Construído para velocidade:fazendo motores de aeronaves de qualidade no prazo

Para este primeiro artigo de uma série sobre construção de aeronaves, nos concentramos em peças e componentes de motores, destacando os problemas do mundo real que os fabricantes de ferramentas ajudam seus clientes a resolver todos os dias. Também analisamos detalhadamente o que está acontecendo na fabricação de peças aeroespaciais no momento.

Qual é o estado da indústria aeroespacial e de defesa agora? O esforço para construir aeronaves rapidamente e entregar no prazo é muito real, mas não é isento de obstáculos ou custos.

No nível de fabricação de peças, materiais resistentes ao calor e compostos podem ser extremamente difíceis de cortar. Consequentemente, os fabricantes aeroespaciais estão tendo que se tornar muito estratégicos em sua engenharia de processo, programação de máquinas e seleção de ferramentas, de acordo com três grandes fabricantes de ferramentas que entrevistamos.

Tornar-se estratégico é muito verdadeiro para todos os componentes complexos que compõem um motor a jato, onde peças forjadas individuais de US$ 75.000 são a norma – e descartar uma delas é uma opção cara e indesejada. A velocidade, embora essencial, não tem precedência sobre resultados previsíveis e confiáveis.

Aeroespacial e Defesa:o aumento da produção significa que são necessárias estratégias avançadas de ferramentas

“À medida que vemos os fabricantes de equipamentos originais aumentarem as taxas de produção, permanece o risco de os fornecedores enfrentarem dificuldades para aumentar a produção”, diz Robin Lineberger, líder da divisão aeroespacial da Deloitte, no relatório “2019 Global Aerospace and Defense Industry Outlook”. “Para superar esse desafio, os fabricantes devem considerar aprofundar seu foco no fortalecimento da cadeia de suprimentos, no gerenciamento eficaz de programas e no uso de tecnologias avançadas para aumentar a produtividade e a eficiência”.

Em seu relatório, a Deloitte espera que 2018 feche com cerca de 1.600 aeronaves para o ano – e prevê mais 100 do que em 2019. A demanda de produção geralmente significa o uso de máquinas multitarefa e de maior rendimento. As “tecnologias avançadas” mencionadas incluem tudo, desde metrologia baseada em sensores em processo até usinagem multieixo de alta velocidade até ferramentas especializadas de alta engenharia destinadas a quaisquer especificações de material que essa indústria altamente regulamentada apresente.

O que a Deloitte não aponta é que uma máquina avançada de 5 eixos pode levar de seis meses a um ano para chegar. Portanto, enquanto esses estão em falta, alguns subcontratados estão gerenciando com sistemas de 3 eixos existentes ou outras máquinas antigas – e muitos “fornecedores” de peças aeroespaciais acabadas estão tendo que repensar estratégias de ferramentas enquanto esperam, explicam os fabricantes de ferramentas.

“Eles querem formas mais rápidas de fabricação”, diz Bill Durow, gerente global de engenharia com foco em aeroespacial da Sandvik Coromant. “Eles querem executá-los em velocidades mais altas, seja desbaste ou acabamento. Hoje, o volume de motores que estão sendo produzidos está em uma taxa que nunca vimos antes na indústria.”

Encontrar as classes certas e ferramentas de pastilhas projetadas especificamente para superligas resistentes ao calor, também conhecidas como “HRSAs”, é muito possível hoje. Mas ainda há uma curva de aprendizado sobre esses materiais mais novos e as geometrias necessárias para cortá-los, dizem os fabricantes de ferramentas.

Ferramentas projetadas para cortar aço 4140, por exemplo, provavelmente não são as melhores ferramentas para cortar Inconel, titânio ou plástico reforçado com fibra de carbono, ou “CFRP”. Nos últimos anos, alguns componentes de motores estáticos e rotativos que costumavam ser feitos de titânio agora estão sendo feitos de materiais compósitos de matriz cerâmica, ou “CMCs”, dizem engenheiros da Seco Tools.

“A arte de tudo isso é a sinergia de juntar tudo”, diz Dave Todd, gerente aeroespacial e zona oeste da Seco Tools. “Nossas habilidades hoje mudaram no setor aeroespacial e nos tornamos muito mais uma consultoria que trabalha com parceiros de tecnologia, fornecedores de primeira linha e academia… Grande parte da engenharia de processo é feita fora do local em nosso centro de tecnologia.”

Todos os três fabricantes de ferramentas têm laboratórios de teste que usam para testar soluções potenciais para seus clientes. Todos os três também preferem fazer uma mistura de testes baseados em laboratório, bem como testes no local para garantir que as estratégias exatas funcionem na linha de produção física real.

Pensando em oportunidades de fabricação de peças no setor aeroespacial e de defesa? Leia “Manufacturing 101:tornando-se parte da indústria aeroespacial.”

O problema e as soluções para gerenciar o calor na zona de corte

A eficiência de combustível está impulsionando a demanda por componentes mais leves usando materiais resistentes ao calor que podem ser difíceis de usinar. Parte do impulso para um desempenho mais eficiente do motor é ambiental:uma queima mais limpa também é mais eficiente.

“Os requisitos de engenharia levam isso ao nível do fornecedor – o que significa que você precisa ter um tempo de resposta mais rápido na tecnologia de ferramentas para suportar materiais avançados”, diz Scott Causey, especialista em segmentos de mercado da Seco Tools. “E alguns dos materiais podem exigir uma estratégia de ferramental completamente diferente para cortar simplesmente com base em sua complexidade:um material HRSA comum não usa a mesma estratégia de corte que um compósito de matriz cerâmica.”

Um material CMC está em camadas e pode quebrar facilmente se não for manuseado corretamente.

Mas também pense nisso:o material resistente ao calor - excelente para a eficiência de um motor a jato de turbina insanamente quente - também cria muito calor durante o corte. As classes de ferramentas exigem um nível de resistência ao calor para realizar o trabalho.

Para ajudar a atender à necessidade de refrigeração, a entrega através da ferramenta tornou-se um detalhe essencial em ferramentas para usinagem avançada. Os fabricantes de ferramentas estão constantemente encontrando inovações no fornecimento de refrigerante, incluindo algumas ferramentas que têm várias portas para entregar nos locais de corte mais imediatos no momento mais eficaz.

Falando em refrigerante:para onde está indo a tecnologia de resfriamento? Descubra em “ O futuro dos fluidos metalúrgicos, lubrificantes de máquinas e refrigerantes .”

Destaque em motores de aeronaves

As geometrias necessárias para cortar formas e materiais de peças de motor requerem pensamento dimensional. Existem blisks de motor e aerofólios de formato exclusivo que podem combinar diferentes materiais – um composto com titânio, por exemplo.

Para combater isso, esses fabricantes projetam e testam uma gama completa de classes destinadas a cortar os materiais mais desafiadores - Inconel, HRSAs, titânio e muitos outros. E há uma outra maneira:eles constroem ferramentas aeroespaciais personalizadas conforme necessário. Essas ferramentas personalizadas geralmente se tornam linhas de produtos padrão para todos os clientes.

Três dos principais fabricantes de ferramentas descrevem como as especificações OEM e as geometrias exclusivas das peças aeroespaciais levaram as ferramentas personalizadas a se tornarem linhas de produtos padrão - uma vez comprovadas em campo. Todos os três fabricantes têm programas para a indústria aeroespacial e peças muito específicas otimizadas para as aplicações de componentes de motores atuais, incluindo:blisk/impulsores, aerofólios, discos de turbina, carcaças de turbina, carretéis, carcaças de ventiladores e eixos.

Aqui estão quatro exemplos de componentes de motores do mundo real sendo feitos onde as ferramentas certas causaram impacto. Todos incluem fabricantes aeroespaciais de Nível 1 com uma média de 35 a 40 máquinas em sua oficina que funcionam 365/24/7. Estas não são de forma alguma as únicas áreas das ofertas de componentes do motor para esses fabricantes.

Sandvik Coromant Lida com a produtividade em Blisks

Desafio: Levava sete dias para fazer um blisk. A parte à base de níquel tinha uma lâmina profunda e uma ranhura estreita. O desbaste de longo alcance provou ser ineficaz com as abordagens tradicionais de fresamento. A embalagem do chip era excessiva. As máquinas estavam travando.

“Vimos o que eles estavam fazendo, apenas queimando fresas de topo, em plena capacidade:para frente e para trás, para frente e para trás, para frente e para trás”, diz Durow. “Eles tinham ferramentas redundantes, levavam-nas para a oficina de reafiação e depois as reutilizavam… Estava demorando muito e usando muitas fresas de topo.”

Solução: Uma ferramenta de mergulho de metal duro semelhante ao que havia sido feito nas operações de moldes e matrizes. Além disso, uma segunda ferramenta com diâmetro menor foi então utilizada para limpar as cúspides.

“Trouxemos nossa peça de teste de volta ao laboratório e tivemos a ideia de usar as rotinas de mergulho”, diz Durow. “Funcionou muito, muito bem. E o bom foi que quase eliminamos outra operação de semi-acabamento com a limpeza secundária.”

Resultado: Reduziu quatro dias da produção de sete dias com desbaste e semi-acabamento. Também acabou se tornando uma oferta padrão para aplicativos blisk.

Kennametal economiza uma grande compra com um aerofólio

Desafio: Uma folha de ar de formato irregular feita de Inconel estava sendo cortada em um processo de usinagem eletroquímica, ou “ECM”, onde a peça de trabalho estava sendo mantida por um material de liga de bismuto. Cortes agressivos da matéria-prima não eram possíveis, então a produção era lenta. Forças pulsantes estavam causando trepidação e vibração – e vida útil da ferramenta ruim.

Solução: Desenvolvi uma estratégia de corte que ajustou a hélice, a contagem de canais e a microgeometria da ferramenta para minimizar o empurrão em cortes mais pesados. Para cortes mais leves, eles aumentaram a hélice e mudaram o diâmetro e a contagem de flautas para garantir que houvesse três pontos de contato durante a rotação.

Resultado: Corte suave, vida útil da ferramenta aumentada e taxas máximas de remoção de metal aumentadas. O cliente conseguiu cancelar o pedido de uma nova máquina de US$ 1 milhão que estava prestes a ser encomendada.

Ferramentas Seco Assume o controle de ranhuras cortadas em um disco de motor

Desafio: Problemas de controle de cavacos devido ao corte de sulcos profundos no Inconel 718 tratado termicamente em um disco de compressor que segura as pás do ventilador. As rotinas de mergulho profundo levam à quebra da ferramenta e à vida útil ruim da ferramenta.

Solução: Um sistema multidirecional de torneamento e canal combinado com refrigeração de alta pressão. Uma estratégia de corte geométrico em ziguezague e rampa ajudou cavacos finos, reduzir o calor e ganhar uma vida útil considerável da ferramenta.

Resultado: Uma redução de 15 a 20 por cento no tempo de ciclo. Ganhou o controle do processo e diminuiu a carga de intervenção manual e demorada.

Kennametal elimina a vibração na carcaça do motor

Desafio: Remoção de uma polegada inteira de titânio para a carcaça do motor, mas não pôde ser girada. Havia muita força de corte e pouca produtividade das ferramentas existentes. Era difícil contornar áreas específicas de recursos.

“As capas dos motores devem ser redondas, certo? Mas eles realmente não são”, diz Mark Francis, engenheiro da equipe de projetos para aeroespacial e defesa da Kennametal. “Eles estão repletos de recursos que eliminam a capacidade de fazer apenas um simples ciclo de torneamento… Eu diria que 80% das vezes, o material é cortado por fresamento.”

Solução: Use uma ferramenta especializada que se ajuste ao diâmetro e simultaneamente elimine a vibração e o empurrão.

Resultado: Uma linha de produção estável e confiável com eficiência de corte de metal previsível. Ferramentas personalizadas que levam a se tornar um padrão.

A importância do processo de produção e do custo por componente

Lembre-se:a maioria dos fornecedores de fabricação de peças aeroespaciais de Nível 1 não está executando o mesmo equipamento de usinagem exato, embora possam estar construindo as mesmas peças com as mesmas especificações do OEM. Fabricantes de ferramentas e especialistas em metalurgia precisam entender cada ambiente de usinagem e projetar estratégias que funcionem para cada ambiente de usinagem exclusivo.

Independentemente, os três fabricantes de ferramentas, que são concorrentes, queriam que uma coisa ficasse bem clara:a ênfase deve estar nos ganhos de produtividade com o uso das ferramentas certas destinadas a realmente causar impacto na produtividade e na precisão. Eles também acreditam que uma visão mais holística da métrica de custo por componente ajuda a atender a entrega pontual de mais e mais aeronaves.

A prova, dizem, está na produtividade.

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