in een motorschijf

Uitdaging: Spaanbeheersingsproblemen door het snijden van diepe groeven in warmtebehandelde Inconel 718 in een compressorschijf die de ventilatorbladen vasthoudt. Diepe insteekroutines leiden tot gereedschapsbreuk en een slechte standtijd.

Oplossing: Een multidirectioneel draai- en groefsysteem gecombineerd met hogedruk koelvloeistof. Een zigzag, hellende geometrische snijstrategie hielp de spanen dunner te maken, hitte te verminderen en een aanzienlijke standtijd te behalen.

Resultaat: Een reductie van 15 tot 20 procent in cyclustijd. Controle over het proces en minder last van handmatige, tijdrovende interventie.

Kennametal elimineert trillingen in een motorbehuizing

Uitdaging: Een volledige inch titanium verwijderen voor een motorbehuizing, maar deze kon niet worden gedraaid. Er was te veel snijkracht en weinig productiviteit van bestaande gereedschappen. Het was moeilijk om specifieke functiegebieden te omzeilen.

“Motorkoffers horen rond te zijn, toch? Maar dat zijn ze echt niet', zegt Mark Francis, ingenieur projectstaf voor lucht- en ruimtevaart en defensie bij Kennametal. "Ze zitten boordevol functies die de mogelijkheid elimineren om gewoon een eenvoudige draaicyclus uit te voeren ... Ik zou zeggen dat 80 procent van de tijd het materiaal wordt gesneden door te frezen."

Oplossing: Gebruik een speciaal gereedschap dat rond de diameter past en tegelijkertijd trillingen en afstoten elimineert.

Resultaat: Een stabiele, betrouwbare productielijn met voorspelbare verspaningsefficiëntie. Aangepaste tools die ertoe leiden dat ze een standaard worden.

Het belang van het productieproces en de kosten per onderdeel

Houd in gedachten:de meeste leveranciers van Tier 1-onderdelen voor het maken van lucht- en ruimtevaart hebben niet dezelfde exacte bewerkingsapparatuur, ook al bouwen ze mogelijk dezelfde onderdelen met dezelfde OEM-specificaties. Gereedschapsmakers en metaalbewerkingsspecialisten moeten elke bewerkingsomgeving en ontwerpstrategieën begrijpen die werken voor elke unieke bewerkingsomgeving.

Onafhankelijk van elkaar wilden alle drie de toolingmakers, die concurrenten zijn, één ding overduidelijk duidelijk maken:de nadruk moet liggen op de productiviteitswinst door het gebruik van de juiste tools die bedoeld zijn om echt een impact te hebben op de productiviteit en nauwkeurigheid. Ze zijn ook van mening dat een meer holistisch beeld van de kosten per onderdeel helpt om te voldoen aan de tijdige levering van steeds meer vliegtuigen.

Het bewijs, zeggen ze, zit in de productiviteit.

Zijn de productiesnelheden in de lucht- en ruimtevaart echt? Spring in op het gesprek op de metaalbewerkingsforum . [registratie vereist]