Construido para la velocidad:fabricación de motores de avión de calidad a tiempo

En este primer artículo de una serie sobre la construcción de aeronaves, nos centramos en las piezas y los componentes del motor y destacamos los problemas del mundo real que los fabricantes de herramientas ayudan a resolver a sus clientes todos los días. También echamos un vistazo en profundidad a lo que está pasando en la fabricación de piezas aeroespaciales en este momento.

¿Cuál es el estado de la industria aeroespacial y de defensa en este momento? El impulso para construir aviones rápidamente y entregarlos a tiempo es muy real, pero no está exento de obstáculos o costos.

En el nivel de fabricación de piezas, los materiales compuestos y resistentes al calor pueden ser francamente difíciles de cortar. En consecuencia, los fabricantes aeroespaciales tienen que volverse muy estratégicos en su ingeniería de procesos, programación de máquinas y selección de herramientas, según tres importantes fabricantes de herramientas que entrevistamos.

Convertirse en estratégico es muy cierto para todos los componentes complejos que componen un motor a reacción donde las piezas forjadas individuales de $ 75,000 son la norma, y ​​desechar una es una opción costosa e indeseada. La velocidad, si bien es esencial, no tiene prioridad sobre los resultados predecibles y confiables.

Aeroespacial y defensa:el aumento de la producción significa que se necesitan estrategias de herramientas avanzadas

“A medida que vemos que los fabricantes de equipos originales aumentan las tasas de producción, existe el riesgo de que los proveedores enfrenten dificultades para aumentar la producción”, dice Robin Lineberger, líder de la división aeroespacial de Deloitte, en el informe “2019 Global Aerospace and Defense Industry Outlook”. "Para superar este desafío, los fabricantes deben considerar profundizar su enfoque en el fortalecimiento de la cadena de suministro, la gestión eficaz de programas y el uso de tecnologías avanzadas para mejorar la productividad y la eficiencia".

En su informe, Deloitte espera que 2018 cierre con unas 1600 aeronaves para el año, y predice 100 más para 2019. La demanda de producción a menudo significa usar máquinas multitarea y de mayor rendimiento. Las "tecnologías avanzadas" que menciona incluyen todo, desde metrología basada en sensores en proceso hasta mecanizado multieje de alta velocidad y herramientas especializadas de alta ingeniería destinadas a cualquier especificación de material que esta industria altamente regulada presenta.

Lo que Deloitte no señala es que una máquina avanzada de 5 ejes puede tardar entre seis meses y un año en llegar. Por lo tanto, aunque esos pedidos están pendientes, algunos subcontratistas se las arreglan con los sistemas de 3 ejes existentes u otra maquinaria obsoleta, y muchos "proveedores" de piezas aeroespaciales terminadas tienen que repensar las estrategias de herramientas mientras esperan, explican los fabricantes de herramientas.

“Quieren formas de fabricación más rápidas”, dice Bill Durow, gerente de ingeniería global con un enfoque en la industria aeroespacial en Sandvik Coromant. “Quieren ejecutarlos a velocidades más altas, ya sea en desbaste o acabado. Hoy en día, el volumen de motores que se producen está a un ritmo que nunca antes habíamos visto en la industria”.

Hoy en día es muy posible encontrar las calidades adecuadas y las herramientas de inserción diseñadas específicamente para superaleaciones resistentes al calor, también conocidas como "HRSA". Pero todavía hay una curva de aprendizaje sobre estos nuevos materiales y las geometrías necesarias para cortarlos, dicen los fabricantes de herramientas.

Las herramientas diseñadas para cortar acero 4140, por ejemplo, probablemente no sean las mejores herramientas para cortar Inconel, titanio o plástico reforzado con fibra de carbono, o “CFRP”. En los últimos años, algunos componentes de motores estáticos y giratorios que solían estar hechos de titanio ahora están hechos de materiales compuestos de matriz cerámica, o "CMC", dicen los ingenieros de Seco Tools.

“El arte de todo esto es la sinergia de ponerlo todo junto”, dice Dave Todd, gerente aeroespacial y de la zona oeste de Seco Tools. "Actualmente, nuestras habilidades han cambiado en la industria aeroespacial y nos hemos convertido mucho más en una consultoría que trabaja con socios tecnológicos, proveedores de primer nivel y académicos... Gran parte de la ingeniería de procesos se realiza fuera del sitio en nuestro centro tecnológico".

Los tres fabricantes de herramientas tienen laboratorios de prueba que utilizan para probar posibles soluciones para sus clientes. Los tres también prefieren hacer una combinación de pruebas de laboratorio, así como pruebas in situ para asegurarse de que las estrategias exactas funcionen en la línea de producción física real.

¿Está pensando en oportunidades de creación de piezas en la industria aeroespacial y de defensa? Lea "Manufactura 101:Convertirse en parte de la industria aeroespacial".

El problema y las soluciones para gestionar el calor en la zona de corte

La eficiencia del combustible está impulsando la demanda de componentes más ligeros que utilicen materiales resistentes al calor que pueden ser difíciles de mecanizar. Parte del ímpetu para un rendimiento más eficiente del motor es ambiental:una combustión más limpia también es más eficiente.

“Los requisitos de ingeniería lo reducen al nivel del proveedor, lo que significa que debe tener un tiempo de respuesta más rápido en la tecnología de herramientas para admitir materiales avanzados”, dice Scott Causey, especialista en segmentos de mercado de Seco Tools. "Y algunos de los materiales pueden requerir una estrategia de herramientas completamente diferente para cortar simplemente en función de su complejidad:un material HRSA normal no utiliza la misma estrategia de corte que un compuesto de matriz cerámica".

Un material CMC tiene capas y puede romperse fácilmente si no se manipula correctamente.

Pero también piense en esto:el material resistente al calor, que es excelente para la eficiencia de un motor a reacción de turbina increíblemente caliente, también genera mucho calor al cortar. Los grados de herramienta requieren un nivel de resistencia al calor incluso para realizar el trabajo.

Para ayudar a satisfacer la necesidad de refrigerante, la entrega a través de la herramienta se ha convertido en un detalle esencial en las herramientas para mecanizado avanzado. Los fabricantes de herramientas constantemente encuentran nuevas innovaciones en la entrega de refrigerante, incluidas algunas herramientas que tienen múltiples puertos para entregar en las ubicaciones de corte más inmediatas en el momento más efectivo.

Hablando de refrigerante:¿hacia dónde se dirige la tecnología de enfriamiento? Descúbrelo en “ El futuro de los fluidos metalúrgicos, lubricantes para máquinas y refrigerantes .”

Enfoque en los motores de aeronaves

Las geometrías necesarias para cortar las formas y los materiales de las piezas del motor requieren un pensamiento dimensional. Hay blisks de motor y láminas de aire de forma única que pueden combinar diferentes materiales, por ejemplo, un compuesto con titanio.

Para combatir eso, estos fabricantes diseñan y prueban una gama completa de grados destinados a cortar los materiales más desafiantes:Inconel, HRSA, titanio y muchos otros. Y hay otra forma:construyen herramientas aeroespaciales personalizadas según sea necesario. Estas herramientas personalizadas a menudo se convierten en líneas de productos estándar para todos los clientes.

Tres de los principales fabricantes de herramientas describen cómo las especificaciones OEM y las geometrías únicas de las piezas aeroespaciales han llevado a las herramientas personalizadas a convertirse en líneas de productos estándar, una vez probadas en el campo. Los tres fabricantes tienen programas para la industria aeroespacial y piezas muy específicas optimizadas para las aplicaciones de componentes de motores actuales, que incluyen:blisk/impulsores, superficies aerodinámicas, discos de turbinas, carcasas de turbinas, bobinas, carcasas de ventiladores y ejes.

Aquí hay cuatro ejemplos de componentes de motores del mundo real que se están fabricando donde las herramientas correctas tuvieron un impacto. Todos incluyen fabricantes aeroespaciales de nivel 1 con un promedio de 35 a 40 máquinas en su taller que funcionan 365/24/7. Estas no son de ninguna manera las únicas áreas de las ofertas de componentes de motor para estos fabricantes.

Sandvik Coromant Aborda la productividad en Blisks

Desafío: Se necesitaron siete días para hacer un blisk. La parte a base de níquel tenía una hoja profunda y una ranura estrecha. El desbaste de largo alcance resultó ineficaz con los enfoques de fresado tradicionales. El empaque de virutas era excesivo. Las máquinas fallaban.

“Vimos lo que estaban haciendo, simplemente quemando fresas, en la ranura completa:adelante y atrás, adelante y atrás, adelante y atrás”, dice Durow. "Tenían herramientas redundantes, las llevaban al taller de reafilado y luego las reutilizaban... Tomaba mucho tiempo y usaba muchas fresas".

Solución: Una herramienta de inmersión de carburo sólido similar a la que se había hecho en las operaciones de troqueles y moldes. Además, se utilizó una segunda herramienta con un diámetro más pequeño para limpiar las cúspides.

“Trajimos nuestra pieza de prueba al laboratorio y se nos ocurrió la idea de utilizar las rutinas de inmersión”, dice Durow. “Funcionó muy, muy bien. Y lo bueno fue que casi eliminamos otra operación de semiacabado con la limpieza secundaria”.

Resultado: Recortó cuatro días de la producción de blisk de siete días con desbaste y semiacabado. También terminó convirtiéndose en una oferta estándar para aplicaciones blisk.

Kennametal ahorra una gran compra con una lámina de aire

Desafío: Se estaba cortando una hoja de aire de forma irregular hecha de Inconel en un proceso de mecanizado electroquímico, o "ECM", donde la pieza de trabajo estaba sostenida por un material de aleación de bismuto. No era posible realizar cortes agresivos de la materia prima, por lo que la producción era lenta. Las fuerzas pulsantes causaban vibraciones y traqueteo, y una vida útil deficiente de la herramienta.

Solución: Diseñó una estrategia de corte que ajustó la hélice, el número de canales y la microgeometría de la herramienta para minimizar el empuje en cortes más pesados. Para cortes más ligeros, aumentaron la hélice y cambiaron el diámetro y el número de flautas para asegurarse de que hubiera tres puntos de contacto durante la rotación.

Resultado: Corte suave, mayor vida útil de la herramienta y mayores tasas máximas de remoción de metal. El cliente pudo cancelar el pedido de una máquina nueva de $1 millón que estaba a punto de pedirse.

Herramientas Seco Toma el control de las ranuras cortadas en un disco de motor

Desafío: Problemas de control de virutas al cortar ranuras profundas en Inconel 718 tratado térmicamente en un disco compresor que sostiene las aspas del ventilador. Las rutinas de inmersión profunda provocan la rotura de la herramienta y una vida útil deficiente.

Solución: Un sistema multidireccional de torneado y ranurado combinado con refrigerante a alta presión. Una estrategia de corte geométrico en rampa y en zigzag ayudó a adelgazar las virutas, reducir el calor y aumentar considerablemente la vida útil de la herramienta.

Resultado: Una reducción del 15 al 20 por ciento en el tiempo de ciclo. Obtuvo el control del proceso y disminuyó la carga de la intervención manual que consume mucho tiempo.

Kennametal elimina la vibración en la carcasa del motor

Desafío: Quitando una pulgada completa de titanio para una carcasa de motor pero no se pudo girar. Había demasiada fuerza de corte y poca productividad de las herramientas existentes. Fue difícil sortear áreas de funciones específicas.

“Se supone que las cajas del motor son redondas, ¿verdad? Pero en realidad no lo son”, dice Mark Francis, ingeniero de personal de proyectos para la industria aeroespacial y de defensa en Kennametal. “Están repletos de características que eliminan la capacidad de hacer un simple ciclo de torneado... Diría que el 80 por ciento de las veces, el material se corta mediante fresado”.

Solución: Utilice una herramienta especializada que se ajuste al diámetro y al mismo tiempo elimine la vibración y el empuje.

Resultado: Una línea de producción estable y confiable con una eficiencia de corte de metal predecible. Herramientas personalizadas que llevan a convertirse en un estándar.

La importancia del proceso de producción y el costo por componente

Tenga en cuenta:la mayoría de los proveedores de fabricación de piezas aeroespaciales de nivel 1 no utilizan exactamente el mismo equipo de mecanizado, aunque pueden fabricar las mismas piezas a partir de las mismas especificaciones del OEM. Los fabricantes de herramientas y los especialistas en metalurgia deben comprender cada entorno de mecanizado y diseñar estrategias que funcionen para cada entorno de mecanizado único.

Independientemente, los tres fabricantes de herramientas, que son competidores, querían que una cosa quedara muy clara:el énfasis debe estar en las ganancias de productividad del uso de las herramientas adecuadas con la intención de tener un impacto real en la productividad y la precisión. También creen que una visión más holística de la métrica de costo por componente ayuda a cumplir con la entrega a tiempo de más y más aeronaves.

La prueba, dicen, está en la productividad.

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