MEP optimiert Luftfahrtfertigung: Grate und scharfe Kanten eliminieren

Einführung

Hersteller setzen Dreh-, Fräs- und Bohroperationen ein, um Merkmale an Werkstücken zu bearbeiten. Diese Prozesse können jedoch auch Grate und unerwünschte scharfe Kanten an den Merkmalsrändern erzeugen. Diese Kantenbedingungen können zu Materialbruch im Einsatz führen, das Bauteil strukturell schwächen und eine Gefahr für die Handhabung darstellen. Deshalb betrachten viele Endanwender Grate oder extrem scharfe Kanten als Ablehnungsgrund für Teile von Lieferanten.

Traditionell entfernen Hersteller Grate und scharfe Kanten mit Handschleifern und anderen manuellen Verfahren. Solche Methoden sind langsam und erfordern, dass das Teil aus der Werkzeugmaschine genommen und für Entgrat- oder Fasungsoperationen neu gespannt wird. Und selbst wenn sie von erfahrenen Fachkräften durchgeführt werden, fehlen diesen Operationen die nötige Prozesskonstanz von Teil zu Teil.

Eine produktive Alternative zum manuellen Entgraten ist die Mechanisierte Kantenbearbeitung (MEP). MEP beseitigt inakzeptable Kantenbedingungen durch den Einsatz eines konstruktiv ausgelegten Werkzeugs und derselben Ausrüstung, die die Teilemerkmale bearbeitet hat. Der MEP-Prozess bietet zahlreiche Vorteile. Er ermöglicht, die finale Kantenbedingung exakt über das CAM-System der Maschine zu definieren und zu programmieren, was maximale Wiederholbarkeit ergibt. Die Gesamtfertigungszeit wird reduziert, da das Teil nicht aus der Maschine genommen und neu gespannt werden muss, und Toleranzkaskaden sowie andere inkonsistenzen, die von Aufspannung zu Aufspannung entstehen, werden eliminiert. Als Reaktion auf diesen Trend entwickeln Schneidwerkzeughersteller kontinuierlich neue, produktive Werkzeuge, die die Vorteile des MEP-Prozesses erweitern.

Hauptkandidaten für MEP

Angesichts der zunehmend strengen Anforderungen der Luftfahrtindustrie an Teilegenauigkeit und -konstanz sind Düsenflugzeugkomponenten ideale Kandidaten für die Anwendung von MEP.

Turbinenkomponenten von Flugtriebwerken werden beispielsweise allgemein in nicht-rotierende und rotierende Bauteile unterteilt. Bei der MEP von nicht-rotierenden Triebwerksteilen wie Trommeln und Gehäusen besteht die Kantenbearbeitung meist aus Standardfasen und Kantenbruchwerkzeugen, die auf der Ausrüstung angewendet werden, die das Teil bearbeitet hat.

Bei kritischen rotierenden Teilen wie Verdichter- und Lüfterscheiben haben Endanwender höhere Standards und fordern die vollständige Beseitigung von Oberflächenunvollkommenheiten. Kantenbedingungen müssen typischerweise Laborfreigabe und -zertifizierung durchlaufen. Für das Entgraten dieser Teile haben Werkzeughersteller hochpräzise, voll wiederholbare, kundenspezifische MEP-Werkzeuge entwickelt.

MEP-Werkzeugentwicklung

Standard-Entgrat- und Profilierwerkzeuge, wie sie bei nicht-rotierenden Komponenten eingesetzt werden, umfassen beschichtete VHM-Fasenfräser mit 45° und 60° Schneidkanten sowie Werkzeuge, die Wendeschneidplatten für 45° und 60° Fasen nutzen.

Für die kritischsten Anwendungen liefern Werkzeughersteller werkzeuge, die kundenspezifisch konstruiert sind, um Kanten zu profilieren und Grate spezifisch am Ein- oder Austritt eines Lochs zu entfernen. Einige Werkzeuge kombinieren diese Fähigkeiten und können sowohl Ein- als auch Austrittsgrate entfernen.

Diese kundenspezifischen Werkzeuge weisen oft komplexe Schneidgeometrien auf. Die anspruchsvollsten haben Kantendesigns, die eine Fase mit gerundeter Kante erzeugen, der Einlauf- und Auslaufwinkel vorgelagert sind, die so konstruiert sind, die Bildung von Sekundärgraten zu verhindern.

Die spezialisierte Werkzeugentwicklung geht über die Schneidkanten hinaus. Für das Profilieren von Graten und Kanten am LochEintritt (oberer Fläche eines Bauteils) hat sich gezeigt, dass die Kombination aus Rechtschneiden und Rechtsdrall am effektivsten ist, da sie das Schnittmaterial vom Teil wegführt. Für Austrittsgrate an der Unterseite eines Teils funktioniert eine Rechtschneide in Kombination mit einem Linksdrall am besten, da diese Konfiguration Späne ebenfalls vom Bauteil wegbewegt.

Weitere Anwendungsanalysen zeigten, dass MEP-Werkzeuge, die für das Entfernen von Graten am oberen Lochende (Eintritt) ausgelegt sind, eine längere Standzeit bieten als Werkzeuge für das untere Ende (Austritt) eines Durchgangslochs. Das liegt daran, dass ein Entgratwerkzeug, das durch das Teil reichen muss, um den Lochaustritt zu erreichen, länger und kleiner im Durchmesser ist als eines, das nur von einer Seite arbeitet. Ein längeres, dünneres Werkzeug ist anfälliger für Instabilität und Vibrationen, die ein VHM-Werkzeug ausbrechen oder brechen können. Daher setzen die meisten Betriebe separate Werkzeuge für Ein- und Austrittskanten ein, statt eines einzelnen Werkzeugs für beides.

Längere, dünnere Werkzeuge erfordern auch mehr Sorgfalt bei der Wahl der Schneidparameter. Ein kurzes, stabiles Werkzeug kann schneller laufen ohne Vibrationen oder andere Probleme. Auch die Bauteilgeometrie und -merkmale machen einen Unterschied. Wenn Schneidbedingungen stabil sind und Schnitte glatt und unterbrechungsfrei verlaufen, können aggressivere Parameter angewendet werden. Andererseits erzwingen Bauteilmerkmale wie Zugangsbohrungen, die MEP-Schneidpfade unterbrechen, konservativere Parameter, um Werkzeugverschleiß zu minimieren und vorzeitiges Versagen zu verhindern.

Ein Teil der laufenden MEP-Werkzeuentwicklung betrifft Werkzeuge, die das Bearbeiten eines Merkmals mit dem Entgraten kombinieren. Beispielsweise wäre die MEP-Schneide am oberen Ende des Schaftfräsers positioniert, sodass er gleichzeitig den Lochdurchmesser bearbeitet und die Eintrittskanten entgratet.

Materialherausforderungen

Viele Luftfahrtmaterialien stellen hinsichtlich ihrer Zerspanbarkeit zusätzliche Herausforderungen beim Entfernen von Graten und Fasen scharfer Kanten dar. Nickelbasislegierungen, die in Triebwerkskomponenten verwendet werden, sind zäh und schlechte Wärmeleiter. Daher nimmt das Schneidwerkzeug die im Schneidprozess entstehende Wärme auf, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Entsprechend müssen Werkzeughersteller bei der Bestimmung der Werkstoffkunde und Geometrie eines Werkzeugs einen Kompromiss zwischen Schneidenschärfe und Schneidenfestigkeit finden. Ein harter Hartmetallsubstrat widersteht thermischem und abrasivem Verschleiß sehr gut, besitzt aber nicht die Schlagzähigkeit eines Substrats mit Kobalt- oder anderen Legierungszusätzen zur Zähigkeitserhöhung. Ebenso kann eine messerscharfe Schneide eher brechen als eine mit einer Rundung oder anderer Kantenverrundung vorbereitete. Werkzeughersteller justieren auch Spanwinkel und Drallwinkel sowie Werkzeugbeschichtungen, um die besten Ergebnisse mit spezifischen Werkstückmaterialien zu erzielen.

Werkzeuggröße

Für die Bearbeitung großer Bohrungen und Kanten können Werkzeughersteller Werkzeuge jeder Größe konstruieren, für die Lieferanten einen ausreichend großen Rohling liefern können. Auf der kleinen Seite gibt es jedoch Grenzen. Derzeit beträgt der kleinste Radius, der geschliffen werden kann, etwa 0,2 mm, mit proportional kleineren Einlauf- und Auslaufwinkeln.

Kundenspezifische MEP-Werkzeuge haben spezifische Radien, Fasen, Winkel und Kombinationen dieser Merkmale. Die Werkzeuge haben üblicherweise quadratische Schneidkanten. Kugelkopffräser und Lollipop-Werkzeuge sind jedoch auch verfügbar, um Merkmale eines Bauteils zu profilieren, deren Konturen den Zugang eines quadratisch geschliffenen MEP-Werkzeugs einschränken. Auf einer Fünf-Achsen-Maschine angewendet, können diese Werkzeuge die Linie eines komplexen Teileprofils abtasten und einen Radius an langen konturierten Kanten erzeugen.

MEP im Einsatz

Um Genauigkeit und Konstanz zu maximieren und die Zeit für das Umspannen des Teils von Maschine zu Maschine zu sparen, führen Hersteller MEP meist als Teil der eigentlichen Teilemerkmalsbearbeitung durch.

Typischerweise erfolgt das Entgraten nach Abschluss aller Bearbeitungsoperationen. Das CAM-Programm steuert die MEP-Werkzeuge an, um alle Bohrungen zu entgraten und scharfe Kanten in Sequenz zu brechen. Einige MEP-Werkzeuge können für verschiedene Bohrungen verwendet werden, und einige Profilierwerkzeuge können an drei oder vier verschiedenen Positionen oder Merkmalen angewendet werden, wie dem Boden einer Bohrung sowie dem Boden einer Schartenkontur.

Um sicherzustellen, dass die Kantenbearbeitung an der korrekten Stelle und mit dem richtigen Maß stattfindet, muss die Bohrung oder das Merkmal vor Beginn der MEP-Operation definiert oder vermessen sein. Bei sehr engen Teiletoleranzen ist die Lage der Teileoberfläche gut definiert und eine In-Prozess-Messung möglicherweise unnötig. Bei großzügigen Toleranzen ist jedoch eine Messung nach der Erstbearbeitung notwendig, um die Lage der zu profilierenden Kante oder des Merkmals zu bestimmen.

Zusätzlich muss das Werkzeug selbst vermessen und positioniert werden, um sicherzustellen, dass es das Teil korrekt profiliert. Da die Werkzeugradii so klein sind – und für praktische Zwecke nicht messbar –, wird die Werkzeuglänge im CAM-Programm spezifiziert. Der Bediener kann die Werkzeuglänge außerhalb der Maschine mit einem Voreinstellgerät oder auf der Maschine via Laser oder Tastkopf bestätigen. Vorschübe werden relativ zu den vermessenen Abmessungen der Teilemerkmale und des Werkzeugs berechnet. Die anspruchsvollsten kundenspezifischen Entgratwerkzeuge werden zu 100 % vom Hersteller auf eine Toleranz von 40 Mikrometern am Werkzeugprofil vermessen, einschließlich Rundlauf.

Die Entgrat- oder Fasenoperation sollte als Schlichtzug betrachtet werden, mit dem primären Fokus auf Qualität. Produktivität ist immer wichtig, aber besonders bei Luftfahrtkomponenten, die Hunderttausende Dollar kosten, kann das Ausreizen des Werkzeugs zur Maximierung des Outputs negative und teure Folgen haben. Konstanz, Zuverlässigkeit und Ausschussvermeidung sind oberstes Gebot.

Fazit

Teile mit außerhalb der Spezifikation liegenden scharfen Kanten und Graten werden immer häufiger als teurer Ausschuss betrachtet. Dies ist in der Luftfahrtindustrie stark ausgeprägt, aber ein wachsender Trend in einigen kritischen Anwendungen in der Medizintechnik, Energie und anderen Branchen. Hersteller benötigen eine Methode zum Entgraten von Komponenten und Profilieren von Teilekanten, die konsistent, dokumentierbar und kosteneffizient ist. Mechanisierte Kantenbearbeitung (MEP) schließt diese Lücke, weil sie manuelle Operationen ersetzt, die – egal wie geschickt ausgeführt – von Teil zu Teil inkonsistent sein können und in Bezug auf Arbeitszeit, Rüsten und Teilehandling teuer sind. Einige Endanwender haben manuelles Entgraten bereits verboten, weil es nicht dokumentiert und zertifiziert werden kann.

Die effizienteste und kosteneffektivste MEP stellt eine Kombination aus konstruktiver Entwicklung und Applikationsexpertise dar. Werkzeughersteller, die eine solche Komplettlösung anbieten, werden den Luftfahrtfertigungsprozess (sowie ähnliche Prozesse in anderen kritischen Branchen) straffen und neue Qualitäts- und Produktivitätsniveaus erzeugen.

MEP in der Praxis

Mechanisierte Kantenbearbeitung kommt Herstellern in verschiedenen Anwendungen zugute.

In einem Fall fertigte ein Hersteller ein 303-Edelstahlbauteil in einer Zweispindelmaschine. Mit wachsenden Stückzahlen und Losgrößen stieg der Bedarf an höherer Produktivität. Die Operationen waren unausgewogen und zeitaufwändig – 90 % der Bearbeitung fand in der Hauptspindel statt, und manuelles Entgraten der Unterseite des Teils war erforderlich, was ein zusätzliches Rüsten nötig machte. Als der Hersteller ein kundenspezifisch konstruiertes VHM-MEP-Werkzeug in der Gegenspindel der Maschine einsetzte, ermöglichte dies das Profilieren beider Seiten der Flanschbolzenlöcher gleichzeitig. Die Bearbeitungszeit zwischen den beiden Spindeln wurde ausgeglichen, und die Zykluszeit sank signifikant. Der Einsatz des MEP-Werkzeugs eliminierte auch die Notwendigkeit für manuelles Entgraten und das zusätzliche Rüsten und die dafür benötigte Zeit.

Ein weiterer Fall betraf die Wahl zwischen einer gefasten (flachen) Kantenbehandlung und einer gerundeten (radierten) Kante. Einige Teile haben keine spezifischen Anforderungen, dass eine Kante durch eine der beiden Werkzeugarten bearbeitet werden muss. Ein Hersteller fand jedoch heraus, dass bei Anwendung eines Radius statt einer Fase die Standzeit des Teils dreimal so lang war wie bei einem gefasten Teil. Ein scheinbar kleiner Unterschied in der Werkzeugwahl steigerte die Teilequalität erheblich.

Schließlich liefert ein Luftfahrtfertigungsvorgang an einer TiAl-4V-Verdichterscheibe ein Beispiel für die Anwendung eines MEP-Konturwerkzeugs. Ein Hersteller hatte ein VHM-Formwerkzeug in einem Nockenhalter verwendet, um die Scheibe zu bearbeiten. Die Oberflächengüte war an zufälligen Stellen um die Scheibe und den Nutenradius schlecht, und das Problem war inkonsistent und variierte in Schwere und Häufigkeit. Der Hersteller setzte einen 10 mm Durchmesser, 10-schneidigen, mittig schneidenden Lollipop-beschichteten VHM-Fräser mit 30° Rechtsdrall ein. Das Werkzeug beseitigte die Oberflächenprobleme und konnte beide Seiten der Scheibe in deutlich kürzerer Zeit fertigbearbeiten.

Zuvor vorgestellt auf SecoTools.com.