El oficio de construir las alas de los aviones actuales

¿Qué se necesita para fabricar alas de avión en la hiperproductiva industria aeroespacial actual? Como Parte 2 de nuestra serie sobre fabricación aeroespacial y de defensa, los fabricantes de herramientas explican cómo están ayudando a la industria a encontrar más y más horas para reducir el proceso.

Las alas no se consideran necesariamente la parte más difícil de fabricar de un avión, pero son grandes y requieren un gran mecanizado horizontal abierto y varios días para su fabricación. Al igual que con toda la fabricación aeroespacial y de defensa, los desafíos comerciales consisten en encontrar eficiencias mientras se mantiene la más alta calidad de producción.

La demanda es alta y el negocio está en auge. Los principales fabricantes de aviones producen entre 40 y 60 aviones comerciales al mes, según el modelo, según los fabricantes de herramientas que entrevistamos.

La fabricación de las alas en sí no ha cambiado mucho a lo largo de los años, a diferencia de los componentes del motor, que han tenido muchas variaciones. En algunos casos, los ingenieros han estado modificando algunos de los materiales del ala, a veces usando titanio más exótico.

En general, los materiales para las alas permanecen en el campo de titanio, como Ti-6AL-4V, o en el campo de aluminio, donde prevalece el 6061, con un poco de 7075. Algunas alas también están hechas con polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). ) y aluminio litio, que se encuentran en cohetes y naves espaciales.

Better MRO habló con ingenieros de tres importantes fabricantes de herramientas en Kennametal, Sandvik Coromant y Seco Tools sobre las mejores prácticas en herramientas para alas y las piezas unidas a las alas, incluidos los pilones.

Diseño de ala de aeronave:Costilla de aeronave, largueros de ala, largueros

La estructura del ala de un avión se compone de un esqueleto y un revestimiento exterior. El esqueleto del ala consta de tres componentes principales:largueros, costillas y largueros. Los largueros se extienden a lo largo de la envergadura del ala y ayudan a controlar la cantidad de flexión, mientras que las nervaduras forman la forma aerodinámica del ala y se extienden desde los bordes de ataque hasta los de fuga.

Los largueros se extienden entre las costillas, paralelos a los largueros y se utilizan para reforzar el ala. Juntos, este esqueleto no solo debe soportar las cargas de vuelo, sino que también soporta los motores, alberga muchos componentes internos y contiene un gran volumen de combustible.

“Algunas de las aleaciones de aluminio más duras, como la 7075, requieren un grado de carburo muy resistente para cortar y mantener una vida útil aceptable de la herramienta”, dice Mark Francis, ingeniero de personal, aeroespacial y defensa, en el equipo de ingeniería de soluciones de Kennametal.

“Para las pieles de las alas, es una herramienta estilo fresadora frontal. Dependiendo del tamaño del ala, querrás una herramienta de diámetro muy grande para que puedas cubrir más superficie en menos tiempo. También hay muchas características para cortar dentro del ala para unir cosas”, explica Francis.

El objetivo aquí es poder cortar todas las características de montaje con la menor cantidad de herramientas para limitar el tiempo en el cambio de herramientas. Cuando se retira material de la piel, se trata de lograr una superficie extremadamente lisa utilizando una máquina tipo pórtico grande. No se trata de usar herramientas manuales. Está destinado a ser lo más automatizado y exacto posible.

“Los detalles de la geometría de las herramientas de corte pueden tener un impacto en las tasas de remoción de metal (MRR)”, dice Eric Gardner, especialista en aplicaciones de Norteamérica en Seco Tools. "Con las geometrías ajustables correctas, los fabricantes pueden ver un aumento superior al 30 % en el MRR, lo que a menudo se puede traducir en un aumento del 15 al 20 % en la productividad de fabricación de piezas".

“El acabado tiene que ser muy, muy suave en estos largueros y áreas de características de montaje”, dice Francis. “Por lo general, usamos un cortador de ranurado o un cortador de acabado aquí... No puede haber 'líneas de superposición', que es una línea que corre a lo largo de la superficie de corte que podría ser causada por la falta de coincidencia de un par de los insertos a lo largo del ancho del corte.”

Las líneas de vuelta aumentan la tensión, y hay mucha tensión dentro de un ala, por lo que si existe una línea de vuelta o un aumento de tensión, es una mala situación. El ala será rechazada y tendrá que volver a mecanizarse o desecharse. Por una parte este imprescindible y grande, el desguace es una opción pésima y cara.

Obtenga más información sobre los paneles de ala:mire esta construcción de ala. Fuente:Airbus A380

Para ayudar a eliminar las líneas de superposición, los fabricantes aeroespaciales a menudo usan cortadores de rueda ajustables con diámetros de 10 a 12 pulgadas, con insertos de carburo especialmente diseñados para aleaciones de aluminio de grado aeroespacial con múltiples configuraciones para los cuerpos del cortador, dice Francis.

“Y el inserto de carburo debe funcionar perfectamente fiel al siguiente, por lo que el descentramiento debe ser cero. La única forma en que realmente podemos lograrlo es hacer que las herramientas sean ajustables”, dice Francis. “El cliente ajusta cada uno de esos insertos a un diámetro particular, de modo que cuando la herramienta se desplaza por el larguero, se eliminan las líneas de superposición. Y eso es un deber definitivo... No podemos tener ningún tipo de inconsistencia”.

Obtenga más información sobre el trabajo de calidad necesario para probar las alas. Vea "Cómo prueba Boeing los largueros del ala del 777X" Fuente:Boeing

Área de problema potencial:evacuación de virutas en los revestimientos de las alas

Al quitar el metal del revestimiento del ala, el ala en sí misma para aviones muy grandes puede tener varios cientos de pies de largo. No es exactamente plano, pero hay mucho metal para cortar en una plataforma enorme y suavizarlo.

“En muchos casos, se utiliza un sistema de vacío para quitar las astillas de la superficie de la piel del ala”, dice Francis. “Esas virutas pueden atascarse cuando el inserto vuelve a girar, y volver a cortarse y mancharse en el material. Y eso es un absoluto no-no. No queremos eso”.

Para ayudar a evitar esa situación, los fabricantes de herramientas ajustan la geometría para permitir que la viruta sea evacuada rápidamente y succionada con una aspiradora sin que vuelva al corte. A menudo, en estas plataformas planas, los fabricantes utilizan una niebla ligera para ayudar con la evacuación de virutas o el corte en seco, ya que es un área tan grande y abierta para estas grandes alas.

Hay mucho que entender sobre la fabricación de aviones. Ve más profundo. Lea "Construido para la velocidad:fabricación de motores de aviones de calidad a tiempo".

El sector de defensa impulsa algunos cambios importantes en el diseño de las alas de los aviones 

“En el área militar, por ejemplo, hemos visto cambios en las alas para los aviones que aterrizan en los portaaviones”, dice Bill Durow, gerente de ingeniería global con un enfoque en la industria aeroespacial en Sandvik Coromant. “Hay más demanda en las alas cuando aterrizan. Así que han estado cambiando y jugando con los materiales para obtener un material más fuerte”.

Ese material más fuerte incluye opciones de titanio como Ti-5553 y Ti-1033, que son más difíciles de mecanizar, según Durow. Estos materiales pueden causar problemas con la vida útil de la herramienta y deben mecanizarse a velocidades más bajas, por lo que la productividad puede verse afectada.

"Un material de titanio 5553, que es un titanio beta, como regla general, le dará un 50 por ciento menos de vida útil de la herramienta que el titanio alfa-beta típico como 6AL-4V", dice Durow.

La mayoría de las herramientas para estas aplicaciones incluyen herramientas redondas, fresas de mango de carburo sólido, cortadores de filo largo y muchos cortadores de hombro cuadrado.

"Solo por la naturaleza de las geometrías que está mecanizando, las herramientas se desgastarán con muescas con frecuencia, por lo que existen diferentes técnicas que puede aplicar para tratar de aliviar eso", dice Durow.

Los nuevos híbridos de aluminio ganan terreno:aluminio y litio

En comparación con el aluminio de la serie 7000, el aluminio litio reducirá la vida útil de la herramienta entre un 50 y un 70 por ciento, según Gardner de Seco Tools.

“Es más resistente y pesa menos que otros aluminios, lo que lo hace ideal para la industria aeroespacial y de defensa, así como para cohetes y naves espaciales”, dice Gardner.

A medida que la tecnología de husillos continúa evolucionando, el rendimiento aumenta y algunos sistemas pueden alcanzar hasta 30 000 rpm a 120 kilovatios de alta aceleración con las herramientas adecuadas.

"Es relativamente abrasivo, por lo que requiere herramientas positivas y afiladas para cortarlo con recubrimientos resistentes a la abrasión como DLC, o 'recubrimiento tipo diamante'", dice Gardner.

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Cómo la reducción de configuraciones en varias máquinas ahorra tiempo y aumenta la precisión

Un área en la que los fabricantes de herramientas intentan ayudar a los fabricantes aeroespaciales y de defensa a encontrar eficiencia es en la reducción de configuraciones y cambios en el movimiento de piezas a diferentes máquinas. Sandvik Coromant tiene un buen ejemplo de un pilón, una pieza unida a un ala, que se movía a tres máquinas diferentes y tenía cuatro configuraciones.

¿El reto? Convence al cliente para que use una máquina de 5 ejes y detenga todas las configuraciones. Cuando se optimiza en una máquina, la precisión se puede controlar de manera más estricta y, al mismo tiempo, se recupera una tonelada de tiempo en el rendimiento.

“Entonces, el mayor desafío es convencer a este cliente en este caso, déjelo en una máquina”, dice Durow. “Vamos a sacar tantos lados como podamos. No está perdiendo su precisión, porque está bloqueado en su lugar y todo es relativo a donde comenzó. Luego, dale la vuelta, termina la parte inferior y listo".

Al final, pudieron ayudar a reducir esta parte del pilón de 22 horas a 6 horas simplemente manteniendo la parte en un sistema, y ​​terminaron usando menos herramientas en general. Esta vez no se tuvo en cuenta el movimiento de piezas de una máquina a la siguiente, solo el aspecto del mecanizado.

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