Wie kann bei so vielen Luft- und Raumfahrtteilen die Bearbeitungseffizienz sichergestellt werden?

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Mai gepostet. 11., 2020, | Von WayKen Rapid Manufacturing

Die Spitze des menschlichen Denkens und Ingenieurswesens ist zu Recht den gigantischen Flugmaschinen vorbehalten. Raketen, Flugzeuge und Jets sind unglaublich schwer zu entwerfen und noch schwieriger herzustellen. Aus diesem Grund gibt es weltweit nur 8 große Unternehmen, die Verkehrsflugzeuge in beträchtlichen Mengen herstellen. Ein Flugzeug, ob im Weltraum oder einfach nur fliegend, besteht aus über 500.000 Teilen, von denen ein großer Teil äußerst präzise und langlebig sein muss. Sicherzustellen, dass diese Teile die beste Qualität und die besten Kosten haben, ist ein wichtiges Ziel der industriellen Luft- und Raumfahrtbearbeitung.

Probleme bei der Produktion von Luft- und Raumfahrtteilen

Die Präzisionsbearbeitung in der Luft- und Raumfahrt hat viele Probleme. Zunächst einmal besteht die Vielzahl von Luft- und Raumfahrtteilen aus den unterschiedlichsten Materialien. Die Triebwerkselemente, die für die Arbeit des Flugzeugs am wichtigsten sind, bestehen aus hitzebeständigen, gehärteten Legierungen, die extrem schwer zu bearbeiten sind. Diese Legierungen leiten Wärme schlecht und so staut sich die Hitze während der Bearbeitung im Werkzeug. Die Nickellegierungen werden oft gealtert oder anderweitig wärmebehandelt, so dass sie sehr schwer zu bearbeiten sind. Die Präzision von Luft- und Raumfahrtteilen ist im Vergleich zu anderen Branchen viel strenger, während die Geometrien der Teile viel komplexer sind.

Abgesehen von direkten Bearbeitungsproblemen gibt es viele indirekte Probleme. Eine davon umfasst Produktionsstandards. Zusammen mit der medizinischen Industrie ist die Luft- und Raumfahrtproduktion eine der am stärksten regulierten der Welt, und es ist schwierig, alle Qualitätsanforderungen zu erfüllen.

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Dünnwandige Luft- und Raumfahrtteile effizient bearbeiten

Das Gewicht ist für Luftraumfahrzeuge extrem entscheidend. Je leichter das Design, desto weniger Kraftstoff wird es verbrauchen, daher konstruieren Luft- und Raumfahrtingenieure oft Teile mit dünnen Wänden, Gittern, Netzen und so weiter. Herkömmlicherweise werden sie aus einem massiven gegossenen oder gestanzten Metallblock maschinell hergestellt, und das Abfallmaterial solcher Teile beträgt 95 %. Die geringe Materialeffizienz ist jedoch nicht das einzige Problem. Das eigentliche Problem bei der Bearbeitung solcher Teile ist die Verformung durch hohe Schnittkräfte. Wenn Sie den Vorschub und die Schnitttiefe zu stark erhöhen, insbesondere bei Nickellegierungen, riskieren Sie, die Wände durch Vibrationen zu zerbrechen oder sie durch die übermäßige Hitze zu verformen. Das Ergebnis ist meist, dass man im Kriechgang einen winzigen Span abtrennt und die Gesamtbearbeitungszeit unvorstellbar groß wird.

Was können Sie tun, um die Bearbeitungszeit zu verkürzen und dünnwandige Luft- und Raumfahrtteile tatsächlich wettbewerbsfähig zu bearbeiten? Das erste, was Sie tun müssen, ist die Vibration zu verringern. Das vibrierende Werkzeug trifft auf eine dünne Wand, die sich verbiegt oder reißt. Um Vibrationen zu verringern, ist es also besser, den Vorschub zu verringern, aber die Anzahl der Schneidkanten in einer Mühle zu erhöhen (oder sogar mehrere Schneidwerkzeuge auf einer Drehmaschine zu verwenden). Die optimale Schneidstrategie zum Fräsen dünnwandiger Luft- und Raumfahrtteile ist Gleichlauffräsen. Diese Strategie verwendet einen Vorschub, der der herkömmlichen Frässtrategie entgegengesetzt ist. Dies führt zu einer geringeren Schneidkraft, einer besseren Oberflächengüte und vor allem dringt der Fräser dort in das Material ein, wo die Wand am dicksten ist, wodurch die Vibration viel geringer ist. Um der Überhitzung entgegenzuwirken, ist der Einsatz fortschrittlicher Hochdruck-Kühlmittel erforderlich.

Trochoidale Bearbeitungspfade zur Reduzierung der Überhitzung in Luft- und Raumfahrtlegierungen

Die Überhitzung von Teilen aufgrund schlechter Wärmeleitung ist ein typisches Problem für Luft- und Raumfahrtteile. Eine Bearbeitungsstrategie zur Verringerung der Wärmeentwicklung wird als trochoidales Fräsen bezeichnet. Es nutzt die Fähigkeiten von CNC-Maschinen, um komplexen Schnittpfaden zu folgen. Die trochoidale Strategie verwendet einen kleinen Fräser (ohnehin kleiner als der Schnitt), der einem Pfad folgt, der einem federseitigen Vorsprung auf einer flachen Oberfläche ähnelt. Eine Kurve – der Fräser schneidet, dann geht er während der zweiten Kurve zurück und schneidet dann das Metall erneut. Diese Strategie teilt die Kontaktzeit zwischen dem Werkzeug und dem Teil so auf, dass es einen Moment gibt, in dem beide durch die Schneidflüssigkeiten effizient gekühlt werden können. Das Trochoidaldrehen ähnelt dem Fräsen, wobei kurze Schnitt- und Pausensequenzen verwendet werden, damit die Kühlmittel ihre Arbeit verrichten und eine Überhitzung vermieden wird. Eine solche Strategie hat im Vergleich zu anderen Strategien viel mehr leere Werkzeugläufe, aber sie negierte diesen Effekt, indem sie die Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe erhöhte. Bei Wayken können wir auch EDM-Bearbeitung anbieten, um möglicherweise die Bearbeitung von Teilen zu vermeiden.

Auswahl der richtigen Werkzeuge für die schnelle Bearbeitung

Wenn es um Werkzeugmaschinen geht, spielen CNC-Maschinen eine große Rolle und sind für die Aluminiumbearbeitung weit verbreitet. Eine der wichtigsten Möglichkeiten, die Effizienz der Bearbeitung zu steigern, ist die Wahl des richtigen Schneidwerkzeugs. Wenn weichere Legierungen gut analysiert sind und viele Hersteller Lösungen für Aluminium und andere Legierungen anbieten. Viele Materialien für die Luft- und Raumfahrt sind jedoch klassifiziert, sodass die Auswahl vor Ort getroffen werden muss.

Die Tricks zur effizienten Werkzeugwahl für hitzebeständige Materialien müssen den negativen Eigenschaften der Materialien entgegenwirken. Ein perfektes Werkzeug muss also wenig Vibrationen aufweisen, sehr hart sein und hohen Temperaturen standhalten, um eine konstante Lebensdauer zu haben und mit effizienten Vorschüben zu arbeiten. Ein perfektes Beispiel für ein Werkzeug, das für solche Zwecke verwendet wird, ist das Diamant-Schneidwerkzeug. Künstliche Diamanten sind härter und haltbarer als Hartmetalleinsätze und können bei höheren Temperaturen arbeiten. Die Diamantbearbeitung hat ihre Besonderheiten, kann aber sicherlich an die Bedürfnisse von Luft- und Raumfahrtherstellern angepasst werden. Neben Diamantwerkzeugen erweisen sich auch Keramikwerkzeuge als sehr leistungsfähig, da sie bei höchsten Temperaturen arbeiten können.

Um die Vibrationen der bearbeiteten Teile zu verringern, ist es wichtig, Fräser mit mehr Schneiden und einem schärferen Spanwinkel zu verwenden. Solche Fräser minimieren die Zeit und den Abstand, den das Werkzeug durchläuft, bevor die nächste Schneidkante auf das Material trifft, wodurch Vibrationen verringert werden und Sie damit die Schneidparameter für mehr Effizienz erhöhen können.

Systeme, die die Qualität der Bearbeitung sicherstellen

Bevor Sie eine Strategie anwenden und mit der Bearbeitung beginnen, ist es wichtig abzuschätzen, ob die Qualität des Teils zum gewünschten Zeitpunkt erreicht werden kann. Wie können wir die endgültige Toleranz, die Oberflächenbeschaffenheit und den Zeitpunkt der Bearbeitung vorhersagen, bevor wir sie durchführen? Das war vor kurzem noch nicht möglich, aber jetzt liegt es an der atemberaubenden Geschwindigkeit, mit der sich die mathematischen Modellierungstechniken entwickeln. Die Finite-Elemente-Analyse hat ein Niveau erreicht, auf dem Sie die Schneidprozesse mit guter Genauigkeit simulieren können. Sie können also Ihr Modell hochladen und sich die tatsächlichen Schnittkräfte und die Wärmeableitung ansehen und wie sich dies auf das endgültige Teil auswirkt. Sie sehen Eigenspannungen, Verformungen usw. noch bevor Sie einen Rohling auf der CNC-Werkzeugmaschine montieren. Diese Technologie bietet große Vorteile bei der Vorhersage des Bearbeitungsergebnisses und verringert die verbleibende Zeit für Wiederholungen.

Wie WayKen Ihnen helfen kann?

Hier haben wir stark in fortschrittliche CNC-Bearbeitungstechnologie und Mehrachsmaschinen investiert, die es uns ermöglichen, Probeläufe, kundenspezifische Kleinserien oder Kleinserien einfach und schnell zu bearbeiten. Wir können Ihren Bedarf an bearbeiteten Teilen decken, wenn Sie noch heute CAD-Dateien für ein kostenloses Angebot hochladen können.