A arte de construir as asas de aeronaves atuais

O que é preciso para fazer asas de aeronaves na hiperprodutiva indústria aeroespacial de hoje? Como parte 2 de nossa série sobre fabricação aeroespacial e de defesa, os fabricantes de ferramentas explicam como estão ajudando a indústria a encontrar cada vez mais horas para economizar no processo.

As asas não são necessariamente consideradas a parte mais difícil de fabricar em um avião - mas são grandes e exigem usinagem horizontal grande e aberta e vários dias para serem feitas. Assim como em todas as manufaturas aeroespaciais e de defesa, os desafios de negócios são encontrar eficiências e manter a mais alta qualidade de produção.

A demanda é alta e os negócios estão crescendo. Os principais fabricantes de aeronaves estão produzindo de 40 a 60 aeronaves comerciais por mês, dependendo do modelo, de acordo com fabricantes de ferramentas que entrevistamos.

A fabricação das asas em si não mudou muito ao longo dos anos, ao contrário dos componentes do motor, que sofreram muitas variações. Em alguns casos, os engenheiros modificaram alguns dos materiais da asa – às vezes usando titânio mais exótico.

No geral, os materiais para as asas ficam no campo de titânio, como Ti-6AL-4V, ou no campo de alumínio, onde o 6061 é predominante - com um pouco de 7075. Algumas asas também são feitas com polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP ) e alumínio-lítio – que são encontrados em foguetes e naves espaciais.

A Better MRO conversou com engenheiros de três grandes fabricantes de ferramentas da Kennametal, Sandvik Coromant e Seco Tools sobre as melhores práticas em ferramentas para asas e as peças anexadas às asas – incluindo pilones.

Design de asa de aeronave:costela de aeronave, longarinas de asa, longarinas

Uma estrutura de asa de aeronave é composta por um esqueleto e uma pele externa. O esqueleto da asa consiste em três componentes principais:longarinas, costelas e longarinas. As longarinas se estendem ao longo da envergadura da asa e ajudam a controlar a quantidade de flexão, enquanto as nervuras formam a forma aerodinâmica da asa e vão do bordo de ataque ao bordo de fuga.

As longarinas se estendem entre as costelas, paralelas às longarinas e são usadas para endurecer a asa. Juntos, esse esqueleto não deve apenas suportar as cargas de voo, mas também os motores, abriga muitos componentes internos e armazena um grande volume de combustível.

“Algumas das ligas de alumínio mais duras, como a 7075, exigem uma classe de metal duro muito resistente para cortar e manter uma vida útil aceitável da ferramenta”, diz Mark Francis, engenheiro de equipe, aeroespacial e defesa, da equipe de engenharia de soluções da Kennametal.

“Para as peles das asas, é uma ferramenta no estilo de fresamento de face. Dependendo do tamanho da asa, você quer uma ferramenta de diâmetro muito grande para poder cobrir mais superfície em menos tempo. Há também muitos recursos para cortar dentro da asa para prender coisas”, explica Francis.

O objetivo aqui é ser capaz de cortar todos os recursos de montagem com o menor número de ferramentas para limitar o tempo de troca de ferramentas. Ao remover o material da pele, trata-se de obter uma superfície extremamente lisa usando uma máquina grande tipo pórtico. Não se trata de usar ferramentas manuais. Ele deve ser o mais automatizado e preciso possível.

“Os detalhes da geometria das ferramentas de corte podem ter um impacto nas taxas de remoção de metal (MRR)”, diz Eric Gardner, especialista de aplicação norte-americano da Seco Tools. “Com as geometrias ajustáveis ​​corretas, os fabricantes podem ver um aumento de 30% no MRR, o que muitas vezes pode se traduzir em um aumento de 15 a 20% na produtividade da fabricação de peças.”

“O acabamento tem que ser muito, muito suave nessas longarinas e áreas de montagem”, diz Francis. “Geralmente, estamos usando um cortador de ranhura ou cortador de acabamento aqui... Não pode haver 'linhas de volta', que é uma linha que percorre o comprimento da superfície de corte que pode ser causada pela incompatibilidade de alguns dos inserções ao longo da largura do corte.”

Linhas de volta são tensores – e há muito estresse dentro de uma asa, então se existe um tensor ou linha de volta, é uma situação ruim. A asa será rejeitada e terá que ser re-usinada ou sucateada. Para uma parte tão essencial e grande, a demolição é uma opção terrível e cara.

Saiba mais sobre os painéis das asas:Assista a esta construção das asas. Fonte:Airbus A380

Para ajudar a eliminar as linhas de lapidação, os fabricantes aeroespaciais costumam usar fresas de rodas ajustáveis ​​com diâmetros de 10 a 12 polegadas, com pastilhas de metal duro especialmente projetadas para ligas de alumínio aeroespacial com múltiplas configurações para os corpos da fresa, diz Francis.

“E a pastilha de metal duro tem que funcionar perfeitamente fiel à próxima, então a excentricidade tem que ser zero. A única maneira de realmente conseguirmos isso é tornar as ferramentas ajustáveis”, diz Francis. “O cliente ajusta cada uma dessas pastilhas para um diâmetro específico, de modo que quando a ferramenta estiver descendo a longarina, as linhas de lapidação sejam eliminadas. E isso é uma obrigação definitiva... Não podemos ter nenhum tipo de inconsistência.”

Saiba mais sobre o trabalho de qualidade necessário para testar asas. Assista "Como a Boeing testa as longarinas do 777X" Fonte:Boeing

Área de Potencial Problema:Evacuação de Chips nas Capas das Asas

Ao remover o metal na pele da asa, a própria asa para aeronaves muito grandes pode ter várias centenas de pés de comprimento. Não é exatamente plano, mas há muito metal para cortar em uma mesa enorme – e para suavizar.

“Em muitos casos, há um sistema de vácuo usado para retirar as lascas da superfície da asa”, diz Francis. “Esses cavacos podem ficar presos à medida que a pastilha está voltando novamente, e recortados e manchados no material. E isso é um absoluto não-não. Nós não queremos isso.”

Para ajudar a evitar essa situação, os fabricantes de ferramentas ajustam a geometria para permitir que o cavaco seja evacuado rapidamente e sugado com vácuo sem ser trazido de volta ao corte. Muitas vezes, nessas plataformas, os fabricantes estão usando uma leve névoa para ajudar na evacuação de cavacos ou no corte a seco, já que é uma área tão grande e aberta para essas grandes asas.

Há muito o que entender sobre a fabricação de aeronaves. Vá mais fundo. Leia “Construído para a velocidade:fazendo motores de aeronaves de qualidade no prazo.”

O setor de defesa impulsiona algumas mudanças materiais no design das asas das aeronaves 

“Na área militar, por exemplo, vimos mudanças nas asas para pouso de aeronaves em porta-aviões”, diz Bill Durow, gerente global de engenharia com foco em aeroespacial da Sandvik Coromant. “Há mais demanda nas asas quando eles pousam. Então eles estão mudando e brincando com os materiais para obter um material mais forte.”

Esse material mais forte inclui opções de titânio, como Ti-5553 e Ti-1033, que são mais difíceis de usinar, de acordo com Durow. Esses materiais podem causar problemas com a vida útil da ferramenta e precisam ser usinados em velocidades mais baixas, de modo que a produtividade pode ser afetada.

“Um material de titânio 5553, que é um titânio beta, como regra geral, fornecerá cerca de 50% menos vida útil da ferramenta do que o titânio alfa-beta típico, como 6AL-4V”, diz Durow.

A maioria das ferramentas para essas aplicações inclui ferramentas redondas, fresas de topo de metal duro, fresas de aresta longa e muitas fresas de canto quadrado.

“Devido à natureza das geometrias que você está usinando, você terá desgaste de entalhe frequente nas ferramentas, então existem diferentes técnicas que você pode aplicar para tentar aliviar isso”, diz Durow.

Híbridos de alumínio mais recentes ganhando terreno:alumínio-lítio

Comparado ao alumínio da série 7000, o alumínio-lítio reduzirá a vida útil da ferramenta em 50 a 70%, de acordo com Gardner da Seco Tools.

“É mais forte com menos peso do que outros alumínios, tornando-o ideal para aeroespacial e defesa, bem como para foguetes e espaçonaves”, diz Gardner.

À medida que a tecnologia do fuso continua a evoluir, o rendimento está aumentando e alguns sistemas são capazes de atingir até 30.000 rpms a 120 quilowatts de alta aceleração com as ferramentas certas.

“É relativamente abrasivo, por isso requer ferramentas afiadas e positivas para cortá-lo com revestimentos resistentes à abrasão, como DLC – ou ‘revestimento tipo diamante'”, diz Gardner.

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Como reduzir configurações em várias máquinas economiza tempo e aumenta a precisão

Uma área que os fabricantes de ferramentas tentam ajudar os fabricantes aeroespaciais e de defesa a encontrar eficiência é na redução de configurações e trocas de peças móveis para máquinas diferentes. A Sandvik Coromant tem um forte exemplo de pilão, uma parte presa a uma asa, que estava sendo movida para três máquinas diferentes e tinha quatro configurações.

O desafio? Convença o cliente a usar uma máquina de 5 eixos e interrompa todas as configurações. Quando otimizada em uma máquina, a precisão pode ser controlada com mais rigor e, ao mesmo tempo, ganhar muito tempo de retorno no rendimento.

“Portanto, o maior desafio é convencer esse cliente, neste caso, a deixá-lo em uma máquina”, diz Durow. “Vamos criar o máximo de lados que pudermos. Você não está perdendo sua precisão, porque está travada no lugar e tudo é relativo a onde você começou. Em seguida, vire-o, termine o fundo e pronto.”

No final, eles foram capazes de ajudar a reduzir essa peça de pilão de 22 horas para 6 horas apenas mantendo a peça em um sistema - e acabaram usando menos ferramentas em geral. Este tempo não levou em conta as peças que se deslocam de uma máquina para a próxima - apenas o aspecto da usinagem.

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