Wirtschaftliche Zerspanung großer Luftfahrtstrukturbauteile aus Titan

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1 Wirtschaftliche Zerspanung großer Luftfahrtstrukturbauteile aus Titan Dr. Jan H. Dege Leiter NC-Programmierung Nordenham / Varel Premium AEROTEC GmbH Kapfenberg,

2 Entwicklung des Flugverkehrs Anforderungen der Kunden: Erhöhung der Nutzlast Vergrößerung der Reichweite Verringerung des Verbrauchs Reduktion der Emissionen Lösungswege: Entwicklung effizienter Triebwerke Verbesserung der Aerodynamik Reduzierung des Strukturgewichts

3 Historie der Premium AEROTEC GmbH Jan 2009 Jan 2010 Jan 2011 EADS Augsburg Airbus Nordenham Airbus Varel Nordenham Airbus Kleinteilefertigung Bremen Varel Bremen EADS Brasov (Rumänien) ASL (Lemwerder) (Arbeitspakete) Deutschland Augsburg Brasov Rumänien Produktion Engineering 3

4 Premium AEROTEC, Werk Varel, t/a Aluminium 420 t/a Titan Mitarbeiter 3,75 Mio./a Bauteile ~8.000 Werkzeugvarianten t/a Späne kg/a Hartmetall Bauteilvarianten 4

5 Tür- / Torumgebung Airbus A350 AIRBUS Passagiertür Frachttor Gepäcktor 4 / AC 2 / AC 1 / AC 5

6 Tür- / Torumgebung Airbus A350 AIRBUS Passagiertür Frachttor Gepäcktor Titan 4,4 m 4 / AC 2 / AC 1 / AC 6

7 Tür- / Torumgebung Airbus A350 AIRBUS C87 Türrahmen Titan ~3 große Titan Strukturbauteile je Tür- / Torumgebung 7 Tür- / Torumgebungen pro Flugzeug (Werk Varel) geplante Produktionsrate: 140 Flugzeuge/a ab 2018 >2900 große Titanstrukturbauteile pro Jahr 7

8 Prozesskette eines C87 Titan Türrahmens - Schmieden Freiformschmieden Querschnitt C87 Türrahmen Titan Freiformschmieden Krümmung 8

9 Prozesskette eines C87 Titan Türrahmens - Zerspanung Vorbearbeitung Bearbeitung Spannflächen Schruppen Taschen Schlichten Bauteil Rohteilgewicht 550 kg Buy to Fly Ratio: 22 (95%) Fertigteilgewicht 25 kg + 9

10 Herausforderungen bei der Zerspanung großer Titanstrukturen C87 Titan Türrahmen dünne Stege große Umschlingungswinkel hoher Materialabtrag Strakflächen erfordern Fünfachsbearbeitung Geringes Zeitspanvolumen in Titanlegierungen Hoher Werkzeugverschleiß im -annealed TiAl6V4 Gefahr von Ratterschwingungen 10

11 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan NC-Strategie Bauteilverzug 11

12 Anforderungen an Werkzeugmaschinen für Titan - MAG H5000 ZTi Hochleistungs KSS-System (>80 bar) Palettengröße: 4500 x 2000 mm Motorspindel mit hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl M max = 1500 Nm n max = 6000 min -1 Schnittstelle: HSK Achs A-C Kopf Vorschubantriebe mit F max = 50 kn stabile Maschinenstruktur mit hoher Steifigkeit und Dämpfung MAG geschlossener Kraftfluss MAG 12

13 MAG H5000 ZTi Montage 13

14 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan NC-Strategie Bauteilverzug 14

15 Schlichtfräsen Schruppfräsen Werkzeuge für die Titanzerspanung Walzenstirnfräser D = 50 mm Schaftfräser Bohren, Schlichten, 23% 30% 47% D = 25 mm Schaftfräser Prozentsatz an der Hauptzeit D = 16 mm 15

16 Werkzeug Benchmark Benchmark mit 12 untersch. Werkzeugherstellern Zeitspanvolumen Q = 165 cm³/min 16

17 Schruppfräsen Zeitspanvolumen [%] Entwicklung von Vollhartmetallschaftfräsern höhere Schneidenanzahl Ungleichteilung große Spanraumquerschnitte Stabiliserung der Schneidenecke 180% 120% 60% Schruppfräsen +60% Stabiliserung der Schneidkante 0% Optimierte KSS- Zuführung Neue Substrate und Schichtsysteme 17

18 Schlichtfräsen Zeitspanfläche [%] Zeitspanvolumen [%] Entwicklung von Vollhartmetallschaftfräsern Höhere Schneidenanzahl Schruppfräsen 180% 120% +60% Stabilisierung der Schneidenecke 60% Stabilisierung der Schneidkante 0% Schlichten 800% Optimierte radiale KSS-Zuführung 600% 400% +600 % Neue Substrate 200% 0%

19 Auslegung stabiler Fräsprozesse I Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Berechnung des Prozessstabilitätsdiagramms Prozessauslegung Beschleunigungssensor Werkzeug Brüel & Kjaer Messmodul Brüel & Kjaer Software dominante Eigenfrequenz Impulshammer 19

20 Schnitttiefe a p [mm] Auslegung stabiler Fräsprozesse II Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Berechnung des Prozessstabilitätsdiagramms Prozessauslegung Kraftkoeffizienten Werkzeuggeometrie Rechenmod ul Rechenmodul auf für Basis von Stabilitätskarten nach Semi- Discretizatio der SDn Methode instabil Nachgiebigkeitsfrequenzgang stabil Drehzahl n [1/min] 20

21 Schnitttiefe a p [mm] Auslegung stabiler Fräsprozesse III Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Berechnung des Prozessstabilitätsdiagramms Prozessauslegung Ziel: hohes Zeitspanvolumen max. Auslastung der Spindel unter Berücksichtigung: Prozessstabilität max. Leistung P max max. Drehmoment M max max. Drehzahl n max instabil stabil n max instabil stabil Drehzahl n [1/min] 21

22 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan NC-Strategie Bauteilverzug 23

23 Wie funktioniert die technologische Bahnplanung? Werkzeugdaten NC-Chip Vorhersage der Eingriffsbedingungen (Constructive Solid Geometries) Maschinen kennwerte Vorhersage der Kräfte (Kienzle) NC- Programm 24

24 Reduzierung der Laufzeit Verbesserung Prozesssicherheit Höhere Bauteilqualität Wie funktioniert die technologische Bahnplanung? Werkzeugdaten Maschinen kennwerte NC- Programm NC-Chip Vorschubanpassung Leerwegoptimierung Leerwegoptimierung Kraftbegrenzung Vorschub-Optimierung Vorschubbegrenzung 25

25 65 mm Beispiel Vorschuboptimierung: Titan Bracket Titan Bracket Krawatte 150 mm Ziel: Laufzeitoptimierung Verbesserung Bauteilqualität

26 Erkennung und Behebung von Absätzen und Einfräsungen Erstmuster mit Fräsabsätzen Simulationsergebnis NCChip Grünverfahren 0 mm 13 mm Erste Optimierung führte direkt zu Grünverfahren 25% Einsparung in der Durchlaufzeit Reduzierung der Nacharbeit Vorhersage Fräsabsatz Modifikation des NC-Programms Rampe Fertigung 0 mm 13 mm / Dr. Tobias Surmann

27 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan NC-Strategie Bauteilverzug 31

28 Eigenspannungen im Halbzeug Halbzeug Halbzeug speichert Eigenspannungen aus dem Umformprozess IFW 32

29 Lösen der Eigenspannungen durch Schruppprozess Halbzeug Halbzeug speichert Eigenspannungen aus dem Umformprozess Schruppen F Lösen und Einbringen von Eigenspannungen F Erzeugung von Auflagerkräften Fräsprozess Werkstofftrennung Eigenspannungen 33

30 Bauteilverzug bei Strukturbauteilen aus Titan Halbzeug Halbzeug speichert Eigenspannungen aus dem Umformprozess Schruppen F F Lösen und Einbringen von Eigenspannungen Erzeugung von Auflagerkräften Schlichten Nach Lösen der Aufspannung kann Verzug entstehen! IFW 34

31 Adaptive Clamping System - Operation Halbzeug Halbzeug speichert Eigenspannungen aus dem Umformprozess Aufspannung lösen Adaptives Spannsystem Funktionsweise: Auflagerkräfte lösen lastarmes spannen Schruppen F F Lösen und Einbringen von Eigenspannungen Erzeugung von Auflagerkräften Anforderungen an das Spannsystem Niederzugspanner Kraftmessung in Z-Richtung Aktive Positionierung in Z-Richtung Hohe Steifigkeit in XYZ-Richtung Schlichten Gleiche Abmessungen wie PAG-Spannsystem Nach Lösen der Aufspannung kann Verzug entstehen! IFW 35

32 von Mises Spannung Konstruktion des adaptiven Spannsystems Sensoren für XY- Positionsmessung Spannzylinder Niederzug Spannzylinder Z-Klemmung Sensor für Z- Positionsmessung Niederzug Spanngabel Kraftmessung Festkörper -gelenk Hydraulikzylinder zur Z-Positionierung X Z 30 kn Y 36

33 Adaptives Spannsystem - Prototyp x 4 Olaf Gümmer, IFW, Hannover 37

34 Testaufbau des adaptiven Spannsystems Analogiebauteil aus Titan Adaptives Spannsystem Adaptives Spannsystem Maschinentisch Servoventile Olaf Gümmer, IFW, Hannover 38

35 Adaptives Spannsystem Video 39

36 Zusammenfassung Ein wichtiges Kernprodukt der PAG sind große, dünnwandige Titanstrukturbauteile. Speziell entwickelte Vollhartmetallwerkzeuge, eine simulationsbasierte Schnittwertauslegung sowie technologisch optimierte NC-Programme haben zu einer deutlichen Erhöhung der Produktivität geführt. Eine weitere Produktivitätssteigerung wird mit der Inbetriebnahme der neuen MAG Großbearbeitungszentren erwartet. Zukünftig sollen adaptive Spannsysteme den Bauteilverzug reduzieren. 40

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