Wirtschaftliche Zerspanung großer Luftfahrtstrukturbauteile aus Titan Dr.-Ing Jan Hendrik Dege Leiter Programmierung Varel Premium AEROTEC GmbH Emden, 07.05.2015 Was treibt uns an? Anforderungen der Kunden: Erhöhung der Nutzlast Vergrößerung der Reichweite Verringerung des Verbrauchs Reduktion der Emissionen Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Lösungswege: Entwicklung effizienter Triebwerke Verbesserung der Aerodynamik Reduzierung Reduzierung des desStrukturgewichts Strukturgewichts Zahlen, Daten und Fakten Größter Flugzeugstruktur-Zulieferer Europas Über 9.300 Mitarbeiter an sechs Standorten 1,6 Mrd. € Umsatz (2013) Hamburg Bremen Varel Nordenham Augsburg Brasov Premium AEROTEC Produktion Engineering Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 6 Produkte und Kunden Die PAG produziert Strukturkomponenten und Systemkomponenten Rumpfstrukturen - CFK - Aluminium / Titan Rumpfsektionen - Mischbauweise (z. B. CFK-Metall) - Metall Flügelsysteme - Landeklappen und Vorflügel - Flugsteuerungskomponenten Services - Fertigungssysteme - Aerostructures MRO* *) MRO = Maintenance, Repair and Overhaul Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 7 Premium AEROTEC, Werk Varel, 2013 14.600 t/a Aluminium 420 t/a Titan ~8.000 Werkzeugvarianten 1.600 Mitarbeiter 13.500 t/a Späne Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 5 Mio./a Bauteile 4.000 kg/a Hartmetall 23.000 Bauteilvarianten 8 Tür- / Torumgebung Airbus A350 AIRBUS Passagiertür 4 / AC Frachttor 2 / AC Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Gepäcktor 1 / AC 9 Tür- / Torumgebung Airbus A350 AIRBUS Passagiertür Frachttor Gepäcktor Titan 4,4 m 4 / AC 2 / AC Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 1 / AC 10 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 Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 11 Prozesskette eines C87 Titan Türrahmens - Schmieden Freiformschmieden Querschnitt C87 Türrahmen Freiformschmieden Krümmung Titan Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 12 Prozesskette eines C87 Titan Türrahmens - Zerspanung Vorbearbeitung Bearbeitung Spannflächen Schruppen Taschen Rohteilgewicht ≈ 550 kg Schlichten Bauteil Fertigteilgewicht ≈ 25 kg Buy to Fly Ratio: 22 (95%) + Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 13 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 Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 14 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan instabil stabil Technologische NC-Bahnplanung Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Prozessauslegung 15 Vergleich der Schruppbearbeitung zwischen Aluminium und Titan Schruppen mit Vollhartmetallfräsern (D = 25mm) Aluminum Knetlegierung Titan TiAl6V4 -annealed DST FHT Faktor >25 im Zeitspanvolumen! Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 16 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 Mmax= 1500 Nm nmax = 6000 min-1 Schnittstelle: HSK 125 MAG Vorschubantriebe mit Fmax = 50 kN 5-Achs A-C Kopf geschlossener Kraftfluss stabile Maschinenstruktur mit hoher Steifigkeit und Dämpfung MAG Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 18 MAG H5000 ZTi Montage Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 19 MAG H5000 ZTi Montage Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 20 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan instabil stabil Technologische NC-Bahnplanung Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Prozessauslegung 21 Werkzeuge für die Titanzerspanung Schruppfräsen Walzenstirnfräser D = 50 mm Schaftfräser Bohren, Schlichten, … 23% 47% Schlichtfräsen 30% D = 25 mm Prozentsatz an der Hauptzeit Schaftfräser D = 16 mm Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 22 Entwicklung von Vollhartmetallschaftfräsern Stabiliserung der Schneidenecke Schruppfräsen Stabiliserung der Schneidkante Schruppfräsen Zeitspanvolumen [%] höhere Schneidenanzahl Ungleichteilung große Spanraumquerschnitte 180% 120% +60% 60% 0% 2010 2012 Optimierte KSSZuführung Neue Substrate und Schichtsysteme Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 24 Entwicklung von Vollhartmetallschaftfräsern Höhere Schneidenanzahl Zeitspanvolumen [%] Stabilisierung der Schneidenecke Schruppfräsen 180% 120% 60% 0% 2010 Neue Substrate 800% 600% 400% +600 % 200% 0% 2010 Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 2012 Schlichten Zeitspanfläche [%] Schlichtfräsen Stabilisierung der Schneidkante Optimierte radiale KSS-Zuführung +60% 2012 25 Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan instabil stabil Technologische NC-Bahnplanung Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Prozessauslegung 26 Wie funktioniert die technologische Bahnplanung? NC-Chip Werkzeugdaten Vorhersage der Eingriffsbedingungen (Constructive Solid Geometries) Maschinen kennwerte Vorhersage der Kräfte (Kienzle) NCProgramm Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 27 NC-Chip Werkzeugdaten Maschinen kennwerte Vorschubanpassung Leerwegoptimierung Leerwegoptimierung Kraftbegrenzung Vorschub-Optimierung NCProgramm Vorschubbegrenzung Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Reduzierung der Laufzeit Verbesserung Prozesssicherheit Höhere Bauteilqualität Wie funktioniert die technologische Bahnplanung? 28 Technologische Bahnplanung eines Schlossbeschlags mit NCChip Schlossbeschlag Titan TiAl6V4, 4 Stk. pro Airbus A350 Ziel: Reduzierung der Laufzeit 400 mm Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege / Dr. Tobias Surmann NCChip – Technologische Optimierung Titan Schlossbeschlag Vorgehensweise: Leerwege Leerwegoptimierung vermeidet unproduktiven Luftschnitt Vorschuboptimierung nutzt Werkzeugpotential auch im Schnitt voll aus Werkzeugüberbelastung wird vermieden Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege / Dr. Tobias Surmann NCChip – Technologische Optimierung Titan Schlossbeschlag verkürzte Leerwege Vorgehensweise: Leerwege Leerwegoptimierung vermeidet unproduktive Luftzerspanung Vorschuboptimierung nutzt Werkzeugpotential auch im Schnitt voll aus Werkzeugüberbelastung wird vermieden Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege / Dr. Tobias Surmann NCChip – Technologische Optimierung Titan Schlossbeschlag konstante Maximalkraft Vorgehensweise: Einsparung 14 min Leerwegoptimierung vermeidet unproduktive Luftzerspanung Vorschuboptimierung nutzt Werkzeugpotential auch im Schnitt voll aus Werkzeugüberbelastung wird vermieden Laufzeitreduzierung: 25% Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege / Dr. Tobias Surmann Vorgehensweise zur Bearbeitung von Titan Strukturbauteilen Werkzeugmaschine Werkzeug Produktive Bearbeitung von Titan instabil stabil Technologische NC-Bahnplanung Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Prozessauslegung 38 Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Beschleunigungssensor Berechnung des Prozessstabilitätsdiagramms Prozessauslegung Brüel & Kjaer Messmodul Brüel & Kjaer Software Werkzeug dominante Eigenfrequenz Impulshammer Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 39 Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Kraftkoeffizienten Werkzeuggeometrie Rechenmod ul Rechenmodul auf für Basis Stabilitätsvon Semikarten nach Discretizatio der SDn Methode Berechnung des Prozessstabilitätsdiagramms Schnitttiefe ap [mm] Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs Nachgiebigkeitsfrequenzgang Prozessauslegung instabil stabil Drehzahl n [1/min] Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 40 Prozessauslegung Messung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs unter Berücksichtigung: Prozessstabilität max. Leistung Pmax max. Drehmoment Mmax max. Drehzahl nmax Prozessauslegung nmax Schnitttiefe ap [mm] Ziel: hohes Zeitspanvolumen max. Auslastung der Spindel Berechnung des Prozessstabilitätsdiagramms instabil instabil stabil stabil Drehzahl n [1/min] Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 41 Beispiel Prozessoptimierung 25 min Einsparung je Bauteil Prozess Alt Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege Prozess Neu 42 Zusammenfassung Aufgrund eines stetig steigenden Flugverkehrsaufkommens nimmt auch der Bedarf an neuen, zivilen Flugzeugen stark zu. Die Zerspanung von Titan wird in Zukunft bei Luftfahrtanwendungen, aufgrund stärkerer Verwendung von CFK, weiter an Bedeutung gewinnen. Für eine produktive Zerspanung ist zunächst eine Kombination aus leistungsfähigen Werkzeugmaschinen und darauf abgestimmten Zerspanwerkzeugen erforderlich. Um vorhandene Fertigungskapazitäten maximal auszunutzen bieten sich die Methode der technologischen NC-Bahnplanung und die Berechnung von Stabilitätskarten an Premium AEROTEC, Dr. Jan H. Dege 43 © 2015 by Premium AEROTEC GmbH All rights reserved. Confidential and proprietary document. This document and all information contained herein is the sole property of Premium AEROTEC GmbH. No intellectual property rights are granted by the delivery of this document or the disclosure of its content. 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