MEP bringt Vorteile bei der Teilefertigung für die Luft- und Raumfahrt

Einführung

Hersteller verwenden Dreh-, Fräs- und Bohroperationen, um Merkmale an Werkstücken zu bearbeiten. Dieselben Prozesse können jedoch auch Grate und unerwünschte scharfe Kanten an den Merkmalsgrenzen erzeugen. Diese Kantenbedingungen können zu Materialbruch führen, wenn das Teil verwendet wird, können es strukturell schwächen und können eine Gefahr für die Personen darstellen, die es handhaben. Diese negativen Bedingungen sind der Grund, warum viele Endbenutzer Grate oder extrem scharfe Kanten als Gründe betrachten, Teile von Lieferanten abzulehnen.

Hersteller haben traditionell Grate und scharfe Kanten mit Handschleifern und anderen manuellen Verfahren entfernt. Solche Verfahren sind langsam und erfordern, dass das Teil aus der Werkzeugmaschine herausgenommen und für die Entgratungs- oder Abfasungsvorgänge neu befestigt wird. Und selbst wenn sie von erfahrenen Handwerkern durchgeführt werden, fehlt diesen Operationen die notwendige Prozesskonstanz, wenn sie von Teil zu Teil gehen.

Eine produktive Alternative zum manuellen Entgraten ist das mechanisierte Kantenprofilieren (MEP). MEP eliminiert inakzeptable Kantenbedingungen durch den Einsatz eines technischen Werkzeugs und der gleichen Ausrüstung, mit der die Teilemerkmale bearbeitet wurden. Das MEP-Verfahren bietet zahlreiche Vorteile. Es ermöglicht die exakte Definition und Programmierung des endgültigen Kantenzustands durch das CAM-System der Maschine, was zu einer maximalen Wiederholgenauigkeit führt. Die Gesamtproduktionszeit des Teils wird reduziert, da das Teil nicht aus der Maschine entfernt und neu befestigt werden muss, und Toleranzstapelung und andere Inkonsistenzen, die von Einrichtung zu Einrichtung auftreten, werden eliminiert. Als Reaktion auf diesen Trend entwickeln die heutigen Schneidwerkzeughersteller weiterhin neue und produktive Werkzeuge, die die Vorteile des MEP-Prozesses verbessern.

Hauptkandidaten für MdEP

In Anbetracht der immer strengeren Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie an Teilegenauigkeit und -konsistenz sind Düsenflugzeugkomponenten die besten Kandidaten für die Anwendung von MEP.

Komponenten von Flugzeugturbinentriebwerken werden beispielsweise im Allgemeinen als nicht rotierend und rotierend kategorisiert. Für MEP von nicht rotierenden Motorteilen wie Trommeln und Gehäusen besteht die Kantenprofilierung normalerweise aus Standardwerkzeugen für Fasen und Bruchkanten, die auf der Ausrüstung angebracht werden, mit der das Teil bearbeitet wurde.

Bei kritischen rotierenden Teilen wie Lüfter- und Kompressorscheiben haben Endbenutzer höhere Anforderungen und verlangen die vollständige Beseitigung von Oberflächenfehlern. Kantenbedingungen müssen normalerweise einer Laborzulassung und -zertifizierung unterzogen werden. Um diese Teile zu entgraten, haben Werkzeughersteller hochpräzise, ​​vollständig wiederholbare, kundenspezifische MEP-Werkzeuge entwickelt.

Entwicklung von MEP-Tools

Zu den Standardwerkzeugen zum Entgraten und Profilieren, wie sie an nicht rotierenden Bauteilen eingesetzt werden, gehören beschichtete Vollhartmetall-Fasfräser mit 45˚- und 60˚-Schneiden sowie Werkzeuge, die mit Wendeschneidplatten 45˚- und 60˚-Fasen erzeugen.

Für die kritischsten Anwendungen bieten Werkzeughersteller Werkzeuge an, die speziell zum Profilieren von Kanten und zum Entfernen von Graten speziell am Ein- oder Ausgang eines Lochs entwickelt wurden. Einige Werkzeuge vereinen diese Fähigkeiten und können Grate sowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsseite entfernen.

Diese Sonderwerkzeuge weisen oft komplexe Schneidengeometrien auf. Die ausgefeiltesten haben Kantendesigns, die eine Fase mit einer abgerundeten Kante erzeugen, der Ein- und Auslaufwinkel vorangehen, die so konstruiert sind, dass sie die Bildung von Sekundärgraten verhindern.

Spezialisierte Werkzeugentwicklung geht über die reine Schneide hinaus. Für das Profilieren von Graten und Kanten an einem Locheingang oder der oberen Oberfläche eines Bauteils hat die Forschung gezeigt, dass die Kombination eines Rechtsschnitts mit einer Rechtsspirale am effektivsten ist, da sie dazu dient, das geschnittene Material vom Teil zu entfernen. Andererseits funktioniert für Austrittsgrate auf der Unterseite eines Teils ein rechtsgängiger Schnitt in Kombination mit einer linksgängigen Spirale am besten, wiederum weil diese Konfiguration Späne von der Komponente wegbewegt.

Andere Anwendungsanalysen haben gezeigt, dass MEP-Werkzeuge, die zum Entfernen von Graten an der Spitze oder am Eingang eines Lochs entwickelt wurden, eine längere Werkzeuglebensdauer bieten als Werkzeuge, die zum Entfernen von Graten am Boden oder am Ende eines Durchgangslochs vorgesehen sind. Das liegt daran, dass ein Entgratungswerkzeug, das dafür ausgelegt ist, durch ein Teil zu greifen, um Zugang zum Lochausgang zu erhalten, länger und kleiner im Durchmesser ist als eines, das seine Arbeit nur von einer Seite des Lochs aus erledigen soll. Ein Werkzeug mit längerem und kleinerem Durchmesser ist anfälliger für Instabilität und Vibration, die beide ein Hartmetallwerkzeug absplittern oder brechen können. Infolgedessen entscheiden sich die meisten Betriebe dafür, separate Werkzeuge zum Entgraten der Eintritts- und Austrittskanten eines Lochs zu verwenden, anstatt ein einzelnes Werkzeug, das beides kann.

Längere Werkzeuge mit kleinerem Durchmesser erfordern auch mehr Sorgfalt bei der Auswahl der Schnittparameter. Ein kurzes, robustes Werkzeug kann ohne Vibrationen oder andere Probleme schneller laufen. Teilegeometrie und Merkmale machen ebenfalls einen Unterschied. Wenn die Schnittbedingungen stabil und die Schnitte glatt und ohne Unterbrechungen sind, können aggressivere Schnittparameter angewendet werden. Andererseits zwingen Teilemerkmale wie Zugangslöcher, die MEP-Schneidpfade unterbrechen, zur Verwendung konservativerer Parameter, um den Werkzeugverschleiß zu minimieren und einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern.

Ein Teil der laufenden Entwicklung von MEP-Werkzeugen umfasst Werkzeuge, die die Bearbeitung eines Merkmals mit dem Entgraten kombinieren. Beispielsweise würde sich die MEP-Schneidkante oben am Schaftfräser befinden, sodass sie gleichzeitig den Durchmesser des Lochs bearbeiten und die Eintrittskanten entgraten könnte.

Materialische Herausforderungen

Viele Luft- und Raumfahrtmaterialien stellen hinsichtlich ihrer Bearbeitungseigenschaften zusätzliche Herausforderungen dar, wenn es darum geht, Grate zu entfernen und ihre scharfen Kanten abzufasen. Legierungen auf Nickelbasis, die beispielsweise in Motorkomponenten verwendet werden, sind zäh und schlechte Wärmeleiter. Somit nimmt das Schneidwerkzeug die beim Schneidvorgang entstehende Wärme auf, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Dementsprechend müssen Werkzeugbauer bei der Bestimmung der Metallurgie und Geometrie eines Werkzeugs ein Gleichgewicht zwischen Kantenschärfe und Kantenfestigkeit finden. Ein Hartkarbid-Substratmaterial kann thermischen und abrasiven Verschleiß sehr gut widerstehen, aber es wird ihm die Schlagfestigkeit eines Substrats fehlen, das Zusätze von Kobalt oder anderen Legierungsmaterialien aufweist, um seine Zähigkeit zu erhöhen. Auf die gleiche Weise kann eine totenscharfe Schneidkante anfälliger für Brüche sein als eine, die eine Hon- oder andere Kantenverrundungsvorbereitung hat. Werkzeugmacher optimieren auch Span- und Schrägungswinkel sowie Werkzeugbeschichtungen, um mit bestimmten Werkstückmaterialien die besten Ergebnisse zu erzielen.

Werkzeuggröße

Für die Bearbeitung großer Löcher und Kanten können Werkzeugmacher Werkzeuge jeder Größe konstruieren, für die Lieferanten einen ausreichend großen Rohling bereitstellen können. Auf der kleinen Seite des Spektrums gibt es jedoch Grenzen. Derzeit beträgt der kleinste schleifbare Radius etwa 0,2 mm, mit proportional kleineren Einlauf- und Auslaufwinkeln.

Benutzerdefinierte MEP-Werkzeuge haben spezifische Radien, Fasen, Winkel und Kombinationen dieser Merkmale. Üblicherweise haben die Werkzeuge rechtwinklige Schneidkanten. Es sind jedoch auch Werkzeuge im Kugelnasen- und Lollipop-Stil verfügbar, um Merkmale einer Komponente zu profilieren, deren Konturen den Zugang eines kantigen MEP-Werkzeugs einschränken. Auf einer Fünf-Achsen-Maschine angewendet, können diese Werkzeuge die Linie eines komplexen Teileprofils scannen und einen Radius an langen konturierten Kanten erzeugen.

MdEP im Einsatz 

Um die Genauigkeit und Konsistenz zu maximieren und die Zeit zu sparen, die für den Transport eines Teils von Maschine zu Maschine aufgewendet wird, führen Hersteller die MEP normalerweise als Teil des eigentlichen Bearbeitungsvorgangs der Teilemerkmale durch.

Typischerweise erfolgt das Entgraten, nachdem alle Bearbeitungsvorgänge abgeschlossen sind. Das CAM-Programm weist die MEP-Werkzeuge an, alle Löcher zu entgraten und scharfe Kanten nacheinander zu brechen. Einige MEP-Werkzeuge können zum Entgraten einer Vielzahl von Löchern verwendet werden, und einige Profilierungswerkzeuge können an drei oder vier verschiedenen Stellen oder Merkmalen angewendet werden, z. B. am Boden eines Lochs sowie am Boden einer Bogenkontur.

Um sicherzustellen, dass die Kantenprofilierung an der richtigen Stelle und mit der richtigen Menge erfolgt, muss das betroffene Loch oder Merkmal definiert oder gemessen werden, bevor der MEP-Vorgang beginnt. Wenn die Teiletoleranzen sehr eng sind, ist die Position der Teileoberfläche gut definiert und eine In-Prozess-Messung kann unnötig sein. Wenn die Toleranzen jedoch großzügig sind, ist nach der anfänglichen Bearbeitung eine Messung erforderlich, um die Position der zu profilierenden Kante oder des zu profilierenden Merkmals zu bestimmen.

Außerdem muss das Werkzeug selbst gemessen und positioniert werden, um sicherzustellen, dass es das Teil korrekt profiliert. Da die Werkzeugradien so klein und praktisch nicht messbar sind, wird die Werkzeuglänge im CAM-Programm vorgegeben. Der Bediener kann die Werkzeuglänge abseits der Maschine mit einem Voreinstellgerät oder an der Maschine per Laser oder Tastsystem bestätigen. Vorschübe werden relativ zu den gemessenen Abmessungen der Teilemerkmale und des Werkzeugs berechnet. Die anspruchsvollsten kundenspezifischen Entgratwerkzeuge werden von ihrem Hersteller zu 100 Prozent auf eine Toleranz von 40 Mikrometern am Werkzeugprofil einschließlich Rundlauf gemessen.

Das Entgraten oder Anfasen ist als Nachbearbeitung zu betrachten, bei der die Qualität im Vordergrund steht. Produktivität ist immer wichtig, aber insbesondere im Fall von Luft- und Raumfahrtkomponenten, die Hunderttausende von Dollar kosten, kann es negative und teure Auswirkungen haben, das Werkzeug zur Maximierung der Leistung zu drängen. Konsistenz, Zuverlässigkeit und Vermeidung von Ausschussteilen sind von größter Bedeutung.

Fazit

Teile mit außerhalb der Spezifikation liegenden scharfen Kanten und Graten gelten immer häufiger als teurer Ausschuss. Dies zeigt sich deutlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie, ist jedoch ein wachsender Trend in einigen kritischen Anwendungen in der Medizin-, Energie- und anderen Industrien. Hersteller benötigen eine Methode zum Entgraten von Komponenten und zum Profilieren von Teilekanten, die konsistent, dokumentierbar und kosteneffizient ist. Mechanisiertes Kantenprofilieren (MEP) erfüllt diesen Bedarf, da es manuelle Vorgänge ersetzt, die, egal wie geschickt sie ausgeführt werden, von Teil zu Teil uneinheitlich sein können und in Bezug auf Arbeit, Einrichtung und Teilehandhabung teuer sind. Einige Endverbraucher haben das manuelle Entgraten bereits verboten, weil es nicht dokumentiert und zertifiziert werden kann.

Die effizienteste und kostengünstigste MEP steht für eine Kombination aus technischer Entwicklung und Anwendungskompetenz. Werkzeughersteller, die eine solche Gesamtlösung anbieten, werden dazu beitragen, den Luft- und Raumfahrtfertigungsprozess (sowie ähnliche Prozesse in anderen kritischen Branchen) zu rationalisieren und ein neues Maß an Qualität und Produktivität zu erreichen.

MEP in Aktion

Die mechanisierte Kantenprofilierung kommt Herstellern in einer Vielzahl von Anwendungen zugute.

In einer Situation produzierte ein Hersteller eine Komponente aus Edelstahl 303 auf einer Doppelspindelmaschine. Mit dem Wachstum von Teilevolumen und Losgrößen stieg auch der Bedarf an erhöhter Produktivität. Die Arbeitsgänge waren unausgeglichen und zeitaufwändig – 90 Prozent der Bearbeitung fanden in der Hauptspindel statt, und die Unterseite des Teils musste manuell entgratet werden, was eine zusätzliche Einrichtung erforderlich machte. Als der Hersteller ein kundenspezifisches Vollhartmetall-MEP-Werkzeug in der Gegenspindel der Maschine anwendete, ermöglichte es die gleichzeitige Profilierung beider Seiten der Flanschschraubenlöcher des Teils. Die Bearbeitungszeit zwischen den beiden Spindeln wurde ausgeglichener und die Zykluszeit deutlich verkürzt. Durch die Verwendung des MEP-Tools entfällt auch das manuelle Entgraten sowie die zusätzliche Einrichtung und Zeit, die dafür erforderlich sind.

Ein anderer Fall betraf die Wahl zwischen einer abgeschrägten (flachen) Kantenbehandlung gegenüber einer gerundeten (gerundeten) Kante. Einige Teile haben keine speziellen Anforderungen, dass eine Kante mit einem der beiden Werkzeugtypen bearbeitet werden muss. Ein Hersteller stellte jedoch fest, dass die Teilelebensdauer bei Anwendung eines Radius anstelle der Fase dreimal länger war als bei einem Teil mit Fase. Ein scheinbar kleiner Unterschied in der Werkzeugauswahl erhöhte die Teilequalität erheblich.

Schließlich liefert ein Fertigungsvorgang für die Luft- und Raumfahrt an einer TiAl-4V-Lüfterscheibe ein Beispiel für die Anwendung eines MEP-Konturierungswerkzeugs. Ein Hersteller hatte ein Hartmetallformwerkzeug verwendet, das in einem Nockensitzhalter gehalten war, um die Scheibe zu bearbeiten. Die Oberflächenbeschaffenheit war an zufälligen Stellen rund um die Scheibe und den Schlitzradius schlecht, und das Problem war uneinheitlich und variierte in Schwere und Häufigkeit. Der Hersteller verwendete einen mittig schneidenden, 10-zähnigen, beschichteten Vollhartmetallfräser im Lollipop-Stil mit einem Durchmesser von 10 mm und einer rechtsgängigen 30°-Spirale. Das Werkzeug beseitigte die Oberflächenprobleme und konnte beide Seiten der Disc in erheblich kürzerer Zeit fertigstellen.

Zuvor auf SecoTools.com vorgestellt.