Artesanía de Precisión: Técnicas Modernas para la Producción de Alas de Aeronaves

¿Qué se necesita para fabricar alas de aeronaves en la actual industria aeroespacial hiperproductiva? Como segunda parte de nuestra serie sobre fabricación aeroespacial y de defensa, los fabricantes de herramientas explican cómo están ayudando a la industria a encontrar cada vez más horas para reducir del proceso.

Diseño del Ala de Aeronave: Costillas, Longarines y Montantes

La estructura del ala de una aeronave se compone de un esqueleto y una piel exterior. El esqueleto del ala consta de tres componentes principales: longarines, costillas y montantes. Los longarines se extienden a lo largo de la envergadura del ala y ayudan a controlar la cantidad de flexión, mientras que las costillas forman la forma aerodinámica del ala y van desde el borde de ataque hasta el de salida.

Los montantes se extienden entre las costillas, paralelos a los longarines, y se utilizan para rigidizar el ala. En conjunto, este esqueleto no solo debe soportar las cargas de vuelo, sino también sostener los motores, albergar numerosos componentes internos y contener un gran volumen de combustible.

Desafíos en el Mecanizado de Alas

"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 de la herramienta aceptable", afirma Mark Francis, ingeniero de personal para aeroespacial y defensa en el equipo de ingeniería de soluciones de Kennametal.

"Para las pieles del ala, se utiliza una fresa de cara. Dependiendo del tamaño del ala, se desea una herramienta de diámetro muy grande para cubrir más superficie en menos tiempo. También hay muchas características que mecanizar en el interior del ala para fijaciones", explica Francis.

El objetivo es poder mecanizar todas las características de montaje con el menor número de herramientas para limitar el tiempo en cambios de herramienta. Al remover material de la piel, se trata de lograr una superficie extremadamente suave utilizando una máquina tipo pórtico de gran tamaño. No se trata de usar herramientas manuales. Debe ser lo más automatizado y preciso posible.

Optimización de Tasas de Remoción de Material

"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 para Norteamérica en Seco Tools. "Con las geometrías ajustables adecuadas, los fabricantes pueden ver un aumento de hasta el 30% en la MRR, lo que a menudo se traduce en un impulso del 15 al 20% en la productividad de fabricación de piezas."

Eliminación de Líneas de Solape (Lap Lines)

"El acabado tiene que ser realmente, realmente suave en estos longarines y áreas de características de montaje", dice Francis. "Generalmente utilizamos una fresa de ranurado o de acabado... No puede haber 'líneas de solape', que es una línea que recorre la longitud de la superficie de corte que podría ser causada por el desajuste de un par de plaquetas a lo largo del ancho del corte."

Las líneas de solape son concentradores de tensión, y hay mucha tensión dentro de un ala, por lo que si existe un concentrador de tensión o una línea de solape, es una mala situación. El ala será rechazada y tendrá que ser remecanizada o desechada. Para una pieza tan esencial y grande, desechar una es una opción terrible y costosa.

Para ayudar a eliminar las líneas de solape, los fabricantes aeroespaciales a menudo utilizan fresas de rueda ajustables con diámetros de 10 a 12 pulgadas, con plaquetas de carburo especialmente diseñadas para aleaciones de aluminio de grado aeroespacial con múltiples configuraciones para los cuerpos de la fresa, dice Francis.

"Y la plaqueta de carburo tiene que girar perfectamente alineada con la siguiente, por lo que la excentricidad tiene que ser cero. La única forma en que realmente podemos lograr eso es haciendo las herramientas ajustables", dice Francis. "El cliente ajusta cada una de esas plaquetas a un diámetro particular, de modo que cuando la herramienta recorre el longarín, se eliminan las líneas de solape. Y eso es un requisito definitivo... No podemos tener ningún tipo de inconsistencia."

Área Problemática Potencial: Evacuación de Virutas en las Pieles del Ala

Al remover metal en la piel del ala, el ala en sí para aeronaves muy grandes puede tener varios cientos de pies de largo. No es exactamente plana, pero hay mucho metal que cortar en una gran mesa plana y dejar suave.

"En muchos casos, se utiliza un sistema de vacío para aspirar las virutas de la cara de la piel del ala", dice Francis. "Esas virutas pueden quedar atrapadas cuando la plaqueta vuelve a pasar, y ser recortadas y difuminadas en el material. Y eso es un absoluto 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 aspirada con un vacío sin volver a entrar en el corte. A menudo, en estas mesas planas, los fabricantes utilizan una ligera niebla para ayudar con la evacuación de virutas o corte en seco, ya que es un área tan grande y abierta para estas grandes pieles de ala.

Sector de Defensa Impulsa Cambios en Materiales

"En el área militar, por ejemplo, hemos visto cambios en alas para aeronaves que aterrizan en portaaviones", dice Bill Durow, gerente global de ingeniería con enfoque en aeroespacial en Sandvik Coromant. "Hay más demanda en las alas cuando aterrizan. Así que han estado cambiando y experimentando 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, dará aproximadamente un 50% menos de vida útil de la herramienta que un titanio alfa-beta típico como 6AL-4V", dice Durow.

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

Nuevos Híbridos de Aluminio Ganando Terreno: Aluminio-Litio

Comparado con el aluminio de la serie 7000, el aluminio-litio reducirá la vida útil de la herramienta en un 50 a 70%, según Gardner en Seco Tools.

"Es más fuerte con menos peso que otros aluminios, lo que lo hace ideal para aeroespacial y 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 el tooling adecuado.

"Es relativamente abrasivo, por lo que requiere tooling afilado, positivo y con recubrimientos resistentes a la abrasión como DLC —o 'recubrimiento similar al diamante'—", dice Gardner.

Reducción de Preparaciones en Múltiples Máquinas Ahorra Tiempo, Mejora Precisión

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

¿El desafío? Convencer al cliente para usar una máquina de 5 ejes y detener todas las preparaciones. Cuando se optimiza en una sola máquina, la precisión puede controlarse más estrechamente mientras se gana simultáneamente una tonelada de tiempo en rendimiento.

"Así que el mayor desafío es convencer a este cliente en este caso, déjelo en una máquina", dice Durow. "Mecanemos tantos lados como podamos. No estás perdiendo precisión, porque está bloqueado en su lugar y todo es relativo a donde empezaste. Luego dale la vuelta, termina la parte inferior y listo."

Al final, pudieron ayudar a reducir esta pieza de pilón a 6 horas desde 22 horas solo manteniendo la pieza en un sistema, y terminaron usando menos tooling en general. Este tiempo no contó el movimiento de piezas de una máquina a otra, solo el aspecto del mecanizado.