MEP verbetert luchtvaartproductie door graten en scherpe randen te elimineren

Inleiding

Fabrikanten gebruiken draaien, frezen en booroperaties om kenmerken op werkstukken te bewerken. Deze processen kunnen echter ook graten en ongewenste scherpe randen produceren aan de kenmerkgrenzen. Deze randcondities kunnen leiden tot materiaalbreuk wanneer het onderdeel in gebruik is, het structureel verzwakken en een gevaar vormen voor diegenen die het hanteren. Deze negatieve condities zijn de reden waarom veel eindgebruikers graten of extreem scherpe randen als redenen zien om onderdelen van leveranciers te verwerpen.

Fabrikanten hebben traditioneel graten en scherpe randen verwijderd met handfrezen en andere handmatige processen. Dergelijke methoden zijn traag en vereisen dat het onderdeel uit de werktuigmachine wordt gehaald en opnieuw wordt gespannen voor de ontgrating- of affaseringsoperaties. En zelfs wanneer uitgevoerd door vakkundige ambachtslieden, missen deze operaties de benodigde procesconsistentie van onderdeel tot onderdeel.

Een productief alternatief voor handmatige ontgrating is Mechanized Edge Profiling (MEP). MEP elimineert onacceptabele randcondities door een ontworpen gereedschap en dezelfde apparatuur toe te passen die de onderdeelkenmerken bewerkte. Het MEP-proces biedt talloze voordelen. Het stelt de finale randconditie precies in te definiëren en programmeren via het CAM-systeem van de machine, wat resulteert in maximale herhaalbaarheid. De totale productietijd van het onderdeel wordt verminderd omdat het onderdeel niet uit de machine hoeft te worden gehaald en opnieuw gespannen, en tolerantie-opstapeling en andere inconsistenties die van opstelling tot opstelling ontstaan, worden geëlimineerd. In reactie op deze trend blijven snijgereedschappenfabrikanten nieuwe en productieve gereedschappen ontwikkelen die de voordelen van het MEP-proces verbeteren.

Ideale kandidaten voor MEP

Gegeven de steeds strengere eisen van de luchtvaartindustrie aan onderdeelnauwkeurigheid en consistentie, zijn straalmotorcomponenten ideale kandidaten voor de toepassing van MEP.

Vliegtuigmotorkomponenten zijn doorgaans gecategoriseerd als niet-rotterend en rotterend. Voor MEP van niet-rotterende motoronderdelen zoals trommels en behuizingen, bestaat randprofilering meestal uit standaard affaser- en breukrandtooling, toegepast op de apparatuur die het onderdeel bewerkte.

Voor kritieke rotterende onderdelen zoals waaier- en compressor schijven, hebben eindgebruikers hogere eisen en eisen volledige eliminatie van oppervlakte-onvolkomenheden. Randcondities moeten doorgaans laboratoriumgoedkeuring en certificering ondergaan. Om deze onderdelen te ontgraten, hebben gereedschappenfabrikanten hoog-nauwkeurige, volledig herhaalbare, maatwerk MEP-toolings ontwikkeld.

MEP-gereedschapsontwikkeling

Standaard ontgrating- en profileringsgereedschappen, zoals die toegepast op niet-rotterende componenten, omvatten gecoate massief hardmetaal affaser frezen met 45° en 60° snijden, evenals gereedschappen die wisselbare platen gebruiken om 45° en 60° affaseringen te produceren.

Voor de meest kritieke toepassingen leveren gereedschappenfabrikanten gereedschappen die maatwerk zijn ontworpen om randen te profileren en graten specifiek bij de in- of uitgang van een gat te verwijderen. Sommige gereedschappen combineren die mogelijkheden en kunnen zowel in- als uitgaande graten verwijderen.

Deze maatwerkgereedschappen hebben vaak complexe slijpgeometrieën. De meest geavanceerde hebben randontwerpen die een affasering met een geradiusde rand produceren die voorafgegaan wordt door in- en uithoeken die ontworpen zijn om vorming van secundaire graten te voorkomen.

Gespecialiseerde gereedschapsontwikkeling gaat verder dan alleen de snijden. Voor het profileren van graten en randen bij een gatbovenkant, of bovenzijde van een component, heeft onderzoek onthuld dat de combinatie van een rechtsom snede met een rechtsom heliks het meest effectief is, omdat het dient om het gesneden materiaal van het onderdeel te verwijderen. Aan de andere kant, voor uitgaande graten aan de onderzijde van een onderdeel, werkt een rechtsom snede gecombineerd met een linksom heliks het beste, opnieuw omdat die configuratie spaan van het onderdeel afvoert.

Andere toepassingsanalyses hebben aangegeven dat MEP-gereedschappen die ontworpen zijn voor het verwijderen van graten aan de bovenkant of ingang van een gat, een langere levensduur bieden dan gereedschappen bedoeld voor het verwijderen van graten aan de onderkant of uitgang van een doorboorgat. Dat is omdat een ontgratingsgereedschap ontworpen om door een onderdeel te reiken om de gatafgang te bereiken, langer en kleiner in diameter zal zijn dan een bedoeld om zijn werk vanaf één kant van het gat te doen. Een langere en kleinere-diameter gereedschap is meer geneigd tot instabiliteit en trilling, beide kunnen een hardmetaal gereedschap beschadigen of breken. Als resultaat kiezen de meeste shops ervoor om afzonderlijke gereedschappen te gebruiken om de in- en uitgaande randen van een gat te ontgraten in plaats van een enkel gereedschap dat beide kan doen.

Langere, kleinere-diameter gereedschappen vereisen ook meer zorg bij het kiezen van snijparameters. Een kort, stevig gereedschap kan sneller draaien zonder trilling of andere problemen. Deelsgeometrie en kenmerken maken ook verschil. Wanneer snijcondities stabiel zijn en sneden glad en ononderbroken zijn, kunnen agressievere snijparameters worden toegepast. Aan de andere kant, delen zoals toegangsopeningen die MEP-snijpaden onderbreken, dwingen tot het gebruik van meer conservatieve parameters om gereedschapslijtijd te minimaliseren en vroege uitval te voorkomen.

Deel van de lopende ontwikkeling van MEP-tooling betreft gereedschappen die bewerking van een kenmerk combineren met ontgraten. Bijvoorbeeld, de MEP-snijdrand zou bovenaan de frees kunnen liggen zodat hij de diameter van het gat kan bewerken en de ingaande randen kan ontgraten.

Materiaaluitdagingen

Veel luchtvaartmaterialen, wat hun bewerkingskenmerken betreft, stellen aanvullende uitdagingen bij het verwijderen van graten en affaseren van hun scherpe randen. Nikkel-basis legeringen die in motorcomponenten worden gebruikt, zijn bijvoorbeeld zacht en slechte warmteleiders. Dus het snijgereedschap absorbeert de gegenereerde hitte tijdens het snijproces, wat gereedschapslijtijd versnelt.

Daarom, bij het bepalen van de metallurgie en geometrie van een gereedschap, moeten gereedschappenfabrikanten een balans vinden tussen randscherpte en randsterkte. Een hard hardmetaal substratenmateriaal kan thermische en slijtende slijtage heel goed weerstaan, maar het zal de impactsweerstand missen van een substraat dat toevoegingen van kobalt of ander legeringsmateriaal bevat om de zwaarte te verhogen. Op dezelfde manier kan een doodge scherpe snijrand meer geneigd zijn tot breuk vergeleken met een die een afronding of andere randafrondingsvoorbereiding heeft. Gereedschappenfabrikanten stellen ook hoek- en helikshoeken en gereedschapscoatings finer af om de beste resultaten met specifieke werkstukmaterialen te bereiken.

Gereedschapsgrootte

Voor het verwerken van grote gaten en randen kunnen gereedschappenfabrikanten gereedschappen van elke grootte ontwerpen waarvoor leveranciers een groot genoeg blok kunnen leveren. Aan de kleine kant van het spectrum zijn er echter grenzen. Op dit moment is de kleinste straal die geschoven kan worden ongeveer 0,2 mm, met proportioneel kleinere in- en uithoeken.

Maatwerk MEP-gereedschappen hebben specifieke stralen, affaseringen, hoeken en combinaties van die kenmerken. De gereedschappen hebben doorgaans vierkante snijden. Echter, balneus- en lollipop-stijl gereedschappen zijn ook beschikbaar om kenmerken van een component te profileren wiens contouren de toegang van een vierkante MEP-gereedschap beperken. Toegepast op een vijf-as machine, kunnen deze gereedschappen de lijn van een complex deelprofiel afscannen en een straal aanbrengen op lange gecontourde randen.

MEP in werking

Om nauwkeurigheid en consistentie te maximaliseren en de tijd te besparen die wordt besteed aan het verplaatsen van een onderdeel van machine tot machine, voeren fabrikanten MEP meestal uit als onderdeel van de daadwerkelijke onderdeelkenmerkbewerking.

Doorgaans vindt ontgrating plaats na voltooiing van alle bewerkingsoperaties. Het CAM-programma stuurt de MEP-gereedschappen om alle gaten te ontgraten en scherpe randen te breken in volgorde. Sommige MEP-gereedschappen kunnen worden gebruikt om een verscheidenheid aan gaten te ontgraten, en sommige profileringsgereedschappen kunnen op drie of vier verschillende locaties of kenmerken worden toegepast, zoals de bodem van een gat evenals de bodem van een scoop-contour.

Om te garanderen dat de randprofilering op de juiste locatie en met het juiste bedrag plaatsvindt, moet het gat of betrokken kenmerk gedefinieerd of gemeten worden voordat de MEP-operatie begint. Wanneer de onderdeeltoleranties erg strak zijn, is de locatie van het onderdeeloppervlak goed gedefinieerd en is in-process meting mogelijk onnodig. Echter, wanneer toleranties ruimer zijn, is meting nodig na initiële bewerking om de locatie van de te profileren rand of kenmerk te bepalen.

Daarnaast moet het gereedschap zelf gemeten en gelokaliseerd worden om te garanderen dat het het onderdeel correct zal profileren. Omdat de gereedschapsstralen zo klein zijn – en voor praktische doeleinden onmeetbaar – wordt de gereedschapslengte gespecificeerd in het CAM-programma. De operator kan de gereedschapslengte weg van de machine bevestigen met een presetter of op de machine via een laser of tasttaster. Voedsnelheden worden berekend relatief tot de gemeten afmetingen van de onderdeelkenmerken en het gereedschap. De meest geavanceerde maatwerk ontgratingsgereedschappen zijn 100 procent gemeten door hun fabrikant tot een tolerantie van 40 micron op het gereedschapsprofiel, inclusief uitloop.

De ontgratings- of affaseringsoperatie moet worden beschouwd als een afwerkingspas, met de primaire focus op kwaliteit. Productiviteit is altijd belangrijk, maar vooral in het geval van luchtvaartcomponenten die honderdduizenden dollars kosten, kan het drijven van het gereedschap om de uitvoer te maximaliseren negatieve, en dure, gevolgen hebben. Consistentie, betrouwbaarheid en eliminatie van schrotonderdelen zijn vanzelfsprekend.

Conclusie

Onderdelen met buiten-specificatie scherpe randen en graten worden steeds vaker als dure schrot beschouwd. Dit is sterk zichtbaar in de luchtvaartindustrie, maar is een groeiende trend in sommige kritieke toepassingen binnen de medische, energie en andere industrieën. Fabrikanten hebben een methode nodig om componenten te ontgraten en deelranden te profileren die consistent, documenteerbaar en kostenefficiënt is. Mechanized Edge Profiling (MEP) vult die behoefte in omdat het handmatige operaties vervangt die, ongeacht hoe vaardig uitgevoerd, inconsistente resultaten van onderdeel tot onderdeel kunnen opleveren en duur zijn in termen van arbeid, opstelling en onderdeelafhandeling. Sommige eindgebruikers hebben handmatige ontgrating al verboden omdat het niet gedocumenteerd en gecertificeerd kan worden.

De meest efficiënte en kosteneffectieve MEP vertegenwoordigt een combinatie van technische ontwikkeling en toepassingsexpertise. Gereedschappenfabrikanten die zo'n totale oplossing bieden, helpen het luchtvaartproductieproces (en vergelijkbare processen in andere kritieke industrieën) te stroomlijnen en nieuwe niveaus van kwaliteit en productiviteit te produceren.

MEP in actie

Mechanized Edge Profiling bevoordeelt fabrikanten in een verscheidenheid aan toepassingen.

In één situatie produceerde een fabrikant een 303 roestvrij onderdeel in een tweespindel machine. Naarmate het onderdeelvolume en de batchgroottes groeiden, groeide ook de behoefte aan verhoogde productiviteit. De operaties waren ongebalanceerd en tijdrovend – 90 procent van de bewerking vond plaats in de hoofddraaibank, en handmatige ontgrating van de onderkant van het onderdeel was vereist, wat een extra opstelling noodzakelijk maakte. Toen de fabrikant een maatwerk massief hardmetaal MEP-gereedschap in de subspindel van de machine toepaste, maakte het profileren van beide kanten van de flensboutgaten van het onderdeel tegelijkertijd mogelijk. De bewerkingstijd tussen de twee spindels werd meer gebalanceerd, en de cyclus tijd nam aanzienlijk af. Gebruik van het MEP-gereedschap elimineerde ook de noodzaak voor handmatige ontgrating en de extra opstelling en tijd die het vereiste.

Een ander geval betrof een keuze tussen een afgefaseerde (platte) randbehandeling versus een geradiusde (afgeronde) rand. Sommige onderdelen hebben geen specifieke eisen dat een rand verwerkt wordt door één van de twee stijlen van tooling. Eén fabrikant ontdekte echter dat bij toepassing van een straal in plaats van de affasering, de onderdundleven drie keer langer was dan een onderdeel dat was afgefaseerd. Een schijnbaar klein verschil in toolingkeuze verhoogde de onderdeelkwaliteit aanzienlijk.

Ten slotte geeft een luchtvaartproductieoperatie op een TiAl-4V waaierschijf een voorbeeld van de toepassing van een MEP-contourtool. Een fabrikant had een hardmetaal vormgereedschap gebruikt, vastgezet in een kam-houder, om de schijf te bewerken. Het oppervlakafwerk was slecht op willekeurige locaties rond de schijf en sleufstraal, en het probleem was inconsistente en varieerde in ernst en frequentie. De fabrikant paste een 10 mm diameter, 10-tand middelpunt-snijde lollipop-stijl gecoate massief hardmetaal frees met 30° rechtsom heliks toe. Het gereedschap elimineerde de oppervlakafwerkproblemen, en het was in staat om beide kanten van de schijf in een aanzienlijk kortere tijd af te werken.

Eerder gepubliceerd op SecoTools.com.