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Microfinish-Bearbeitung von Luftfahrtteilen

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Microfinish-Bearbeitung von Luftfahrtteilen

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Vor dem Hintergrund des Trends in der Luftfahrtindustrie nach mehr Wirtschaftlichkeit, Geräuschminderung und Miniaturisierung bei gleichzeitig höheren Anforderungen an die Funktionssicherheit gewinnt die Feinstbearbeitung von funktionswichtigen, hochbelasteten Oberflächen weiter an strategischer Bedeutung.

Beim Bau von Luftfahrzeugen sind heute neben höchsten Sicherheitskriterien Gewichtsersparnis, Aerodynamik, Schallemissionen und Kerosinverbrauch die wettbewerbsentscheidenden Kriterien. Mit verbrauchsgünstigen Triebwerken, einer besseren Aerodynamik und geringerem Gewicht können heute Treibstoffverbrauchswerte von 2,4 bis 3 Liter je 100 Kilometer und Passagier erzielt werden. Das ist vor allem nur durch konsequente Gewichtseinsparung möglich, die durch den großflächigen Einsatz von Kunststoff, Kohlefaserteilen und Sandwichkonstruktionen sowie durch die Oberflächenfeinstbearbeitung von hochbelasteten metallischen Bauteilen erreicht wird.

Microfinish-Verfahren
Besonders für Luftfahrtteile geeignet ist das von Thielenhaus Technologies unter dem Markennamen „Microfinish“ weiterentwickelte SuperfinishVerfahren. Es basiert auf einem speziellen Micro-Honverfahren, bei dem die Honwerkzeuge in Zusammensetzung und Härte an die zu bearbeitenden Werkstoffe angepasst werden. Die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt in Form von linearen Oszillationen für zylindrische und konische Teile im Einstech- oder Durchlaufverfahren. Rotierende Werkzeuge kommen bei ebenen, sphärischen, konkaven oder konvexen Werkstücken zum Einsatz. Durch die hochgenaue Bearbeitung können die Abmessungen der bearbeiteten Bauteile sehr klein, deren Belastung jedoch sehr hoch sein.
Das Microfinish/Superfinish-Verfahren gehört zum Bereich des Spanens mit geometrisch unbestimmter Schneide. So wird zum Beispiel bei der Bearbeitung von zylindrischen Werkstücken ein Microfinish-Werkzeug (Stein oder Band) auf die Oberfläche des rotierenden Werkstücks verfahren und oszilliert dort kurzhubig. Hierbei sind Rautiefen bis zu Ra 0,03 µm (Rt 0,1 und Rz 0,2 µm) zu erzielen. Die Kurz- und Langwelligkeit kann so ebenfalls verbessert werden. Mit dieser Methode werden unter anderem Triebwerkslager, Wälzlagerringe und -körper, Kugelgelenkbolzen und Kolbenstangen bearbeitet.
Anstelle von Steinen lassen sich auch Bänder als Werkzeug einsetzen. Diese sind entweder nur umlaufend ausgelegt oder oszillieren. Auch das Werkstück kann je nach Bearbeitungsaufgabe in Oszillationsbewegungen versetzt werden. So werden z. B. wellenförmige Bauteile gefinisht. Bei planen oder sphärischen Flächen werden Topfscheiben oder Hülsen durch Zustellsysteme auf das Werkstück gefahren. Werkstück und Werkzeug rotieren im Gegenlauf, wobei das Werkzeug, beispielsweise eine Topfscheibe, geringfügig über der Mitte des Werkstücks angeordnet ist. Im Gegensatz zum Schleifverfahren werden die Werkzeuge nicht abgerichtet.
Staudruckmesser
Bei der Herstellung von Staudruckmessern sind hochpräzise Dichtflächen der Druckkammer mit einer Ebenheit unter 1 µm gefordert. Nur eine extrem maßhaltige Bearbeitung sichert später hochgenaue Messungen des Geschwindigkeitsanzeigers. Dabei muss der aus Stahl und Glas bestehende Verbundwerkstoff etwa 1 mm abgetragen werden. In einem zweiten Arbeitsgang wird die für die Membran benötigte sphärische Fläche hergestellt, bevor zum Schluss die definierte ebene Dichtfläche erzeugt wird. Zum Einsatz kommt hier die modernste zur Zeit auf dem Markt befindliche Superfinish-Maschine vom Typ „MicroStar“. Mit acht Stationen ausgerüstet, können gleichzeitig zwei Werkstücke mit einer Taktzeit von drei Sekunden pro Werkstück bearbeitet werden.
Durch das von Thielenhaus entwickelte sowie patentierte Anschnitt- und Zustellsystem „MicroSens“ lässt sich der Prozess während der Bearbeitung überwachen und visualisieren. Beim Vor- und Fertigfinishen sowie beim Ausfeuern werden die Anschnitterkennung und Bearbeitungskraft im Grammbereich mit Hilfe eines auf dem Werkzeugschlitten integrierten, verschleißlosen Piezosystems geregelt. Die Kraftbegrenzung regelt sich während der Bearbeitung in der Maschinensteuerung durch ständigen Ausgleich der Soll- und Ist-Kurve und lässt sich auf dem Bildschirm ablesen. So können auch sehr instabile Werkstücke wie dünnwandige Sensoren in gleichbleibend hoher Qualität mit engsten Toleranzgrenzen bearbeitet werden.
Triebwerkslager
Die Laufbahnen von Triebwerkslagern müssen bearbeitet werden, um diese Sicherheitsbauteile langlebig und verschleißarm zu machen. Darüber hinaus ist hier eine hohe Präzision (Rundheit 1 ~tm, Querform u003C 0,5 µm und Rauigkeit Ra 0,006 µm je nach Konstruktion) für einen ruhigen und geräuscharmen Lauf des Triebwerks notwendig. Der Einsatz des Microfinish-Verfahrens sichert eine kostengünstige Vorbearbeitung, eine Verkürzung der Taktzeiten, die Erreichung bester Güteklassen der Laufbahnen an Innen- und Außenringen sowie eine höhere Tragfähigkeit der Lager. Mit der modular aufgebauten „BearingStar“ von Thielenhaus Technologies können alle Kugel- und Rollenlagervarianten feinstbearbeitet werden. Durch die Torquemotor-Technik lässt sich der Prozess während der Bearbeitung flexibel regeln und die Oszillation des Werkzeugs individuell verstellen. Die „BearingStar“ ist durch die geringe Zahl an Wechselteilen (Hydrocentric und/oder Rolle-Schuh-System) schnell rüstbar und damit insbesondere auch für die in der Luftfahrt üblichen kleinen Losgrößen geeignet.
Kolbenstangen
Kolbenstangen werden bei allen hydraulisch betätigten Bauteilen wie Landeklappen, Höhen- und Seitenruder sowie Fahrwerkschächten eingesetzt. Von der Rauigkeit ihrer Oberfläche ist die Lebensdauer der Dichtringe des Kolbens abhängig. Leckagen könnten hier zum Ausfall des hydraulischen Systems führen. Die Kolbenstangen müssen daher an ihren Mantelflächen im spitzenlosen Durchlauf teilweise bis zum Spiegelglanz bearbeitet werden. Da die Oberflächen meist mit Korrosionshemmern beschichtet sind, muss der Abtrag (0,5 bis 3 µm) so erfolgen, dass die Beschichtung erhalten bleibt. Das Microfinish-Verfahren und die Durchlaufmaschine SF machen auch eine solche Bearbeitung möglich.
Pumpen und Ventile
Damit die vielen Hydrauliksysteme, die in Luftfahrzeugen zum Einsatz kommen, stets sicher und präzise funktionieren, werden Anlauf- und Dichtflächen von Pumpenläufern, -zahnrädern, -deckeln und -kolben feinstbearbeitet. Aufgrund der dann höchstpräzisen Funktionsflächen können in einzelnen Bauteilen Drücke bis zu 3 000 bar bei nur metallischer Abdichtung realisiert werden. Auch bei Ventilkugeln und kegeligen Dichtsitzen wird das Microfinish-Verfahren angewandt. Durch die Bearbeitung bis zu einer Rundheit von 0,1 µm st eine besondere Formgebung der Dichtsitze möglich, die sicherstellt, dass das Ventil sich nicht verklemmen kann. Ventile mit gefinishten Ventilkugeln aus Stahl oder anderen Werkstoffen erfüllen durch ihre perfekte Geometrie und Oberflächengüte höchste Ansprüche an Sicherheit unter allen Betriebsbedingungen und gewährleisten eine lange Lebensdauer.
Fahrwerksteile
Im Bereich der Fahrwerke sind es besonders die Dämpfer, die zur Verbesserung der Funktionssicherheit teilweise bis zum Spiegelglanz bearbeitet werden müssen. Dies ist auch bei komplexen Außenkonturen möglich. Hierbei wird die erforderliche Schnittgeschwindigkeit nicht wie sonst üblich durch das rotierende Werkstück erzeugt, sondern über ein spezielles Verfahren in das Werkzeug verlagert. Auf der hier zum Einsatz kommenden Universalmaschine „CenterStar“ lassen sich alle wellenförmigen Werkstücke mit getaktetem oder umlaufendem Band bzw. mit Steinwerkzeugen nass oder sogar trocken bearbeiten. Mit der Maschine lässt sich eine Rauhtiefe Rz u003C 0,3 µm und eine Erhöhung des Traganteils u003E 95% sowie eine deutliche Verbesserung der Welligkeit erreichen.
Im Fahrwerksbereich werden auch Kugelgelenkbolzen auf eine definierte Rauigkeit hin bearbeitet, die die erforderlichen Gleiteigenschaften gewährleistet. Dabei wird die Kugel auf exakten Durchmesser und Rundheit bearbeitet und bei lebensdauergeschmierten Teilen ein Plateaufinish angewandt, bei dem durch viele Täler und wenig Spitzen die tribologischen Vorteile genutzt werden. Neben der „MicroStar“ kommt hier auch die „EndoStar“ zur Anwendung, die als flexible und kompakte Maschinenlösung speziell für die Oberflächenfeinstbearbeitung von Kugeln und Kalotten in höchster Präzision entwickelt wurde. Durch Integration der neuen elektronischen Kraftregelung „MicroSens“ in die Maschine ist es dem Hersteller gelungen, die Geometrie und Oberfläche der sphärischen Werkstücke bei minimalem Werkzeugverschleiß noch präziser zu bearbeiten.
Feinstbearbeitung immer wichtiger
Die wettbewerbsentscheidenden Faktoren Funktionssicherheit, Langlebigkeit, Geräuschminimierung und Energieeinsparung machen eine Feinstbearbeitung vieler Bauteile in der Luft- und Raumfahrt immer wichtiger. Schließlich gewährleisten Verbesserungen an der Mikro- und Makro-Geometrie einen höheren Traganteil und eine geringere spezifische Flächenbelastung. Darüber hinaus beseitigt das Microfinish-Verfahren die nach dem Schleifen entstandene amorphe Schicht, so dass das Grundmaterial mit seiner vollen Härte und Belastbarkeit zum Tragen kommt. Als weiterer Vorteil kommt die Erhöhung der nützlichen Druckeigenspannung in der Werkstoffrandzone hinzu.
Thielenhaus Technologies
Tel. 0202/4810, Fax 0202/450445
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